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).

Ressource #4 du dossier Pop’Sciences – CNRS : « ANNÉE DE L’INGENIERIE – Quand l’ingénierie façonne la recherche scientifique » ARTICLE 

Méthode permettant d’accélérer une réaction chimique grâce à l’absorption de la lumière, la photocatalyse peut trouver des applications dans bien des domaines. Depuis plus d’une décennie, des chimistes lyonnais s’efforcent d’améliorer les performances de ce procédé catalytique dans le but de faire émerger de nouvelles applications dans le traitement des eaux usées et la production d’hydrogène vert.

Grain d’oxyde de titane. Photographie prise au microscope électronique à balayage. © Didier COT / CNRS Images

Composants clés de l’industrie électronique, les semi-conducteurs sont devenus indispensables au fonctionnement de nos ordinateurs et de nos smartphones. Le développement de nombreuses autres technologies comme le solaire photovoltaïque dépendent également de l’utilisation de ces matériaux présentant une conductivité électrique intermédiaire située entre les matériaux isolants et les métaux. Si le silicium reste de loin le semi-conducteur le plus répandu, il existe bien d’autres matériaux disposant d’aptitudes similaires. C’est par exemple le cas de l’oxyde de titane (TiO₂), un semi-conducteur privilégié pour effectuer les réactions de photocatalyse. Au sein de l’Institut de recherche sur la catalyse et l’environnement (Ircelyon)¹ le chimiste CNRS Gilles Berhault étudie depuis plusieurs années la possibilité d’activer le TiO₂  à partir d’une source lumineuse. Ainsi irradié, le semi-conducteur produit des espèces chimiques actives, pouvant notamment servir à éliminer les polluants contenus dans les eaux usées provenant d’un hôpital. Outre ce domaine de recherche lié à la dépollution de notre environnement, initialement exploré par les scientifiques du laboratoire, des travaux débutés plus récemment visent à étudier la possibilité de produire également de l’hydrogène en faisant interagir ce même semi-conducteur à base de TiO₂ avec la lumière.

De nouvelles espèces chimiques très actives

Bien que ces deux perspectives d’application puissent sembler très éloignées l’une de l’autre, elles reposent pourtant sur le même principe. « L’irradiation d’un semi-conducteur par une source lumineuse provoque l’éjection d’un électron de sa bande de valence vers sa bande de conduction² , explique le scientifique. Cela donne lieu à la formation d’une lacune appelée trou se comportant comme une charge positive dans la bande de valence de l’atome ayant perdu l’électron tandis que cette particule chargée négativement rejoint la bande de conduction. » C’est finalement par la création de ces deux nouvelles espèces chimiques très actives, que les scientifiques nomment « paires électron-trou », que des réactions susceptibles de dégrader des polluants ou de produire de d’hydrogène peuvent émerger. Ces paires électron-trou nouvellement créées ont toutefois tendance à se recombiner continuellement les unes avec les autres. Or ces phénomènes de recombinaison réduisent de manière drastique l’activité du semi-conducteur. Afin de renforcer la stabilité des paires électron-trou, l’équipe de Gilles Berhault a donc testé la possibilité d’adjoindre au semi-conducteur TiO₂ un composant ferroélectrique.

Stimuler la photocatalyse en combinant les matériaux

Cette classe de matériaux a en effet tendance à se polariser spontanément, ce qui se traduit par une séparation permanente des charges électriques positives et négatives au niveau de la structure macroscopique du matériau. Les électrons produits dans un semi-conducteur combiné à un ferroélectrique vont alors avoir tendance à se diriger vers la partie de ce matériau chargée positivement. Dans le même temps, les lacunes, qui sont chargées positivement, vont être attirées vers sa partie chargée négativement. « Parce qu’il contribue à éloigner l’électron du trou qu’il a laissé dans la bande de valence, l’ajout d’un élément ferroélectrique permet de limiter le processus de recombinaison. Les paires électron-trou étant alors davantage disponibles pour participer à la réaction de photocatalyse, l’efficacité de cette dernière est censée augmenter de façon significative », souligne Gilles Berhault.

Pour le vérifier, les chimistes lyonnais ont eu recours à du titanate de baryum (BaTiO₃). Ce matériau cristallin à la structure cubique présente deux phases distinctes : une où il est ferroélectrique et une autre où il ne l’est pas. Le fait que le BaTiO₃ existe sous ces deux formes permet ainsi de mesurer le bénéfice du caractère ferroélectrique lors d’une réaction de photocatalyse. Après avoir déposé du TIO₂ sur des échantillons de BaTiO₃ appartenant à chacune des deux catégories, l’équipe a exposé ces matériaux hybrides à un rayonnement ultraviolet.

Photocatalyse: produire de l’hydrogène vert grâce à la lumière © Emilie Josse

La photo-thermo-catalyse se profile à l’horizon

Un premier protocole expérimental destiné à mesurer l’apport de la ferroélectricité dans la dégradation de polluants, s’est déroulé en présence d’acide formique³. Une analyse menée en parallèle a également permis d’estimer la production d’hydrogène à partir de ces mêmes matériaux hybrides : « En ce qui concerne la dégradation des polluants, les systèmes combinant le semi-conducteur avec un ferroélectrique se sont avérés jusqu’à 2,5 fois plus actifs que les systèmes non-ferroélectriques. Pour le volet production d’hydrogène, ces mêmes systèmes ferroélectriques ont démontré une activité jusqu’à vingt fois supérieure aux systèmes qui ne disposaient pas de cette propriété », détaille Gilles Berhault. De premières études visant à estimer le niveau de rendement d’un tel procédé employé à des fins de production d’hydrogène laissent entrevoir une multiplication par cinq à dix par rapport aux méthodes actuellement utilisées en photocatalyse.

Réacteur photocatalytique fonctionnant sous température (120°C) et pression (5 bars) pour la production d’hydrogène – Le réacteur est illuminé par le bas à partir d’une lampe LED Philips PL-L 18W UVA © Gilles Berhault

Dans le but d’augmenter encore ce gain de productivité, une nouvelle approche scientifique est d’ores et déjà envisagée par les chimistes de l’Ircelyon. Celle-ci consiste à combiner un ferroélectrique avec un TiO₂ et un MXène⁴. Disposant à la fois d’une bonne conductivité électrique et d’une bonne conductivité thermique, les MXènes sont à même d’augmenter le transfert de chaleur ajouté à un processus de photocatalyse et lui permettre ainsi de fonctionner encore plus efficacement. « La principale difficulté de ce nouvel axe de recherche qui vise à recourir à la photo-thermo-catalyse pour atteindre un niveau de production d’hydrogène encore plus élevé sera de parvenir à faire fonctionner en synergie les gains positifs associés à chacun de ces trois matériaux », précise Gilles Berhault.

Si les scientifiques parviennent à relever ce défi, l’utilisation de ce procédé pour produire de l’hydrogène vert pourrait notamment être envisagée à partir des déchets végétaux générés par une exploitation agricole dans la perspective d’assurer son autonomie  .

Article rédigé par Grégory Fléchet, journaliste scientifique – janvier 2026

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¹ Unité CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1

² La bande de valence correspond à la bande d’énergie où se situent les électrons contribuant à la cohésion entre atomes voisins au sein d’un même matériau solide. Dans un semi-conducteur, la bande de valence est relativement proche d’une autre bande d’énergie appelée bande de conduction dans laquelle certains électrons peuvent migrer lorsque le matériau est soumis à un apport d’énergie par chauffage, application d’un champ électromagnétique ou irradiation lumineuse.

³ Ce composé organique est une molécule modèle employée pour déterminer la capacité d’un photocatalyseur à éliminer des polluants présents en milieu aqueux. La dégradation de l’acide formique correspond en effet à l’étape ultime de minéralisation (dégradation complète) d’une vaste famille de polluants présentant des caractéristiques similaires à l’acide formique.

⁴ Composés bidimensionnels en forme de feuillets découverts en 2011, les MXènes disposent d’un large éventail de propriétés en raison de la grande variété d’atomes susceptibles de les constituer.

Ces recherches ont été financées en tout ou partie, par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet ANR-APRICOT-AAPG2022. 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 2022 (SAPS-CSTI-JCJ et PRC AAPG 22).

Ressource #5 du dossier Pop’Sciences – CNRS : « ANNÉE DE L’INGENIERIE – Quand l’ingénierie façonne la recherche scientifique » ARTICLE 

Comprendre comment les constituants les plus élémentaires de la matière sont liés entre eux à pour tenter de percer leurs secrets. Tel est l’objectif que s’est fixé Matthieu Bugnet à partir d’outils dédiés à l’étude des matériaux. En combinant la microscopie électronique en transmission avec une méthode de spectroscopie avant-gardiste, le scientifique cherche à révéler la structure de matériaux à l’interface des atomes qui les constituent.

Visualisation stylisée d’une simulation atomique d’un alliage à haute entropie, c’est-à-dire composé de plusieurs éléments en proportions égales, ici du fer, du chrome, du nickel et du manganèse. © Alex BOURGEOIS, Céline VARVENNE, Pierre-Antoine GESLIN | CNRS Images

Conductivité électrique ou thermique, élasticité ou rigidité, résistance à la rupture ou à la corrosion, transparence ou opacité sont autant de propriétés dont peuvent disposer les matériaux que nous employons au quotidien. Bien que toutes ces caractéristiques s’appliquent à des structures ou des objets de dimension macroscopique, elles trouvent leur origine dans l’agencement de la matière à l’échelle de ses atomes voire même en-deçà. Parvenir à mettre en évidence cette organisation constitue toutefois un véritable défi technique que Matthieu Bugnet, chargé de recherche CNRS et spécialiste de microscopie électronique en transmission, s’efforce de relever à travers les investigations qu’il mène au sein du laboratoire Matériaux ingénierie et science (MatéIS)¹. « Nos recherches visent en quelque sorte à sonder ces constituants élémentaires de la matière que sont les atomes dans le but de comprendre leur organisation ainsi que celle des électrons présents autour du noyau des atomes et qui assurent la cohésion de ces derniers », explique-t-il. Pour déterminer de quelle manière les atomes interagissent les uns avec les autres, le scientifique étudie les liaisons chimiques entre atomes de divers matériaux cristallins² à l’aide d’un microscope électronique en transmission (MET).

Microscope électronique en transmission environnemental (ETEM), cet instrument permet d’analyser la structure et la composition de matériaux à l’échelle atomique, et leur évolution in situ sous différentes contraintes inhérentes à leur fonction : gaz, température, sollicitation mécanique… © Cyril FRESILLON / MATEIS / IRCELYON / CLYM / METSA / CNRS Images

Viser des niveaux de résolution extrêmes

En dépit d’un pouvoir de résolution supérieur à 0,1 nanomètre³, le MET qu’emploie Matthieu Bugnet n’est pas en mesure d’« imager » directement les liaisons entre les atomes. Pour cela, le scientifique associe depuis peu à cet outil d’observation un détecteur très performant optimisé pour la spectroscopie de pertes d’énergie des électrons (EELS pour Electron Energy-Loss Spectroscopy). Cette technique repose sur l’analyse des spectres générés par les pertes d’énergie que subissent les électrons lorsque ceux-ci traversent un matériau ou sont réfléchis à sa surface. « Appliquée à un échantillon de matière d’une ou deux dizaines de nanomètres d’épaisseur placé dans le microscope électronique, l’EELS offre la possibilité d’accéder à des niveaux de résolution énergétique et spatiale extrêmes qui peuvent nous permettre de comprendre ce qui se joue entre les atomes qui constituent cet échantillon », souligne le microscopiste. Pour éprouver les performances de ce dispositif d’analyse innovant, et s’assurer en premier lieu de sa capacité à révéler les caractéristiques des orbitales atomiques, c’est-à-dire la manière dont les électrons sont distribués autour de chaque atome, l’équipe de Matthieu Bugnet a eu recours à différents matériaux modèles. Ceux-ci présentent la particularité d’être très homogènes dans leur structure et leur composition chimique. Leurs propriétés et leurs caractéristiques spectrales en spectroscopie EELS sont en outre bien connues des spécialistes de la chimie des matériaux.

Faire le lien entre défauts et propriétés

Après avoir effectué des premiers tests pour le moins concluants sur un matériau cristallin connu, le dioxyde de titane (TiO₂), les scientifiques se sont ensuite focalisés sur des feuillets bidimensionnels de graphène. Ce cristal synthétique est constitué d’atomes de carbone disposés dans un même plan selon un motif hexagonal. En combinant les données expérimentales recueillies dans le MET à l’aide de l’EELS avec des outils de simulation adaptés à la modélisation de signaux de très faible intensité affectés par la nature même de l’expérience, ils sont ainsi parvenus à cartographier la signature d’orbitales atomiques du graphène.

À l’avenir, l’équipe envisage d’employer cette même méthode pour sonder les liaisons chimiques au niveau de défauts localisés dans les matériaux cristallins. Objectif de ces investigations : établir un lien entre les liaisons chimiques d’un matériau au voisinage de ses défauts et ses propriétés les plus intéressantes pour faciliter l’ingénierie des défauts. En parallèle de ces futurs travaux, des études seront effectuées aux interfaces du graphène et du carbure de silicium (SiC). « Un matériau hybride tel que celui-ci présente des configurations idéales pour nous permettre de maximiser nos chances de révéler le lien entre structuration des orbitales atomiques et des propriétés s’exprimant à l’échelle macroscopique », explique le microscopiste.

La manipulation des atomes en ligne de mire

Qu’elles soient de nature physique, mécanique ou électronique, les propriétés des matériaux sont très souvent conditionnées par les défauts s’exprimant à des échelles très fines. Le fait de remplacer certains atomes constitutifs d’un matériau par d’autres éléments chimiques, ou d’arranger localement ces atomes de manière différente, pourrait alors suffire à lui octroyer de nouvelles caractéristiques. Si les travaux de Matthieu Bugnet n’ont pas encore permis, pour l’heure, de mieux définir l’intérêt de manipuler la matière à une échelle aussi fine. Ils attestent en revanche de la capacité de la microscopie électronique à visualiser l’effet des liaisons chimiques au niveau des défauts et des interfaces d’une grande variété de matériaux solides, dès lors que cette technique d’observation est associée à l’EELS. « Bien que nos premiers résultats restent très fondamentaux, ils laissent entrevoir la possibilité et surtout l’intérêt de façonner la matière à l’échelle de ses atomes, et ce de manière contrôlée, dans le but de faire advenir de nouvelles propriétés macroscopiques. »

D’ici une dizaine d’années, des domaines d’activité tels que la microélectronique, la catalyse, le stockage de données informatiques ou celui d’énergie pourraient bénéficier de cette conception à la carte des matériaux. En cherchant à améliorer l’analyse de la structure de la matière à l’échelle de leurs atomes, ces travaux devraient contribuer à relever l’un des grands défis de l’ingénierie consistant à développer de nouveaux matériaux dotés de propriétés inédites.

Article rédigé par Grégory Fléchet, journaliste scientifique – Janvier 2026

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¹ Unité CNRS/INSA Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1

² Solides dont les atomes, ions ou molécules sont disposés dans une structure ordonnée et répétitive, formant un motif tridimensionnel, bidimensionnel ou monodimensionnel régulier.

³ Un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre (10^-9 m), ce qui correspond peu ou prou au diamètre d’un atome d’hélium (He).

Ces recherches ont été financées en tout ou partie, par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet ANR-ORBITEM-AAPG2022. 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 2022 (SAPS-CSTI-JCJ et PRC AAPG 22).

Ressource #7 du dossier Pop’Sciences – CNRS : « ANNÉE DE L’INGENIERIE – Quand l’ingénierie façonne la recherche scientifique » INTERVIEW

Professeure de chimie à l’INSA Lyon et directrice du laboratoire Ingénierie des matériaux polymères (IMP)¹, Jannick Duchet-Rumeau s’efforce de concevoir des polymères plus respectueux de l’environnement en modifiant la structuration de ces matériaux à l’échelle nanométrique. La scientifique explore en outre de nouvelles pistes visant à contrôler leurs performances mécaniques ou à améliorer leur durabilité et leur dégradabilité, une fois ces matériaux devenus obsolètes.

© Nareeta Martin sur Unsplash

Pour commencer, pouvez-vous rappeler en quelques chiffres ce que représente la filière des polymères plastiques?

Jannick Duchet-Rumeau : À l’échelle de la planète, la production annuelle de polymères plastiques qui avoisine aujourd’hui les 400 millions de tonnes a quasiment doublé en l’espace de vingt ans. On estime par ailleurs que 8 à 10% de la production pétrolière mondiale est dédiée à la fabrication de ces matériaux dont l’écrasante majorité reste élaborée à partir de cette ressource fossile.

En France, le marché des polymères est largement dominé par les thermoplastiques (polyéthylène, polystyrène, polychlorure de vinyl (PVC), polyéthylène téréphtalate (PET), …) qui représentent 90% des matériaux élaborés chaque année. Près de la moitié de la totalité des plastiques produits dans l’Hexagone sont destinés à la fabrication de nos emballages. Viennent ensuite le secteur de la construction (19 %) et celui de l’industrie automobile (9 %). Il existe en outre tout un ensemble de polymères dits « de spécialité » fabriqués en plus petite quantité. C’est par exemple le cas des plastiques thermostables utilisés dans des domaines nécessitant des matériaux capables de résister à de fortes variations de températures comme dans le domaine de l’aérospatial.

La production massive d’une grande diversité de matériaux polymères et leur omniprésence dans notre vie quotidienne n’est pas sans poser certains inconvénients. Quels sont-ils ?

J D-R : Le principal inconvénient découlant de l’usage massif de polymères plastiques demeure, selon moi, leur faible taux de recyclage. À l’heure actuelle seuls 15% de la totalité des polymères plastiques produits dans le monde sont réellement recyclés, 25% sont incinérés et 60% finissent dans des décharges². La grande variété des polymères mise sur le marché constitue un obstacle important à la généralisation du recyclage. La moitié des emballages plastiques sont par exemple non recyclables ou très difficiles à recycler car ils sont constitués d’une superposition de fines couches de matériaux de natures différentes.

Si certaines catégories de polymères telles que les thermoplastiques présentent malgré tout un taux de recyclage relativement satisfaisant, à l’image des bouteilles en plastique à base de PET dont le taux de recyclage avoisine les 60%, d’autres, comme les thermodurcissables, se révèlent en revanche très difficiles voire impossibles à recycler. Une fois mis en forme, ces polymères parmi lesquels on trouve la résine époxy, les polyuréthanes ou les polyesters insaturés présentent la particularité de ne plus pouvoir être fondus ou dissous, ce qui limite considérablement leur recyclage à partir des procédés industriels actuellement disponibles.

Quelles sont les pistes pouvant contribuer à limiter la pollution plastique ou à faciliter le recyclage des polymères usagés explorées par le laboratoire Ingénierie des matériaux polymères ?

J D-R : Lorsqu’on fabrique un matériau, il convient en premier lieu de le rendre le plus durable possible. Augmenter sa durée de vie, c’est repousser le moment où celui-ci va devenir un simple rebut. Au cours de son utilisation, il convient également de favoriser son auto-réparation. Plutôt que de jeter l’élément d’un matériau composite devenu défectueux, il est tout à fait possible de le réparer par traitement thermique. Cela passe par le développement d’une chimie combinatoire dynamique³. Cette approche novatrice que nous explorons au sein du laboratoire autorise l’élaboration de polymères à partir de petits blocs moléculaires reliés entre eux par des liaisons chimiques réversibles. De telles liaisons permettent d’envisager la « cicatrisation » du matériau lorsque celui-ci est abîmé ou dégradé.

Une autre voie possible consiste à repenser la synthèse des polymères dans la perspective de les rendre plus faciles à recycler. Cela passe par exemple par l’intégration de liaisons esters⁴ dans la structure du matériau. Ces liaisons ont la particularité de pouvoir être hydrolysées c’est-à-dire qu’elles peuvent être rompues en utilisant de simples molécules d’eau, ce qui simplifie grandement la dégradation du matériau sous forme de briques moléculaires qui pourront ensuite être réutilisées pour façonner un nouveau polymère.

D’autres travaux menés par votre laboratoire visent également à repenser la conception du polychlorure de vinyl (PVC). En quoi consiste cet axe de recherche ? 

J D-R : Parce qu’il s’est révélé peu cher à fabriquer tout en étant doté de très bonnes propriétés mécaniques, ce polymère a été produit en grande quantité dès la fin des années 1950. Dans sa forme rigide, il est notamment employé dans la fabrication des tuyaux de canalisation qui représentent plus de 40 % de la consommation de PVC. En dépit de ses nombreux atouts, ce matériau présente l’inconvénient de contenir divers additifs qui sont aujourd’hui reconnus comme néfastes pour la santé. Parmi eux on trouve par exemple les plastifiants à base de phtalates classés comme « substances toxiques pour la reproduction » et des stabilisants à base de plomb. Dans ce cas précis, nos recherches visent en premier lieu à améliorer la décontamination de ce matériau une fois celui-ci devenu obsolète.

En parallèle nous travaillons également à la conception d’une nouvelle génération de PVC exempte de toute forme de toxicité. Il s’agit pour cela d’introduire des plastifiants issus de bioressources et des additifs dépourvus de métaux lourds. D’ici une cinquantaine d’années, lorsque ces PVC de seconde génération seront arrivés en fin de vie, leur recyclage devrait être grandement facilité par l’absence de substances toxiques.

Macroplastiques prélevés sur les plages de la côte est de la Guadeloupe. © Cyril FRESILLON / PEPSEA / CNRS Images

Plus généralement, comment faire en sorte de revoir la conception des polymères plastiques pour améliorer à la fois leur recyclabilité et s’assurer de leur innocuité ?

J D-R : Pour tenter de s’affranchir des problèmes de toxicité que posent les matériaux conçus il y a plus de cinquante ans, il convient d’intégrer la fin de vie du polymère dès sa conception. Cette analyse de cycle de vie peut nous aider à savoir quelles molécules privilégier dans l’élaboration de notre matériau et à l’inverse celles qu’il est préférable de bannir pour limiter les effets nocifs futurs.

Prenons cette fois-ci le cas des emballages plastiques alimentaires qui se composent d’un empilement de polymères dont chacun à une fonction précise : être imprimable, être anti-adhérent, disposer de propriétés barrières permettant de conserver le goût de l’aliment, octroyer une protection contre les contaminations extérieures, etc. Comme je l’ai déjà dit, cette superposition de couches de matériaux complique grandement le recyclage des emballages. Pour contourner ce problème, nous réfléchissons à la possibilité de concevoir un unique matériau réunissant toutes les fonctions de l’emballage alimentaire. Il s’agit pour cela de jouer sur ses propriétés physiques en ayant recours à la cristallisation du matériau polymère ou en modifiant sa topographie de surface, ce qui a pour effet de doter le matériau en question de nouvelles fonctions. En appliquant ces préceptes, nous sommes déjà parvenus à rendre un emballage plastique oléophobe, c’est-à-dire capable de repousser les substances huileuses. Son futur recyclage s’en trouve ainsi facilité étant donné qu’il ne peut plus être souillé par les aliments qu’il a pu contenir.

Vous co-dirigez depuis septembre 2025 le PEPR Recyclage, recyclabilité et réutilisation des matières. Quels sont les objectifs de ce programme de recherche ?

J S-R : En tant que programme académique financé par le programme France 2030, ce PEPR a pour ambition de développer une recherche amont, à même de faire émerger des solutions innovantes dans le domaine du recyclage d’une grande diversité de matériaux. Son approche qui se veut à la fois systémique et globale est centrée sur cinq grandes familles de matériaux : plastiques, matériaux composites, textiles, métaux dits « stratégiques »⁵, papiers et cartons. Le PEPR se focalise en outre sur quatre filières industrielles : les déchets ménagers, les batteries, les déchets issus d’équipements électriques et électroniques et les nouvelles technologies pour l’énergie (photovoltaïque, éolien, production d’hydrogène). À terme, les projets scientifiques menés dans le cadre de ce programme devraient conduire à la création de nouvelles filières de recyclage pour un large éventail de matériaux. Ce PEPR comporte également deux axes de recherche transverses dans le domaine du numérique et en sciences humaines et sociales. Car une fois les meilleures stratégies de recyclage identifiées pour chaque grande famille de matériaux et pour chaque filière, il s’agira ensuite de convaincre les décideurs politiques et la société civile de les mettre en œuvre pour le bien commun.

Propos recueillis par Grégory Fléchet, journaliste scientifique – Janvier 2026

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¹ Unité CNRS / INSA Lyon / Université Claude Bernard / Université Jean Monnet

² Ces données sont consultables sur le portail GéoLittoral.

³ Nouveau concept consistant à créer des bibliothèques de molécules à partir de composés liés entre eux par des connexions réversibles.

⁴ Liaison entre un groupe alcool (-OH) et un groupe acide carboxylique (-COOH), formée par élimination d’une molécule d’eau (H2O).

⁵ Ce qualificatif s’applique à une cinquantaine de métaux (lithium, cobalt, gallium, tungstène, etc.) jugés indispensables à la politique économique, énergétique ou environnementale d’un État ou d’une entreprise.

La Maison des mathématiques et de l’informatique de Lyon, Animath et l’IREM de Lyon en collaboration de l’ENS de Lyon et l’Institut Camille Jordan vous propose une nouvelle activité.

Tu aimes les mathématiques et les défis qu’elles posent ? Tu jubiles à résoudre des problèmes ? Tu cherches des énoncés, méthodes et solutions et tu souhaites aller plus loin dans cette voie ? Tu dois sûrement te demander : «Mais pourquoi n’y a-t-il pas des clubs, des conservatoires ou des classes de maths comme il y a des classes musicales ou sportives».

Rejoins-nous ! Rejoins le Club de Mathématiques Discrètes de Lyon. Tu peux commencer à tout moment, même en cours d’année. Notre club s’adresse surtout aux collégiens (à partir de la cinquième) et lycéens de l’Auvergne-Rhône-Alpes, mais tous les jeunes matheux sont les bienvenus. Il s’agit de pratiquer les mathématiques comme un loisir.

Trois niveaux sont en général proposer, permettant à toutes et à tous de commencer facilement, même en cours d’année :

• Groupe débutant pour des collégiens | cinquième – troisième
• Groupe intermédiaire
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Club de mathématiques

En son temps, Isaac Newton confiait « si j’ai pu voir plus loin, c’est que je me tenais sur les épaules de géants ». L’intellectuel britannique s’inscrit dans une immense lignée de physiciennes et de physiciens qui n’ont eu de cesse de bouleverser notre compréhension des phénomènes naturels. L’Année de la physique est l’occasion de revenir sur cette épopée scientifique et de découvrir certains des travaux les plus récents et innovants. 

© Emilie Josse

Poussée par sa curiosité et son désir de compréhension des phénomènes naturels, l’humanité s’est toujours efforcée de décrire et percer les mystères de l’Univers qui l’entoure. C’est ainsi qu’est née la physique, une discipline qui explore les lois fondamentales régissant la matière, l’énergie et les forces qui animent notre monde. L’histoire de la physique se lit comme un récit fascinant fait de découvertes, de théories révolutionnaires et de progrès scientifiques qui ont transformé notre perception du monde, et qui continuent à le faire. 

L’Année de la physique, qui prend forme tout au long de l’année scolaire 2023-2024, est l’occasion de mettre en lumière cette histoire, ainsi que les grandes avancées et les enjeux contemporains de la recherche en physique. Cet évènement est une occasion sans pareille pour découvrir ou redécouvrir l’intérêt de la discipline et l’étonnante diversité des sujets qu’elle explore. 

Une aventure scientifique multimillénaire 

La physique prend racine dès la Préhistoire, spécifiquement au cours du Néolithique entre 9 000 et 2 500 ans avant l’ère commune (AEC). Désireux de comprendre les phénomènes physiques de leur monde, les humains d’alors ont notamment scruté les astres, décrit leurs mouvements et créé les premiers instruments de mesure du temps. En mettant en œuvre l’élément constitutif de toute démarche scientifique – l’observation – ils ont pu suivre les saisons, rythmer les périodes agricoles et commencer à se sédentariser.  

Par la suite, les savants de l’Antiquité grecque ont magnifié cette « science des phénomènes naturels et de leurs évolutions ». Ainsi, Thalès de Milet (625 – 545 AEC), bien qu’il soit plus connu pour son théorème mathématique sur les triangles semblables, fut l’un des premiers penseurs à introduire la pensée rationnelle pour expliquer les causes des phénomènes naturels. On lui doit notamment le concept « l’eau est la cause matérielle de toute chose », qui démontre un détachement des explications mythologiques encore très prégnantes à l‘époque. Plus tard, Aristote (384 – 322 AEC) émit les premières théories du mouvement dans son traité La physique. Ses intuitions et ses méthodes ont jeté les bases de la pensée scientifique sur les phénomènes naturels et inspiré des dizaines de générations de scientifiques jusqu’à la Renaissance et l’émergence de la physique moderne. 

Une révolution peut en cacher une autre 

L’histoire de la physique est jalonnée de révolutions intellectuelles. Une des principales s’est déroulée entre le 16^e et le 17^e siècle avec les travaux des premiers grands noms de la physique moderne parmi lesquels Johannes Kepler, Nicolas Copernic, Galilée, ou Isaac Newton. À ces esprits visionnaires nous devons, en outre, de nouveaux paradigmes en mécanique céleste et en instrumentation astronomique (la lunette galiléenne), ainsi que la loi fondamentale de la gravitation universelle (la pomme qui chute sur la tête de Newton) et celles du mouvement. Leurs contributions ont permis des avancées spectaculaires dans les domaines de l’astronomie, de la mécanique et de l’optique. Dans le même temps, l’ère de la science moderne prenait forme dans le sillage des écrits de René Descartes sur la méthode (induction, déduction), tandis que Blaise Pascal esquissait les premières notions de pression atmosphérique (au sommet du Puy-de-Dôme).  

Sur les épaules de ces géants, des générations de scientifiques se sont succédées pour observer, décrire et modéliser une infinité de phénomènes physiques optiques, mécaniques, électriques, thermodynamiques, acoustique, jusqu’à l’essor de la physique moléculaire, puis celle de la radioactivité entre le 19^e et le 20^e siècle. Au tournant des grands conflits mondiaux, d’autres percées scientifiques ont à nouveau révolutionné notre perception de l’Univers et de la réalité. Les théories de la relativité générale d’Albert Einstein et de la mécanique quantique ont ainsi entraîné des bouleversements majeurs dans notre compréhension fondamentale de la matière, du cosmos et du temps, depuis l’infiniment petit jusqu’aux immensités des corps célestes. 

Eveiller la curiosité  

Aujourd’hui, la physique se révèle plus dynamique que jamais, portée par une communauté scientifique mondiale passionnée et engagée. Des tableaux des salles de classe jusqu’aux très grands instruments, elle participe à la résolution des grands défis de notre époque, qu’ils soient environnementaux, énergétiques, sanitaires ou technologiques. 

« Rien dans la vie n’est à craindre, tout doit être compris » proposait Marie Skłodowska-Curie, la première et seule physicienne doublement nobélisée ! Les femmes, aussi, ont marqué l’histoire de cette discipline. Lise Meitner (fission nucléaire), Maria Goeppert-Mayer (mécanique quantique, également nobélisée) ou encore Claudine Hermann (physique des solides), comptent parmi les nombreuses physiciennes qui perfectionnent notre compréhension du monde et encouragent les carrières scientifiques pour toutes et tous. C’est dans cet esprit que s’inscrit l’engagement de Pop’Sciences et de la délégation Rhône Auvergne du CNRS en cette Année de la Physique.  

Nous proposons une série de six articles reflétant la diversité et la richesse de la recherche en physique, menée à l’institut Lumière Matière (unité CNRS,  université Claude Bernard Lyon 1) et au Laboratoire de physique de l’ENS de Lyon (unité CNRS, ENS de Lyon). Ils offrent un aperçu des travaux en cours et des avancées les plus récentes en thermodynamique, en mécanique des fluides, en catalyse photochimique, ou encore sur l’étude de nouveaux états de la matière. À travers ce dossier, nous espérons inspirer les curieux de sciences, montrer la surprenante diversité des métiers de la physique et éveiller la curiosité des jeunes élèves. 

Article rédigé par Samuel Belaud, journaliste scientifique – mai 2024 

lles RESSOURCES du dossier

Dans ce dossier, nous vous invitons à découvrir un aperçu des travaux en cours et des avancés récentes de physiciennes et physiciens lyonnais. Pour chaque article, les liens avec les programmes scolaires sont proposés.

• #1 : La nanofluidique : une physique pour la filtration et l’énergie – Publié le 13 mai 2024

© Pauline Petit

De récents travaux de physiciens révèlent des phénomènes surprenants dans la dynamique des fluides à l’échelle nanométrique. Certains des mécanismes découverts pourraient être utiles à la filtration des liquides et à la production d’électricité propre et durable.

LIRE L’ARTICLE

• #2 : L’art de contrôler la chaleur à l’échelle nanométrique – Publié le 13 mai 2024

©courtesy of Elettra Sincrotrone Trieste

Dans le monde infiniment petit des nanomatériaux, la propagation de la chaleur suit sa propre logique. Des physiciens s’attèlent à comprendre et maîtriser cette drôle de dynamique thermique et ouvrent la voie à des avancées technologiques cruciales, notamment pour relever les défis de l’efficacité et de la transition énergétique. 

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• #3 : Les stupéfiantes propriétés des bactéries magnétotactiques – Publié le 13 mai 2024

© Rémy Fulcrand

Si les ballets aériens des nuées d’oiseaux vous fascinent, vous serez certainement captivés par les comportements collectifs d’autres organismes, bien plus petits, mais non moins surprenants : les bactéries magnétotactiques (BMT). Récemment découvertes, les physiciens s’intéressent de près à leurs propriétés, notamment leur capacité à se déplacer en suivant les lignes du champ magnétique terrestre. 

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• #4 : La nage bactérienne et la discrète révolution de la matière active – Publié le 13 mai 2024

© Raman Oza – Pixabay

Connues pour leur capacité de nage autonome et leurs intrigants comportements collectifs, les bactéries passionnent les physiciennes et physiciens. En décryptant leurs stratégies singulières de déplacement, une équipe de recherche ouvre des perspectives inédites pour l’utilisation de la matière et la conception de nouveaux matériaux. 

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• #5 : La photocatalyse promet d’accélérer la transition énergétique – Publié le 13 mai 2024

© Jean-Claude MOSCHETTI / ISCR / CNRS Images

Un projet de recherche allie chimie et physique pour exploiter les propriétés de la lumière et du molybdène, métal abondant et peu coûteux, afin de catalyser des réactions chimiques clés dans le cadre de la transition énergétique. 

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• #6 : Coup de froid sur le magnétisme : les glaces de spin – Publié le 21 novembre 2024

Générée par IA

L’étude à très petite échelle de certains matériaux ferromagnétiques montre que les atomes qui le composent se comportent comme de microscopiques aimants qui, à très basse température, s’agencent en une structure magnétique ordonnée et régulière. Dans certains de ces matériaux appelée « glace de spin », on ne trouve pas d’ordre ferromagnétique absolu, même aux plus basses températures. On parle alors de magnétisme frustré.
L’étude de ces matériaux permet de mieux comprendre les propriétés fondamentales de la matière, mais fait aussi émerger des phénomènes nouveaux qui laissent entrevoir de futures applications technologiques et industrielles.

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mmerci !

Ce dossier a été réalisé grâce à la collaboration de différents scientifiques de l’Université de Lyon. Nous les remercions pour le temps qu’ils nous ont accordé.

• Anne-Laure Biance, chercheuse CNRS à l’institut Lumière Matière (unité CNRS | Université Claude Bernard Lyon 1)
• Valentina Giordano, chercheuse CNRS à l’institut Lumière Matière (unité CNRS | Université Claude Bernard Lyon 1)
• Cécile Cottin-Bizonne, chercheuse CNRS à l’institut Lumière Matière (unité CNRS | Université Claude Bernard Lyon 1)
• Luke Macaleese, chercheur CNRS à l’institut Lumière Matière (unité CNRS | Université Claude Bernard Lyon 1)
• Thomas Gibaud, chercheur CNRS au Laboratoire de physique de l’ENS de Lyon (unité CNRS | ENS de Lyon)
• Peter Holdsworth, enseignant-chercheur au Laboratoire de physique de l’ENS de Lyon (unité CNRS | ENS de Lyon)

ppour aller plus loin :

Nous vous proposons une sélection de ressources accessibles en ligne pour vous et vos élèves.

• Espace ressources du site web de l’Année de la Physique 23-24
  Articles, podcasts, documentaires, ouvrages… Accédez à une multitude de contenus pour mieux comprendre notre monde au travers des recherches en physique.
• Chaîne YouTube de Julien Bobroff
  Physicien au Laboratoire de physique des solides (unité CNRS / Université Paris-Saclay) et professeur à l’Université Paris-Saclay, Julien Bobroff cherche à renouveler l’image de la physique auprès du plus grand nombre. Il anime une équipe de recherche, « La Physique Autrement », qui développe de nouvelles façons de vulgariser et d’enseigner les sciences.
• Chaîne YouTube Physique et chimie – Collège de France
  La chaîne Physique et chimie donne à voir tous les enseignements donnés par les professeurs du Collège de France spécialistes de ces domaines ainsi que les séminaires et les colloques, les archives et les vidéos les plus récentes.
• Chaîne YouTube Le Prof de Physique
  Chaîne YouTube d’un professeur de physique et de chimie qui propose des vidéos de cours de rattrapage à destination des élèves.

Ressource #1 du dossier Pop’Sciences – CNRS : « Physique : une recherche multimillénaire, sans cesse renouvelée »
ARTICLE 

De récents travaux de scientifiques révèlent des phénomènes surprenants dans la dynamique des fluides à l’échelle nanométrique. Certains des mécanismes découverts pourraient être utiles à la filtration des liquides et à la production d’électricité propre et durable.

Film de savon suspendu sur un cadre, d’épaisseur nanométrique. © Pauline Petit

Comment l’eau et les ions¹ se comportent-ils lorsqu’ils sont confinés à l’échelle de quelques molécules ? Cette question est loin d’être anecdotique, puisqu’y répondre ouvre la voie à la conception de membranes d’échelle nanométrique, qui pourraient accélérer l’innovation dans des domaines aussi variés que la désalinisation, la filtration, ou la production d’énergie propre.

Anne-Laure Biance est une physicienne passionnée par la mécanique des fluides. À la tête de l’équipe Liquides et Interfaces de l’institut Lumière Matière², elle explore avec ses collègues les propriétés étonnantes de films de liquide ultraminces. Il s’agit de couches de liquide de quelques nanomètres d’épaisseur qui recouvrent certaines surfaces solides, quand elles sont exposées à de la vapeur d’eau. À cette échelle, les interactions entre les molécules du liquide, du solide et de l’air, peuvent modifier la forme, la stabilité et le transport des ions dans le film de liquide, et ainsi créer des phénomènes intéressants pour la science et la technologie.

Des systèmes naturels qui s’auto-assemblent

Les scientifiques lyonnais ont récemment publié un article dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences, qui révèle de surprenants phénomènes de couplage entre les molécules d’eau, les ions et la surface solide sur laquelle le film se forme. « Nous avons étudié les interactions que les molécules d’eau en circulation et les ions présents dans le milieu, ont avec les parois du solide », détaille la chercheuse. Leur objectif : comprendre ces interactions dans le détail, pour ensuite proposer des principes généraux pour développer une nouvelle génération de membranes aux capacités filtrantes ou électriques encore inégalées.

Pour mener à bien leur projet, les scientifiques ont adopté l’approche originale de la « soft nanofluidique” pour leurs expériences. Il s’agit d’étudier les écoulements de fluides à l’échelle nanométrique « en utilisant des systèmes naturels qui s’auto-assemblent, comme c’est le cas pour les films de savon³, ou pour nos films de mouillage », précise Anne-Laure Biance (voir le schéma ci-après). Ces derniers se forment spontanément par l’attraction de l’eau sur un solide (le substrat) hydrophile, en l’occurrence de la silice. Les chercheurs sont parvenus à former des films homogènes et extrêmement fins, dont ils peuvent varier l’épaisseur en contrôlant l’humidité de l’environnement

Au-delà des lois classiques de la physique

Une fois les films de mouillage constitués et stabilisés, l’équipe de physiciens s’est attaquée à l’étude du transport des ions à l’intérieur de ceux-ci, c’est-à-dire leur capacité à laisser passer le courant électrique. Pour ce faire, ils ont déposé des électrodes sur les substrats pour mesurer le courant induit par le déplacement des ions. Or, « dans ce type de système, les interactions entre la membrane et la paroi du substrat sont parfois originales » observe Anne-Laure Biance. En effet, en dessous d’un nanomètre d’épaisseur, les réactions physico-chimiques diffèrent de celles prévues par les lois classiques de la physique des fluides.

Conductance des films de mouillage. © Emilie Josse

Les scientifiques ont exploré ces comportements troublants et sont désormais en mesure de décrire les trois facteurs qui influencent la conductance des films de mouillage, c’est-à-dire leur aptitude à conduire le courant. Il s’agit de la nature du substrat sur lequel les films s’assemblent, de l’épaisseur de ces derniers et de la présence d’une couche moléculaire particulière entre les deux.

• D’abord, la surface du substrat de silice qu’utilisent les physiciens se charge au contact de l’eau. Cette charge crée un potentiel électrostatique (une capacité à attirer d’autres charges) qui influence la distribution des ions dans la membrane.
• Ensuite, la conductance des ions dépend de l’épaisseur du film de mouillage, que les scientifiques sont capables d’ajuster. Plus le film est épais, plus la conductance est élevée (jusqu’à un plateau haut autour de 1,2 nm).
• Enfin, ce phénomène est également affecté par la présence d’une couche moléculaire près de la surface du substrat, dans laquelle les ions sont bloqués. Cette couche a une épaisseur d’environ 0,3 nm, correspondant à la taille d’une molécule d’eau. Anne-Laure Biance et son équipe ont constaté «qu’en dessous de cette épaisseur, les ions pouvaient littéralement se coller à la surface du substrat, pour ne jamais s’en détacher et inhiber ainsi le transport électrique ».

Offrir un avenir à l’énergie osmotique

En caractérisant précisément la dynamique des fluides à ces échelles, les physiciens ouvrent la voie à la conception de nouveaux systèmes de filtration ou de conversion d’énergie, comme la récupération d’énergie osmotique. Il s’agit de l’énergie générée en exploitant la différence de salinité entre deux milieux liquides qui se rencontrent, comme un fleuve qui se jette dans l’océan. Au moment de cette osmose, des charges positives et négatives sont transportées à travers des membranes séparant l’eau douce et l’eau salée, et produisent un courant ionique converti ensuite en un courant électrique.

Récupération de l’énergie osmotique. © Emilie Josse

C’est ce que propose déjà la start-up Sweetch Energy, à laquelle s’est associée Anne-Laure Biance à son lancement. L’entreprise offre une « solution électrique zéro émission, permanente et rentable », à base d’eau, de sel, et de membranes INOD®.

Les récentes avancées du laboratoire en nanofluidique, que ce soit sur les films de mouillage ou sur des systèmes similaires comme des bulles de savon, font espérer les physiciens de pouvoir « encore mieux comprendre les mécanismes de récupération d’énergie osmotique», et contribuer ainsi à la montée en puissance de cette technologie dans le mix électrique mondial. Au regard du potentiel que cette source d’énergie représente sur terre (625TW par an⁴, soit l’équivalent de 3 % de la consommation mondiale d’électricité), force est de constater qu’aux grands maux du climat, les remèdes ne sont pas nécessairement grands par la taille.

Article rédigé par Samuel Belaud, journaliste scientifique – mai 2024

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1 Un ion est un atome qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons, ce qui lui confère une charge électrique. Son déplacement dans l’eau provoque la conduction d’un courant électrique.

2 Unité CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1

3 Un film de savon est le fin film liquide souvent coloré qui entoure une bulle de savon.

4 Potentiel énergétique pratique du gradient de salinité global – ScienceDirect

Ces recherches ont été financées en tout ou partie, par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet ANR-SoftNanoFlu-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).