Ressource #1 du dossier Pop’Sciences – CNRS : « ANNÉE DE L’INGENIERIE – Quand l’ingénierie façonne la recherche scientifique » ARTICLE 

Tout rayonnement qui traverse l’atmosphère est en partie absorbé par les gaz qui la composent. Parce que ces interactions jouent un rôle déterminant dans la simulation des données recueillies par les satellites, elles doivent être modélisées avec précision. En s’appuyant sur une approche novatrice, des scientifiques ont montré qu’il était possible d’effectuer plus rapidement cette opération tout en mobilisant un minimum de ressources informatiques. Ces travaux devraient permettre d’accéder à de nouvelles informations sur les propriétés de l’atmosphère et de la surface terrestre.

 L’ouragan Felix photographié par l’équipage de l’Expédition 15. Image Nasa / Johnson Space Center

En l’espace de quelques décennies le champ d’utilisation de la télédétection par satellite n’a cessé de s’étendre : météorologie, aménagement urbain, gestion des ressources agricoles et forestières, étude du climat, comptent parmi les nombreux domaines d’application de ce puissant outil d’analyse. La télédétection spatiale repose sur la mesure du rayonnement électromagnétique émis ou réfléchi par un objet. Cette énergie lumineuse provient principalement du Soleil mais peut aussi être générée par la surface terrestre sous forme de rayonnement infrarouge.

Tout au long de leur parcours entre le capteur du satellite et l’objet d’étude – formation nuageuse, parcelle agricole, aérosols engendrées par un incendie,… – ces rayonnements sont partiellement absorbés par les différentes molécules gazeuses présentes dans l’atmosphère. L’étude de la propagation de l’énergie sous forme d’ondes électromagnétiques et de son interaction avec les milieux fluides ou solides constitue le champ disciplinaire du transfert radiatif. « Pour pouvoir extraire des données fiables de mesures satellites, il est indispensable de modéliser avec précision la part de rayonnement absorbée par toutes ces espèces gazeuses, ce qui peut se révéler très coûteux en termes de calculs informatiques », souligne Frédéric André, physicien du transfert radiatif au Laboratoire d’optique atmosphérique (LOA)¹, anciennement rattaché au Centre d’énergétique et de thermique de Lyon (CETHIL)².

Un modèle hybride plus efficace

Afin de limiter la puissance de calcul consacrée au traitement des interactions rayonnement-gaz, ce spécialiste du transfert radiatif dans les milieux fluides s’est associé à Céline Cornet, physicienne de l’atmosphère au LOA. En croisant leurs domaines d’expertise respectifs, les deux scientifiques ont mis au point une méthode novatrice pour simuler le transfert radiatif dans le milieu atmosphérique. « Cette approche dite en “L-distributions” présente la particularité de combiner de façon originale la modélisation de phénomènes physiques avec des outils de simulation statistique et de l’apprentissage automatique tel qu’utilisé dans le domaine de l’intelligence artificielle », résume Frédéric André. Contrairement à d’autres outils de modélisation basés uniquement sur l’apprentissage automatique à partir de données, ce modèle hybride offre la possibilité de donner un sens physique à tous les paramètres du modèle, ce qui permet leur interprétation.

Au-delà de sa capacité à estimer de manière fiable la part du rayonnement absorbée par les gaz atmosphériques, l’approche en L-distributions a vocation à limiter son coût de calcul. Pour le vérifier, les scientifiques ont eu recours à la base de données HITRAN (acronyme anglais de High Resolution Transmission) qui compile les paramètres spectroscopiques de dizaines d’espèces moléculaires. Ces données servent de référence à la communauté scientifique pour prédire et simuler l’absorption et l’émission de lumière dans différents milieux gazeux dont l’atmosphère terrestre. Une fois intégrés dans un logiciel développé par le laboratoire, ces paramètres spectroscopiques ont permis à l’équipe de recherche de tester l’efficacité de la méthode en L-distributions pour le calcul du transfert radiatif de la vapeur d’eau (H₂0), de l’oxygène (O2), du dioxyde de carbone (CO₂), de l’ozone (O₃) et du méthane (CH₄). Ces cinq constituants de l’atmosphère terrestre n’ont pas été choisis au hasard. Tous sont en effet susceptibles d’absorber l’énergie radiative dans les longueurs d’onde où les satellites sont amenés à effectuer des mesures de luminance³.

Comprendre l’absorption du rayonnement par l’atmosphère © Emilie Josse

Vers un temps de calcul divisé par dix

« En implémentant de nouvelles méthodes de mathématiques appliquées dans un modèle d’observation de la Terre nous avons montré qu’il était possible de réduire de façon significative le temps de calcul des transferts radiatifs de chacune de ces espèces gazeuses ce qui reste aujourd’hui un frein à de nombreux développements dans le domaine de la télédétection par satellite », précise Céline Cornet.

Pour simuler la physique de l’interaction entre le rayonnement électromagnétique et les molécules atmosphériques, les spécialistes du transfert radiatif s’appuient actuellement sur des modèles en coefficient d’absorption couplés à des techniques d’analyses probabilistes. Estimer avec précision la part d’énergie transférée via cette approche implique, en présence de nuages, de considérer le cheminement d’une dizaine de millions de photons entre l’objet étudié et le capteur du satellite. Avec la méthode en L-distributions développée par l’équipe du LOA, un million de ces mêmes particules lumineuses suffisent pour obtenir un niveau de précision similaire. « Le fait de devoir recourir à un nombre de photons dix fois moins élevé pour aboutir au même degré de précision signifie que le temps de calcul du transfert d’énergie radiative peut potentiellement être réduit d’un ordre de grandeur similaire à condition de retravailler toute la chaîne de calculs de notre modèle d’analyse pour la mettre en adéquation avec ce nouveau paradigme », extrapole Frédéric André.

Au chevet des villes en surchauffe

À brève échéance, l’utilisation de l’approche en L-distributions est notamment envisagée dans le domaine de l’imagerie hyperspectrale. Cette technologie sert par exemple à discriminer des types de roches qui apparaissent identiques à l’œil nu. Elle doit aussi permettre d’extraire de faibles variations de températures à l’échelle d’une ville à partir d’images satellite. La mission spatiale Trishna, dont le lancement est prévu dans le courant de l’année 2026, devrait permettre de tester l’approche en L-distributions dans un tel contexte applicatif. Une fois opérationnel, ce satellite franco-indien recueillera notamment des images de la surface terrestre dans le domaine de l’infrarouge thermique. Doté d’une grande résolution spatiale, cet outil d’observation devrait être capable d’évaluer des températures de surface en milieu urbain durant des vagues de chaleur. « Pour obtenir une estimation précise de cette température de surface, il sera nécessaire de corriger la valeur mesurée par le satellite de l’absorption d’une partie du flux infrarouge par les gaz de l’atmosphère qui se situent entre le sol et l’observatoire spatiale qui évoluera à 760 km d’altitude. La méthode en L-distributions développée au sein de notre laboratoire a justement vocation à réaliser ce type de corrections atmosphériques », complète Céline Cornet.

Parce qu’ils visent à diminuer le temps de calcul dédié à la modélisation du transfert radiatif, ces travaux devraient contribuer à relever l’un des grands défis actuels de l’ingénierie qui est celui de la transformation numérique.

Article rédigé par Grégory Fléchet, journaliste scientifique – Janvier 2026

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1 Unité CNRS/Université Lille

2 Unité CNRS/INSA Lyon

3 Quantité d’énergie mesurée en watts par m² par un satellite dans une direction donnée.

Ces recherches ont été financées en tout ou partie, par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet ANR-ASGARD-AAPG2020. Cette communication est réalisée et financée dans le cadre de l’appel à projet Sciences Avec et Pour la Société – Culture Scientifique Technique et Industrielle pour les projets JCJC et PRC des appels à projets génériques 2020 (SAPS-CSTI-JCJ et PRC AAPG 20).

Ressource #3 du dossier Pop’Sciences – CNRS : « ANNÉE DE L’INGENIERIE – Quand l’ingénierie façonne la recherche scientifique » ARTICLE 

Pour détecter avec précision des particules élémentaires, des scientifiques développent des capteurs composés de millions de « nano-canaux », des tubes mille fois plus fins qu’un cheveu. En tapissant l’intérieur de ces minuscules tunnels de nouveaux matériaux à base de polymères, une équipe lyonnaise espère créer des dispositifs plus compacts et plus sensibles. Une piste innovante qui permettrait de transformer la détection à haute résolution en physique fondamentale.

Le télescope CAT (Cerenkov array at Themis), installé à la centrale solaire THEMIS (Targasonne, Pyrénées Orientales) : observation des gammas cosmiques dès l’énergie de 200 GeV. Vue de la face avant de la caméra. Les points clairs correspondent à la maille de l’imagerie. Dans la main : un des 600 photomultiplicateurs (chacun répond en un milliardième de seconde après l’arrivée d’un photon). © Laurence MEDARD/CNRS Images

Qu’il s’agisse de construire un appareil photo pour immortaliser nos souvenirs de vacances ou un détecteur de particule pour mieux comprendre la structure fondamentale de la matière, le système fonctionne toujours de la même manière : il convertit un signal entrant (photons ou particules) en un signal électrique lisible par l’électronique de l’appareil et exploitable ensuite.
Dans le cas du capteur d’un appareil photo, par exemple, les photons lumineux incidents produisent des charges électriques dans chaque pixel du détecteur formant l’image. Mais lorsque l’intensité lumineuse est extrêmement faible, le nombre de photons est insuffisant pour constituer une charge électrique détectable.
Pour ces détections extrêmes, des « photomultiplicateurs » ont longtemps été utilisés.

L’arrivée d’un seul photon sur un photomultiplicateur émet un unique électron, accéléré et amplifié ensuite en cascade à travers une série d’électrodes jusqu’à produire une « avalanche électronique » bien plus importante, détectable par les circuits en aval de l’appareil (cf. illustration ci-dessous). Ce dispositif est extrêmement sensible et particulièrement adapté à la détection de signaux lumineux très faibles, ou de particules uniques. Son inconvénient est sa taille, typiquement une dizaine de centimètres. On pourrait imaginer construire un détecteur similaire à un capteur photo, ou chaque pixel est constitué d’un photomultiplicateur, mais la taille finale du système ainsi construit serait plus grand qu’un être humain !

Transformer un photon en avalanche d’électrons : le défi des détecteurs © Emilie Josse

La miniaturisation : le secret pour des détecteurs toujours plus performants.

Depuis les années 1980, la miniaturisation a mené à la création des Micro-Channel Plates (MCP) : des plaques fines de quelques centimètres carrés percées de millions de micro-tubes métallisés, où chaque canal joue le rôle d’un photomultiplicateur miniature.

Leur extrême sensibilité, leur rapidité et leur précision en ont fait des composants essentiels dans des domaines très différents comme les dispositifs de vision nocturne, l’imagerie spatiale ou la détection de particules avec une très grande résolution.

Mais un obstacle demeure dans la course à la miniaturisation de ces dispositifs. En dessous d’une dizaine de microns¹, il devient très difficile d’assembler des nanotubes réguliers et surtout de les recouvrir uniformément de matériaux métalliques actifs pour amplifier les charges électriques produites. Les méthodes classiques fonctionnent correctement dans le cas de micro-tubes, mais ils s’avèrent inadéquates pour un dépôt à l’échelle nanométrique.

Plus petit, plus précis… les polymères passent à l’échelle nanométrique

C’est dans ce contexte qu’une discussion entre Anatoli Serghei, physicien au laboratoire Ingénierie des matériaux polymères²(IMP), et des membres de l’Institut de physique des deux infinis de Lyon³(IP2I), fait émerger une idée nouvelle : utiliser les avancées récentes dans la création de membranes d’aluminium percée de trous de taille nanométriques pour concevoir, non plus des Micro-Channel Plates (MCP), mais des Nano-Channel Plates (NCP), des capteurs dont la résolution pourrait atteindre 100 à 1000 fois celle des dispositifs MCP existants.

Comparaison du diamètre des tubes de détection dans un Micro-Channel Plate classique (MCP, à gauche) et un Nano-Channel Plate (NCP, à droite).
L’échelle, en haut à gauche de chaque image, montre que les tubes des NCP sont 100 fois plus fins que les MCP. © Anatoli SERGHEI

Reste à revêtir ces nano-canaux de matériaux capables d’émettre des électrons lorsqu’ils sont frappés par une particule, condition indispensable pour déclencher l’avalanche électronique. La solution viendra des matériaux développés au sein du laboratoire où travaille aujourd’hui Anatoli Serghei : les polymères.

Des chaînes de perles moléculaires

« Un polymère est une chaîne de molécules appelées monomères liées entre elles et répétées un grand nombre de fois pour former une macromolécule, comme un collier de perles » nous dit Anatoli Serghei. Il en existe de nombreux exemples, omniprésents dans la vie courante, du polyéthylène à partir duquel sont fabriquées les bouteilles en plastique à l’ADN de nos cellules. Longtemps considérés comme isolants, certains se sont finalement révélés conducteurs. Cette découverte a été récompensée par le Prix Nobel de Chimie en 2000 (Heeger, MacDiarmid & Shirakawa).

Contrairement aux métaux, très difficiles à déposer de manière homogène en phase gazeuse dans des cavités nanométriques, les polymères, eux, peuvent former des films de quelques nanomètres, même dans des réseaux de nanotubes, simplement en plongeant la membrane dans une solution de polymères dont on contrôle précisément la concentration.

Image par microscopie électronique des dépôts de polymères déposés sur l’intérieur de la face des nanotubes.
Après dépôt, la matrice d’aluminium sur laquelle les polymères ont été appliqués a été abrasée. Ce sont donc juste les dépôts de polymères (en forme de tube) que l’on voit ici. © Anatoli Serghei

Pour les NCP étudiés, deux matériaux se sont imposés : le P3HT, connu pour son aptitude à transporter des charges, et le polystyrène, excellent pour l’émission d’électrons et la résistance aux hautes tensions. Mélangés ou déposés en couches successives, ils permettent ainsi de mettre au point des nano-canaux capables à la fois de conduire et d’émettre des électrons, mais aussi de résister à des tensions de 2 000 volts dans le vide.

Les premiers prototypes de Nano-Channel Plates testés récemment montrent des résultats très prometteurs. En combinant nanoscience, physico-chimie des polymères et technologies de détection, Anatoli Serghei et ses collègues ouvrent la voie à une nouvelle génération de détecteurs de particules plus précis, plus légers, plus faciles à fabriquer et fondés non plus sur des métaux, mais sur des polymères conçus pour fonctionner à l’échelle nanométrique.

Article rédigé par Pierre Henriquet, médiateur scientifique – Janvier 2026

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1 Un micro correspond à un millionième de mètre

2 Unité CNRS / INSA de LYON / Université Claude Bernard Lyon 1 / Université Jean Monnet

3 Unité CNRS / Université Claude Bernard Lyon 1

Ces recherches ont été financées en tout ou partie, par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet ANR-POLYNANOPAD-AAPG2020. Cette communication est réalisée et financée dans le cadre de l’appel à projet Sciences Avec et Pour la Société – Culture Scientifique Technique et Industrielle pour les projets JCJC et PRC des appels à projets génériques 2020 (SAPS-CSTI-JCJ et PRC AAPG 20).

Vous vous êtes déjà demandé comment on peut détecter le sang et les autres fluides corporels sur une scène de crime? Ou comment fonctionne la lumière bleue et le luminol qu’on voit dans les séries télévisées ?

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Du Neuf Docteur ? vous parle du Prix Nobel de Physique 2025 qui a été remis aux Dr John Clarke, Dr Michel Devoret et Dr John Martinis pour leur travail sur les lois étranges du monde quantique qui s’appliquent à des objets que l’on tient dans la main. 

Ces chercheurs ont découvert que l’effet du tunnel quantique s’applique même dans des systèmes visibles à l’oeil nu. Cette découverte ouvre la voie vers de nouvelles technologies révolutionnaires, et Du Neuf Docteur vous explique tout ça dans cette vidéo!

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Le Prix Nobel de physique 2024 a été remis au Dr. John J. Hopfiels, professeur à l’université de Princeton (États-Unis) et au Dr. Geoffrey Hinton, professeur à l’université de Toronto (Canada), pour leurs découvertes sur les réseaux de neurones et l’apprentissage, aujourd’hui à la basse de l’intelligence artificielle.

Du neuf Docteur ? vous explique ce que sont ces neurones, et comment ils fonctionnent. Vous apprendrez aussi comment les intelligences artificielles sont entraînées !

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Du neuf docteur ?

Plongez au cœur des cellules et découvrez comment la rencontre entre la biologie et la physique a permis de percer les secrets de l’organisation des deux mètres d’ADN que renferme chacune de nos cellules, compactés dans un espace minuscule, aussi petit que le dixième de l’épaisseur d’un cheveu.

Cette conférence immersive des Échappées inattendues du CNRS a été enregistrée le 2 décembre 2022 dans le cadre de l’Alterfutura porté par l’AADN, en partenariat avec le planétarium de Vaulx-en-Velin et RSA Cosmos. L’univers visuel a été réalisé par l’artiste Alex Bourgeois. Ces recherches et cette rencontre ont été financées en tout ou partie par l’Agence nationale de la recherche (ANR).

Intervenant :

• Daniel Jost, biophysicien CNRS au Laboratoire de biologie et modélisation de la cellule (LMBC, CNRS / ENS de Lyon)

Découvrez, à l’aide d’exemples concrets présentés par trois scientifiques, comment la mise au point de nouvelles approches technologiques en recherche fondamentale pourrait contribuer de manière significative aux avancées médicales futures dans le domaine de la cancérologie.

Les 15, 16 et 17 novembre 2024, Les Échappées inattendues du CNRS ont investi le Collège Truffaut, lieu de vie créatif dédié à la bande dessinée en plein cœur des Pentes de la Croix-Rousse à Lyon. À ceux qui affirment ne pas raffoler de science, le CNRS a relevé le défi avec ce festival scientifique teinté de BD en proposant l’exploration, la découverte, l’émerveillement, la rencontre et le partage ! Cette micro-conférence a été enregistrée le 17 novembre 2024.

Intervenants :

• 00:00 Quand la physique s’en mêle par Benjamin Audit, est chercheur CNRS en physique au Laboratoire de physique de l’ENS de Lyon (LPENSL, CNRS | ENS de Lyon)
• 11:24 Traiter les cancers par signaux électriques par Théo Le Barre, est doctorant en ingénierie pour la santé au Laboratoire Ampère (Ampère, CNRS | École Centrale de Lyon | INSA Lyon | Université Claude Bernard Lyon 1) et au Laboratoire de génie électrique et ferroélectricité (LGE, INSA Lyon)
• 19:46 Et la lumière soigne ! par Cyrille Monnereau, est enseignant-chercheur en chimie à l’École Normale Supérieure de Lyon et rattaché au Laboratoire de chimie de l’ENS de Lyon (LCH, CNRS | ENS de Lyon)