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La foudre bat des records

CC BY SA André Karwath aka Aka

Les éclairs et la foudre sont parmi les phénomènes naturels les plus spectaculaires. On estime que chaque seconde l’atmosphère terrestre est traversée par une cinquantaine de ces décharges électriques. En effet, ...

Un moteur moléculaire à effet tunnel

Credit: Empa
Un moteur quantique
Comme d’autres moteurs moléculaires de cette échelle, le fonctionnement de ce nanomoteur conçu à l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), met en jeu la mécanique quantique. Mais l’originalité de ce nouveau moteur réside dans le fait que la cause-même ...

Photo-ionisation

A photo of the COLTRIMS reaction microscope built by Alexander Hartung as part of his doctoral research in the experiment hall of the Faculty of Physics. Credit: Alexander Hartung.

La quantité de mouvement de la lumière

Bien que de masse nulle, la lumière possède une quantité de mouvement ...

Vers de nouvelles technologies de chargeurs

Image Vedecom - DR

Des composants indispensables

De nombreux appareils électriques fonctionnant sur piles ont besoin d’être chargés régulièrement. On emploie donc des accumulateurs électrochimiques. Ces derniers sont rechargeables un très grand nombre de fois, contrairement aux piles. Téléphones ...

Un micro-accélérateur de particules

Vue du tunnel du LHC - Auteur : Maximilien Brice, CERN

Des ondes électromagnétiques pour accélérer les particules

Les physiciens de l’infiniment petit emploient des accélérateurs pour communiquer aux particules de très grandes vitesses afin de produire des collisions énergétiques. Au CERN par exemple, ...

Tromper une caméra thermique

Caméras thermiques : « filmer la température »

Tout corps, en raison de sa température, émet par sa surface un rayonnement dont le spectre (fréquence ou longueur d’onde en abscisse, intensité en ordonnée) couvre théoriquement toute la gamme des ondes électromagnétiques, l’intensité de l’émission variant ...

Piles bêtavoltaïques au carbone 14 recyclé

Des piles « bêtavoltaïques »

Certains noyaux radioactifs, généralement ceux possédant trop de neutrons par rapport à leurs protons, transmutent un neutron en proton, électron et antineutrino. Cette réaction s’appelle la radioactivité bêta moins et s’écrit n -> p + e- + v. L’électron est émis avec une énergie moyenne de 50 keV. On parle de « rayonnement bêta » ou « électron bêta ». L’énergie de l’électron peut être mise à profit en étant convertie en électricité dans un semi-conducteur, de la même manière que l’énergie du photon est employée dans les piles photovoltaïques.

Les piles « bêtavoltaïques » ont ainsi vu le jour au cours des années 1970. La source bêta radioactive employée était le prométhium-147 ou Pm-147. Elles ont été surtout utilisées pour alimenter les pacemakers. Mais les piles « lithium-ion » offrant de meilleures performances, notamment avec une meilleure durée de vie, sont venues les supplanter sans leurs défauts. L’inconvénient majeur de ces « bêtapiles » provenait du fait qu’elles contenaient non seulement du Pm-147 mais aussi du Pm-146 émetteur de rayonnement gamma qu’il fallait arrêter. Aussi, l’essentiel du volume de ces piles était occupé par de la matière employée comme écran pour stopper ce rayonnement. Ces piles ont donc disparu du paysage.

Un moyen d’utiliser le carbone 14

L’idée de l’énergie bêtavoltaïque n’a pas été abandonnée pour autant. Elle a d’ailleurs refait surface récemment avec comme objectif d’employer le carbone-14 comme source d’énergie. Pour mémoire, le carbone occupe la sixième case du tableau périodique des éléments et possède donc 6 électrons et 6 protons. L’essentiel du carbone sur Terre possède également 6 neutrons. C’est le Carbone-12 ou 12C. L’isotope naturellement très rare du carbone (1 atome sur 1012) avec 8 neutrons ou 14C est instable, radioactif bêta. Or, les Britanniques possèdent beaucoup de C-14 dont ils ne savent que faire. En effet, la technologie employée dans certaines de leurs centrales nucléaires fait appel au graphite comme modérateur, pour réduire la vitesse des neutrons. Mais ce bombardement neutronique produit d’importantes quantités de C-14. Ce radioisotope serait ainsi recyclé dans des piles d’une nouvelle génération, employées dans certains dispositifs électroniques, notamment à bord de satellites. Mais une source bêta ne suffit pas, il faut aussi un semi-conducteur. Or, le carbone est un semi-conducteur. Par conséquent les piles envisagées sont formées de carbone avec une part de C-14.

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La nature comme exemple
Le biomimétisme, une démarche d'innovation inspirée par la nature.

Depuis quelques années, les scientifiques s'inspirent des solutions mises au point par les êtres vivants pour résoudre efficacement des problèmes très nombreux et complexes. Ce champ porte le nom de bio-mimétisme, ou d'innovation bio-inspirée. Deux exemples :

Des papillons thermorégulés

Les ailes du papillon Morpho sont extraordinaires : non seulement elles présentent une couleur inimitable, mais elles permettent également au papillon de modérer sa température interne. La couleur bleu métallique unique des ailes de ce papillon n’est pas due à la présence d'un pigment comme pour la plupart des éléments naturels colorés, mais à sa structure. L’aile de ce papillon est organisée sur cinq niveaux : l’aile, les écailles, les stries, les lamelles et enfin les molécules. C’est à ce niveau moléculaire qu’on observe une structure dite photonique de l’aile, à savoir une organisation périodique avec une période de l’ordre de grandeur de la longueur d’onde de la lumière. Cette structure extrêmement difficile à reproduire « capture » la lumière et ne laisse s’échapper que les rayons bleus. La surface de ces ailes remplit par ailleurs plusieurs fonctions, elle est auto-nettoyante et permet au papillon de réguler sa température. En effet, lorsqu’elle est chauffée, la structure de chitine de l’aile émet dans l'infra-rouge avec une intensité supérieure à une structure habituelle, ce qui permet de refroidir le papillon et de le maintenir à la température idéale de 40° C. Cette propriété pourrait fournir une piste de solution à l'un des défauts majeurs des panneaux solaires : leur performance décroît avec la température. Si la température des panneaux pouvait être maîtrisée , leur rendement serait optimisé.

Des algues chimistes

La diatomée est une algue courante dans les lacs et les rivières. Mais elle a une particularité qui fait rêver les chimistes : elle est capable de produire une carapace à partir de la silice dissoute dans l’eau, et ceci à température ambiante. Pour mémoire, le verre est produit industriellement en portant du sable (silice) à des températures d’au moins 1500°C pour le faire fondre. La diatomée a ainsi inspiré une chimie douce, se déroulant à des températures peu élevées, de 20°C à 200°C. Jacques Livage, Professeur à l'Université Pierre et Marie Curie, Membre de l'Académie des Sciences et du Collège de France, a ainsi mis au point un procédé peu énergivore, qui consiste à dissoudre de la silice dans l’eau puis à procéder à une opération de polymérisation en présence de catalyseurs et en jouant sur le pH. « Un procédé breveté en 1939 par l’entreprise Schott, mais curieusement ignoré par le monde académique jusque dans les années 1980 ! », souligne Jacques Livage. Ce procédé ne permet pas de créer des produits massifs, mais il permet de maîtriser très finement la création de la structure de silice, très utile pour réaliser des films très fins. De nombreuses applications ont déjà trouvé des débouchés économiques, par exemple pour les revêtements anti-reflet sur les vitrages des bâtiments ou les parebrises des automobiles, ou encore pour des revêtements auto-nettoyants à base de matériaux hybrides organo-minéraux en oxyde de titane (TiO2) qui décomposent les particules organiques par photocatalyse. D’autres sont encore en voie de développement comme l’emprisonnement de micro-organismes tels que des bactéries, champignons ou micro-algues dans des gels de silice tout en conservant leur activité biologique et les échanges des micro-organismes avec le milieu extérieur. Ce procédé pourrait servir pour fabriquer des capteurs antipollution ou des test immunitaires. Dans le domaine médical, des chercheurs ont également réussi à injecter chez des diabétiques des cellules de pancréas impliquées dans la production d’insuline, entourées d’une carapace en silice qui les protège contre le système immunitaire du patient.


Pour en savoir plus :

Site de l'exposition sur la bio-inspiration

Sur la photonique

Sur la chimie douce

Pauline Armary
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