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Des métamatériaux aux propriétés étonnantes

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Joseph Fourier

Joseph Fourier, l'un des plus grands mathématiciens français, est né il y a 250 ans, en 1768, à Auxerre. C'est l'occasion de revenir sur les découvertes de ce génie des mathématiques et de la physique, qui sont aujourd'hui au cœur des technologies utilisées au quotidien. ...

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Si l'intérêt des véhicules électriques pour la réduction de la pollution de l'air, en particulier dans les villes, est évident, il n'en est pas de même pour ce qui est de sa contribution à la lutte contre le changement climatique ...

fractales et compréhension du monde

Il est coutume, pour décrire un objet fractal, de le rapprocher de la récursivité des poupées russes : tous deux présentent une structure dite hologigogne, c'est-à-dire que leur tout est parfaitement identique à chacune de ses parties. Forgée en 1974 par le mathématicien Benoît Mandelbrot, la notion de fractalisation aura permis la désinence de bien des figures, jusque-là trop irrégulières pour répondre aux normes géométriques traditionnelles. Nombre de phénomènes naturels sont aujourd'hui répertoriés comme fractals compte tenu de leur géométrie autosimilaire : le chou-fleur de variété romanesco par exemple, la fronde d'une fougère, le réseau des rivières, les alvéoles pulmonaires, la structure des invertébrés, des vaisseaux sanguins, des roches, des lignes de côtes, des flocons de neige, etc.  La modélisation par des fractales permet même de mieux comprendre certains phénomènes comme la spongiosité d'un nuage, les turbulences d'un liquide, les éruptions volcaniques, la répartition des exoplanètes jusqu'aux motifs de la queue d'un paon...

Chez l'Homme par exemple, la configuration des bronches, garantit une surface d'échange gazeux particulièrement étendue - la même chose pour les végétaux : la fragmentation régulière des frondes d'une fougère augmente l'efficacité de la photosynthèse ; il a également été démontré qu'entre un chou romanesco et un chou ne présentant aucune fractalisation, l'activité photosynthétique du chou "fractal" était 4 à 5 fois plus élevée.

La radio est un autre domaine d'application : les antennes d'ailes télescopiques rétractables permettent d'occuper un très faible espace tout en maintenant une bonne émission des ondes radioélectriques. Cela étant, le domaine pour lequel la fractalisation est la plus exploitée reste l'imagerie : la fameuse compression d'images informatiques (sous le code JPEG) par exemple, s'articule autour de techniques fractales censées corriger les motifs répétitifs que l'on trouve en photographie.

Les fractales s'appliquent à des domaines tels l'urbanisme, la sociologie, la finance... Les économistes Laurent-Emmanuel Calvet et Adlai Fisher ont ainsi développé des modèles dits "multifractals" à l'intention des entreprises pour évaluer les risques financiers - des sortes d'anticipations de la volatilité des échanges. En effet, il suffirait de regarder les évolutions des cours de bourse, les fameuses courbes « en dents de scie ». Qu'on regarde les courbes sur 10 ans, 5 ans, 6 mois, ou quelques semaines, les propriétés sont bien sûr différentes, mais l'allure générale de la courbe ne varie que très peu. On reconnaît dans ces objets une structure fractale : « ils peuvent être décomposés en fragments dont chacun a la même forme que le tout », comme l'expliquait Mandelbrot lui-même. Par ailleurs, certains n'hésitent pas à invoquer la fractalisation pour expliquer l'étonnante régularité des krachs boursiers - les marchés ayant effectivement tendance à chuter tous les 7 ans.

Mais finalement, c'est bien par leur beauté que ces objets fascinent le plus. Cette science du rugueux, pour reprendre l'expression de Mandelbrot, souvent érigée en symbole de l'élégance des mathématiques, s'est même traduite en courant artistique, baptisé art algorithmique ou simplement art fractal ; cette discipline regroupe des paysages synthétiques formés à partir de l'itération d'une fonction du plan dans le plan ; des animations ; mais aussi des musiques, caractérisées par le fait de répéter les mêmes motifs rythmiques, de façon à ce que chaque élément reproduise le tout.

Publié le 21/02/2018

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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.

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