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Physique de l’espresso

Une recette ancestrale

Dans les grandes lignes, depuis son invention en 1884, la préparation d’un espresso consiste à forcer de l’eau chaude à passer assez rapidement à travers du café moulu très fin. Plus précisément, la température de l’eau ...

Des panneaux solaires bifaces

Les panneaux solaires : du silicium « dopé »

Dans un panneau solaire, l’énergie lumineuse est convertie en courant électrique, grâce à l’effet photoélectrique où un photon arrache un électron à un atome. Pour cela, il faut ...

Les électrons peuvent s’écouler comme l’eau

Lorsque l’eau s’écoule dans un tuyau, ce sont les interactions entre ses molécules qui la freinent. A l’inverse, lorsque des électrons s’écoulent dans un fil conducteur, c’est avant tout le fil lui-même qui les freine. Une équipe de chercheurs britanniques et israéliens, ...

Les cristaux temporels

Réseaux cristallins associés à l'eau. by Psi?edelisto, based on version by Dbuckingham42 - Own work, CC BY-SA 4.0,

Cristal et brisure de symétrie 

Un cristal est un état de la matière dans lequel les atomes sont ordonnés selon une périodicité spatiale ...

Du ribose dans les météorites

Le ribose, sucre vital

L’ADN - ou acide désoxyribonucléique - est formé en particulier d’un sucre, le désoxyribose, lui-même un dérivé du ribose (C5H10O5). Plus précisément, dans le désoxyribose (C5H10O4) un groupement hydroxyle (-OH) du ribose ...

Un nouveau comportement des électrons

Cooper pairs - Tem5psu CC BY-SA
Isolants, conducteurs et semi-conducteurs

Le comportement d’un solide cristallin relativement au courant électrique, peut être celui d’un isolant, d’un semi-conducteur, d’un métal ou d’un supraconducteur. Dans les isolants, ...

Interférences et biomolécules

CC BY-SA 4.0 Alexandre Gondran
Les expériences d’interférences mettant en jeu des molécules de plus en plus grosses et lourdes révèlent que les lois de la mécanique quantique sont applicables bien au-delà du monde de « l’infiniment petit » ...

Anomalie de dilatation thermique

By Simon Mer - Own work, CC BY-SA 4.0
Généralement, les matériaux se dilatent lorsqu’ils sont chauffés. La raison en est qu’une élévation de température correspond à une augmentation de l’agitation des atomes, or cette agitation n’est pas symétrique. En effet, deux atomes liés au repos sont espacés d’une distance optimale d’un point de vue énergétique, et ont beaucoup plus de mal à se rapprocher très près, que de s’éloigner l’un de l’autre. Cela résulte du fait que la force répulsive croit extrêmement vite si l’on cherche à diminuer la longueur de liaison, alors que la force attractive croit très lentement lorsqu’on tente d’augmenter cette longueur. En somme, la liaison interatomique agit comme « ressort » qui se comprime plus difficilement qu’il ne s’étire. Par conséquent l’agitation thermique a plutôt tendance à augmenter les distances interatomiques, donc le volume.

Pourtant, il existe des exceptions, comme l’eau lorsqu’elle gèle et qui est d’ailleurs l’exemple le plus courant. Plus précisément, la densité maximale de l’eau se situe vers 4°C, ce qui signifie que le liquide voit son volume diminuer lorsque la température grimpe de 0°C à 4°C. Sur cette plage de température, l’eau possède un « coefficient de dilatation négatif ». Certains éléments du tableau périodique se comportent également de cette manière, leur congélation provoquant une diminution de leur densité, le solide flottant sur le liquide. C’est le cas du silicium, du bismuth, du gallium, du germanium, du plutonium et de l’antimoine. Il s’agit là d’exemples d’anomalie de dilatation ne concernant qu’une petite plage de température ou n’ayant lieu que lors du changement de phase liquide - solide. Mettons l’eau liquide et les changements de phase de côté et intéressons-nous à des solides cristallins.

Existe-t-il de tels matériaux ayant un coefficient de dilatation négatif ? La réponse est oui et cela est bien mystérieux. Un des exemples les plus étudiés est le tungstate de zirconium (ZrW2O8) qui exhibe cette anomalie entre -273°C et 777°C. Un autre est le trifluorure de scandium (ScF3) entre -263°C et 827°C. D’autres exemples sont également connus, comme certains silicates, cyanures, les nanotubes de carbone, la glace elle-même quand elle est refroidie à – 200°C… Les études récentes du trifluorure de scandium (ScF3) commencent à lever le voile sur le mystère du coefficient négatif des solides cristallins. La distance entre des atomes liés ne diminue pas, mais c’est l’agitation de la structure cristalline qui permet une réduction de volume comme sur le schéma ci-dessous. Il est fort probable que toutes les autres anomalies puissent s’expliquer selon ce même modèle.

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Chiens policiers, mieux piéger les odeurs
L'odorologie canine, développé par la police scientifique a récemment trouvé une application à la détection de cancers.

L'odorat et les chiens

Les sens chimiques de l'odorat et du goût renseignent sur la nourriture et les odeurs corporelles des êtres vivants qui nous entourent. En ce qui concerne l'olfaction, les molécules amenées par le mouvement inspiratoire à l'état gazeux stimulent par leur interaction les cellules nerveuses réceptrices de la muqueuse olfactive. Un neurone relié à un récepteur est spécifique, mais l'important est que la reconnaissance des odeurs par les récepteurs olfactifs se fait par combinaison, ce qui permet de différencier une grande quantité de produits.

Abrités dans 200 cm² de muqueuse olfactive, le nez des chiens est doté de 300 millions de récepteurs d'odeurs, contre 5 millions pour les êtres humains. Pour prendre un autre chiffre, l'odorat du·chien est 1 million de fois plus sensible que celui de l'être humain. Ainsi, un chien· renifleur est en mesure de reconnaître l'odeur d'une personne dans jusqu'à 90% des cas. Le pourcentage restant n'est pas dû à une défaillance de l'odorat, plutôt à la qualité olfactive des prélèvements.

Chaque individu possède une empreinte olfactive unique, qui se répand partout où il passe. Cette signature est constituée de plusieurs centaines de composés organiques volatils, dont la nature et les quantités sont déterminées génétiquement parmi un nombre quasi infini de possibilités. L'odeur humaine comprend aussi une composante secondaire, induite par notre fonctionnement biologique comme le régime alimentaire ou le niveau de stress, ainsi qu'une composante tertiaire, qui résulte d'apports extérieurs et de notre environnement. Au-delà de la détection des odeurs, l'odorat fin des chiens leur permet de discriminer ces différentes composantes et de reconnaître un individu, y compris entre deux vrais jumeaux avec les mêmes conditions de vie.

Les sciences de l'odorologie

Comme les empreintes digitales ou l'ADN, les odeurs peuvent alors servir à identifier des suspects pour la police scientifique. L'odorologie consiste à capter des traces odorantes, à l’aide de tissus spéciaux enduits de paraffine, puis à les comparer à celles prélevées sur un·e suspect·e grâce à des chiens spécialement formés à cette tâche. Depuis 2003, cette science a été utilisée dans plus de 520 affaires en France et a permis environ 160 identifications.

Pour améliorer l'efficacité de cette technique, des chimistes et des mathématiciens toulousains ont développé un outil biométrique sous la forme d'un piège à molécule, appelé aussi « éponge moléculaire ». Constitué d’huiles végétales auxquelles une substance gélifiante a été ajoutée, un réseau de cristaux de sucre crée de la porosité. Les molécules odorantes se fixent sur les parois de ce réseau et se solubilisent dans le gel. Pour une pastille de la taille d’une pièce de monnaie de ce gel organique microporeux, la surface de contact avoisine les 200 m2, soit autant qu’un court de tennis.

Dans le cadre du projet CNRS Recherche Attentat, mis en place après les attaques terroristes du 13 novembre 2015, cette étude vise aussi à déterminer la composition exacte des molécules odorantes piégées avec un spectromètre de masse. Les algorithmes élaborés permettront de remplacer les chiens dans l'identification des odeurs primaires, voire même de caractériser les composantes secondaires et tertiaires de l’odeur humaine. Cette technique aurait le double avantage de produire des éléments de preuve convaincants pour les magistrats, tout en fournissant des informations comme l’état de santé ou des éléments de l’environnement d’un suspect.

L'odorologie canine peut aussi trouver des applications en médecine, comme le montre le programme de recherche Kdog de l’Institut Curie. Sur 130 prélèvements, des lingettes imbibées de sueur, 100% des 79 femmes à qui venait d’être diagnostiqué un cancer du sein et qui n’avaient pas encore démarré de traitement ont été identifiées. Montrer que les cancers du sein ont une odeur commune est déjà un résultat, que des chiens bien entraînés réussissent à discriminer les composés volatils émis en est un autre. Ce premier test sera suivi d’un essai de plus grande envergure, sur mille femmes. Même si ce type de diagnostic canin de première intention devra toujours être confirmé par des moyens plus conventionnels, en attendant des moyens plus directs, les chiens pourraient être utiles au dépistage dans des zones ou des pays dans lesquels une mammographie est difficile à réaliser.

En savoir plus

Site de l'IMRPC, laboratoire des Interactions Moléculaires et Réactivité Chimique et Photochimique, ainsi que la page sur ce sujet de recherche

Site du projet KDOG

Arthur Jeannot
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