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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. ...

Nucléosythèse et étoiles à neutrons

(C) NASA - Nébuleuse du Crabe, marquée par la présence d'une étoile à neutron
Mis à part quelques éléments légers comme l’hydrogène, l’hélium, le lithium… produits peu après le big bang, tous les noyaux atomiques naturels ...

Des réfrigérateurs à torsion

Impératifs environnementaux

Près de 20% de l’énergie électrique produite dans le monde est consommée par les climatiseurs, réfrigérateurs et congélateurs. De plus, ces machines frigorifiques utilisent des fluides frigorigènes dont la plupart sont des gaz ...

Les batteries au lithium pour un Nobel

De la petite électronique à la voiture électrique, la pile lithium-ion - non rechargeable - et surtout l'accumulateur - rechargeable - ont envahi notre quotidien. Sans cette technologie lithium-ion, téléphones mobiles, tablettes et autres appareils nomades n’existeraient pas ou seraient beaucoup plus lourds. Pas étonnant que cette invention ait fait l’objet du prix Nobel de chimie 2019, décerné à parts égales à John Goodenough (Américain, 97 ans), Stanley Whittingham (Britannique, 78 ans), Akira Yoshino (Japonais, 71 ans).

Une pile est toujours composée de deux bornes, les électrodes, constituées de matériaux différents. Dans les grandes lignes, voici comment fonctionne une pile. Le matériau employé à la borne négative - appelée anode - perd des électrons et produit ainsi des ions positifs, des cations : il y a oxydation. Electrons et cations se précipitent alors par deux chemins différents vers l’autre borne, celle qui est positive - appelée cathode - où ils se rejoignent. Tandis que les cations y vont par l’intérieur de la pile en traversant un liquide, un milieu pâteux, les électrons passent par le circuit extérieur et alimentent le dispositif électrique.  A la cathode, les cations récupèrent ainsi leurs électrons : il y a réduction. Bien entendu, l’aptitude des deux matériaux à céder des électrons doit être différente, afin que l’un en cède et l’autre en récolte. Cette aptitude, appelée aussi potentiel, est mesurée en volts. Plus l’écart des aptitudes est important, plus la différence de potentiel ou ddp est grande, et plus la pile possède un « voltage » élevé.

Dans le tableau périodique des éléments, le meilleur donneur est justement… le lithium qui, de plus, a le gros avantage d’être très peu dense (0,5 g/cm3). Une pile avec une anode en lithium peut donc être très légère. Malheureusement, le lithium pur, métallique, s’oxyde très facilement et peut s’enflammer voire exploser au contact de l’eau. Grâce aux recherches menées au cours des années 1970 et 1980, les premières batteries sûres au lithium voient le jour en 1991 et commencent à équiper l’électronique portable. Généralement, à l’anode, les atomes de lithium sont intercalés (insérés) dans du carbone et lors de l’usage de la pile, les cations lithium ayant quitté le carbone migrent à travers un polymère avant de s’insérer à la cathode, constituée d’oxyde de cobalt. Dans une telle configuration, la ddp peut atteindre 3 voire 4 volts. Lors de la charge, c’est le processus inverse qui a lieu.
Même si le prix Nobel de cette année vient couronner cette invention, le lithium n’a pas dit son dernier mot. En effet, un gros progrès serait réalisé lorsqu'aura été mis au point une batterie sûre avec du lithium pur à l’anode et pourquoi pas avec du fluor, qui est le meilleur receveur, à la cathode. Des prix Nobel à venir…

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La photosynthèse artificielle
De nombreux travaux de recherche s'inspirent du processus naturel de photosynthèse

CC by U.S. Department of Energy / United Joint Center for Artificial Photosynthesis

Une quête bioinspirée

La photosynthèse est le mécanisme grâce auquel les plantes produisent des matières organiques telles les glucides, en utilisant l'énergie fournie par les rayons du soleil. Pour cela, elles consomment de l'eau (et des minéraux), du CO2 (dioxyde de carbone) et rejettent de l'oxygène.
Depuis les années 1990, l'idée de reproduire de manière artificielle le mécanisme de la photosynthèse se développe au sein de la communauté scientifique, plus particulièrement chez les chimistes et les biologistes. Comme le souligne Bill Gates, cofondateur de Microsoft, « si cela marche, cela pourrait être magique », notamment parce que la photosynthèse artificielle consomme du CO2, le principal gaz à effet de serre, responsable du réchauffement climatique. Mais parvenir à reproduire cette conversion de l'énergie solaire en énergie chimique qu'effectue la photosynthèse reste un vrai défi auquel s'attèlent de nombreuses équipes de recherche dans le monde, dans une démarche qui s'inspire de la nature. 

Diverses pistes de recherche

Certaines approches visent à se servir de l'énergie solaire pour produire un carburant, l'hydrogène, ainsi que de l'oxygène. L'idée est de séparer les molécules d'eau (H20) en hydrogène (H2) et en oxygène (02), grâce à des catalyseurs. Pouvoir dissocier en même temps du dioxyde de carbone, conduirait à des composés riches en carbone et hydrogène, des carburants très énergétiques. Les émissions en CO2 de ces carburants pourraient alors être recyclées par le même processus. C'est ce que semblent avoir réussi des chercheurs de Harvard, en utilisant des micro-organismes spécifiquement sélectionnés. Le rendement global de conversion serait de 10%, à comparer au chiffre de 1% du rendement de la photosynthèse naturelle (production de glucose). Ces pistes de recherche bénéficient des travaux fondamentaux sur le phénomène de la photosynthèse, qui est loin d'avoir livré tous ses secrets. Des chercheurs français viennent ainsi d'apporter une nouvelle brique à cet édifice intellectuel en cours d'élaboration. Ils sont parvenus à caractériser l'un des quatre électrons impliqués dans les réactions photochimiques au coeur de la photosynthèse. L'enjeu est en effet d'identifier les édifices moléculaires parfois transitoires et les processus qui permettent de capter l'énergie lumineuse, et d'accumuler des charges électriques, ce qui permet à des réactions chimiques de se produire.

Applications extraterrestres

Les bienfaits de la photosynthèse artificielle sont multiples. Des chercheurs américains ont en effet réussi à produire des composés riches en nitrates, qui peuvent être utilisés comme engrais. Les différentes formes de photosynthèse artificielle pourraient ainsi servir à la colonisation de planètes telles que Mars, dont l'atmosphère est très riche en CO2 (plus de 95%), en y produisant du carburant, des engrais et de l'oxygène, pour approvisionner une future base sur la planète rouge.

Pour en savoir plus

La rédaction de Sciences en ligne
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