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Avec 2,9W de consommation, ce processeur repousse les limites du calcul

Avec 2,9W de consommation, ce processeur repousse les limites du calcul

Les processeurs de recuit simulé sont des outils prometteurs pour résoudre des problèmes d’optimisation combinatoire complexes. Une équipe de chercheurs de l’Université des Sciences de Tokyo a récemment développé un processeur évolutif innovant qui divise les calculs entre plusieurs puces LSI, ouvrant la voie à de nouvelles applications dans des domaines variés.

Dans le contexte des technologies CMOS, un couplage complet des composants des processeurs de recuit simulé est essentiel. Cependant, la complexité de ce couplage a un impact direct sur l’évolutivité des processeurs, limitant ainsi leur potentiel d’application à grande échelle.

Comme l’explique le Professeur Takayuki Kawahara, qui a dirigé cette étude publiée le 30 janvier 2024 dans IEEE Access, « Nous voulons réaliser un traitement avancé de l’information directement à la périphérie, plutôt que dans le cloud, ou effectuer un prétraitement à la périphérie pour le cloud. »

Une architecture innovante et évolutive

L’équipe de recherche a mis au point un processeur de recuit simulé évolutif utilisant 36 puces LSI de calcul en technologie CMOS 22nm et un FPGA de contrôle. Cette technologie permet de construire des systèmes semi-conducteurs entièrement couplés à grande échelle suivant le modèle d’Ising, avec 4096 spins.

Le processeur intègre deux technologies distinctes développées à l’Université des Sciences de Tokyo : une «méthode de fil de spin» permettant 8 recherches de solutions en parallèle, et une technique réduisant d’environ moitié les besoins en puces par rapport aux méthodes conventionnelles. Ses besoins en énergie sont également modestes, fonctionnant à 10MHz avec une consommation de 2,9W (1,3W pour la partie centrale).

Des performances impressionnantes

En termes de rapport performance/puissance, le processeur a surpassé de 2 306 fois la simulation d’un système d’Ising entièrement couplé sur un PC (i7, 3,6GHz) utilisant l’émulation de recuit simulé. De plus, il a dépassé de 2 186 fois le CPU principal et la puce arithmétique.

Selon le Professeur Kawahara, qui envisage l’implémentation sociale de cette technologie, « À l’avenir, nous développerons cette technologie pour un effort de recherche conjoint visant un système LSI avec la puissance de calcul d’un ordinateur quantique de niveau 2050 pour résoudre des problèmes d’optimisation combinatoire. L’objectif est d’y parvenir sans avoir besoin de climatisation, de gros équipements ou d’infrastructure cloud, en utilisant les processus semi-conducteurs actuels. »

Vers de nouvelles industries numériques

La vérification réussie de ce processeur suggère la possibilité d’une capacité accrue. L’équipe vise à atteindre 2 millions de spins d’ici 2030 et à explorer la création de nouvelles industries numériques utilisant cette technologie.

Les chercheurs ont donc développé un processeur de recuit simulé évolutif et entièrement couplé intégrant 4096 spins sur une seule carte avec 36 puces CMOS. Des innovations clés, notamment la réduction des puces et les opérations parallèles pour des recherches de solutions simultanées, ont joué un rôle crucial dans ce développement prometteur pour de nombreuses applications pratiques.

Article : “Scalable Fully-Coupled Annealing Processing System Implementing 4096 Spins Using 22nm CMOS LSI” – DOI: 10.1109/ACCESS.2024.3360034

Singapour expérimente une méthode innovante pour rafraîchir ses rues

Singapour expérimente une méthode innovante pour rafraîchir ses rues

Les chercheurs de l’Université technologique de Nanyang, à Singapour (NTU Singapore), ont mené une étude en conditions réelles démontrant que l’utilisation de revêtements de peinture réfléchissante dans les villes peut aider les piétons à se sentir jusqu’à 1,5°C plus frais, rendant ainsi l’espace urbain plus confortable. Cette étude approfondie, la première du genre sous les tropiques, valide l’efficacité de ces revêtements pour réduire la chaleur et atténuer l’effet d’îlot de chaleur urbain.

Les revêtements de peinture réfléchissante contiennent des additifs qui réfléchissent la chaleur du soleil, réduisant ainsi l’absorption et l’émission de chaleur en surface. Bien que leur potentiel pour rafraîchir les zones urbaines et atténuer l’effet d’îlot de chaleur urbain ait été vanté, la plupart des études menées jusqu’à présent étaient basées sur des simulations ou des modèles réduits, limitant la compréhension de leur application dans des scénarios réels.

L’équipe de chercheurs de la NTU a enduit les toits, les murs et les chaussées d’une zone industrielle de Singapour et a constaté que, par rapport à une zone adjacente non enduite, l’environnement enduit était jusqu’à 2°C plus frais l’après-midi, avec une amélioration du niveau de confort thermique des piétons allant jusqu’à 1,5°C, mesuré à l’aide de l’indice climatique thermique universel – une norme internationale commune pour la sensation de température extérieure humaine qui prend en compte la température, l’humidité relative, le rayonnement thermique et la vitesse du vent.

Une solution peu intrusive pour le refroidissement urbain

Selon le Dr E V S Kiran Kumar Donthu, auteur principal de l’étude, « notre étude prouve que les revêtements de peinture réfléchissante réduisent l’accumulation de chaleur et contribuent au refroidissement de l’environnement urbain. Il s’agit d’une solution peu intrusive pour le refroidissement urbain qui a un effet immédiat, comparé à d’autres options qui nécessitent souvent un réaménagement urbain majeur pour être déployées. »

En réduisant la quantité de chaleur absorbée par les structures urbaines, la charge thermique des bâtiments est également réduite, ce qui entraîne une diminution de la consommation d’énergie liée à la climatisation intérieure. L’étude, publiée dans Villes et sociétés durables en mars, soutient le plan stratégique NTU 2025, qui vise à relever les grands défis de l’humanité en matière de durabilité et à accélérer la traduction des découvertes de recherche en innovations qui atténuent l’impact humain sur l’environnement.

Des expériences en conditions réelles dans des “canyons urbains”

Pour mener leurs expériences en conditions réelles, les chercheurs de la NTU ont sélectionné quatre bâtiments rectangulaires créant deux «canyons urbains» parallèles – des rues étroites bordées de bâtiments – dans une zone industrielle à l’ouest de Singapour gérée par la JTC Corporation. Un canyon, ou “canyon frais”, a été enduit de peintures réfléchissantes sur les toits, les murs et la chaussée, tandis que l’autre canyon (conventionnel) est resté tel quel comme “contrôle” pour l’expérience.

À l’aide de capteurs environnementaux, l’équipe de la NTU a surveillé les conditions dans les deux canyons pendant deux mois, notamment les mouvements d’air, la température de surface et de l’air, l’humidité et le rayonnement, afin de voir dans quelle mesure les revêtements de peinture réfléchissante permettaient de réduire la chaleur urbaine.

Les chercheurs ont constaté que, sur un cycle de 24 heures, le canyon frais présentait une réduction allant jusqu’à 30 % de la chaleur libérée par les surfaces bâties, ce qui se traduisait par une température de l’air dans le canyon frais inférieure de jusqu’à 2°C à celle du canyon conventionnel pendant la période la plus chaude de la journée, vers 16 heures. En conséquence, les piétons du canyon frais peuvent ressentir jusqu’à 1,5°C de fraîcheur.

Moins de chaleur absorbée et stockée dans les murs, toits et routes

L’équipe de recherche de la NTU a également constaté que la température de l’air dans le canyon frais était plus basse parce que moins de chaleur était absorbée et stockée dans les murs, les toits et les routes des bâtiments, ce qui aurait ensuite été libéré pour réchauffer l’air environnant ou l’intérieur du bâtiment. Par rapport aux toits conventionnels, les toits enduits de peinture réfléchissante ont réfléchi 50 % de lumière solaire en plus et absorbé jusqu’à 40 % de chaleur en moins, pendant la période la plus chaude d’une journée ensoleillée. Les murs enduits ont également empêché la majeure partie de la chaleur de pénétrer dans les bâtiments industriels.

Selon le professeur adjoint Ng Bing Feng de l’École de MAE de la NTU, co-auteur de l’étude, « notre étude a montré que le revêtement de peinture réfléchissante sur la route a considérablement contribué à abaisser les températures les plus élevées dans le canyon frais, confirmant que ce type de revêtement peut être un moyen prometteur de rendre les zones urbaines plus fraîches et plus confortables, en particulier pendant les périodes de chaleur. Nous espérons que les résultats de notre étude encourageront davantage d’urbanistes à adopter des revêtements de peinture réfléchissante sur un plus grand nombre de surfaces bâties, à grande échelle. »

Article : “Dynamics of cool surface performance on urban microclimate: A full-scale experimental study in Singapore” – DOI: 10.1016/j.scs.2024.105218

2024, faut-il passer par un fournisseur d’énergie verte ?

2024, faut-il passer par un fournisseur d'énergie verte ?

Les énergies renouvelables représentaient en 2022 près de 26% du mix électrique français*, portées notamment par le développement de l’éolien et la mise en service de plusieurs nouveaux parcs éoliens en mer. Le gouvernement a fixé un objectif ambitieux de 33% d’énergie renouvelable dans la consommation finale d’énergie d’ici 2030, afin d’atteindre la neutralité carbone en 2050. Cette dynamique est soutenue par des investissements massifs, avec 7 milliards d’euros supplémentaires alloués à la planification écologique dans le budget 2024.

La transition énergétique se joue aussi à l’échelle individuelle : en souscrivant à une offre d’électricité verte auprès d’un fournisseur engagé, chaque consommateur peut contribuer à la construction d’un avenir plus durable.

Les avantages de souscrire à une offre d’électricité verte

Dans ce contexte, souscrire à une offre d’électricité auprès d’un fournisseur d’énergie verte engagé apparaît comme un choix responsable. En optant pour une électricité produite à partir de sources renouvelables comme l’éolien, le solaire ou l’hydraulique, les consommateurs contribuent activement à la réduction des émissions de gaz à effet de serre.

Au-delà de l’impact environnemental positif, choisir un fournisseur d’énergie verte permet de soutenir le développement des filières renouvelables en France et de renforcer l’indépendance énergétique du pays. C’est aussi l’assurance de bénéficier d’une énergie locale, produite au plus près des territoires, créatrice d’emplois non délocalisables et génératrice de retombées économiques pour les collectivités.

Avec la fin progressive du bouclier tarifaire et la hausse attendue des prix de l’électricité en 2024, se tourner vers les offres d’énergie verte peut s’avérer économiquement intéressant. En effet, certains opérateurs proposent des tarifs compétitifs pour les offres dîtes vertes, avec un prix du kWh moins cher que celui du tarif réglementé.

Comment choisir son fournisseur d’énergie verte ?

Face à la multiplication des offres d’électricité verte sur le marché, il peut être difficile de s’y retrouver. Pour faire le bon choix, plusieurs critères sont à prendre en compte :

  • L’origine de l’électricité : privilégiez les offres garantissant une électricité produite à partir de sources 100% renouvelables, couverte notamment par le dispositif européen des Garanties d’Origine.
  • La localisation des sites de production : pourquoi ne pas optez directement pour une offre Premium. Dans ce cas, vous aurez la possibilité de choisir une centrale de production renouvelable implantée localement en France.
  • La politique environnementale du fournisseur : renseignez-vous sur ses engagements en matière de transition énergétique et de protection de la biodiversité.
  • Les tarifs proposés : comparez les prix du kWh et de l’abonnement.
  • La qualité du service client : vérifiez la disponibilité ,la réactivité du service client et sa localisation (un service client 100% français, c’est toujours plus sympa), ainsi que les modalités de facturation et de paiement.

N’hésitez pas à vous faire accompagner par un conseiller spécialisé pour trouver l’offre la plus adaptée à vos besoins et à votre budget.

Les limites et les défis des énergies renouvelables

Malgré leurs nombreux atouts, les énergies renouvelables ne sont pas exemptes de défauts. Leur caractère intermittent et dépendant des conditions météorologiques rend leur production variable et difficile à prévoir. Pour pallier cela, des solutions de stockage de l’électricité, comme les batteries ou des vecteurs d’énergie comme l’hydrogène, sont en cours de développement.

La construction des infrastructures de production d’énergie renouvelable (éoliennes ou panneaux solaires), nécessite également d’importantes quantités de ressources minérales, dont certaines sont rares ou difficiles à extraire. La question du recyclage des équipements en fin de vie se pose aussi, même si des filières spécialisées émergent progressivement. Par exemple, saviez-vous que les panneaux solaires sont recyclables à 95% !

Enfin, l’implantation de parcs éoliens ou solaires peut aussi susciter des oppositions locales en raison de leur impact paysager ou des nuisances sonores générées. Un dialogue approfondi avec les territoires et une planification concertée restent essentiels pour favoriser l’acceptabilité de ce type de projets.

On le constate de plus en plus, l’urgence climatique n’a jamais été aussi prégnante, passer à une électricité verte en choisissant un fournisseur engagé devient un geste à la fois écologique, économique et citoyen.

* source : calculs SDES

USA : 15 tours télécoms transformées en sentinelles des gaz à effet de serre

USA : 15 tours télécoms transformées en sentinelles des gaz à effet de serre

Les gaz à effet de serre (GES) sont au cœur des préoccupations environnementales actuelles. Afin de mieux comprendre leur impact sur le climat et de mettre en place des politiques efficaces, il est essentiel de disposer de données fiables et précises sur leurs émissions et leurs mouvements. C’est dans ce contexte que s’inscrit la nouvelle stratégie nationale américaine de mesure et de surveillance des GES, fruit d’une collaboration sans précédent entre les agences fédérales et les acteurs non gouvernementaux.

La stratégie nationale, présentée dans un récent communiqué de la Maison Blanche, vise à unifier les efforts de mesure, de surveillance et d’information sur les GES à travers le gouvernement fédéral et au-delà. L’initiative s’appuie sur près de 30 ans de recherche soutenue par le Département de l’Énergie (DOE) et d’autres organismes via le projet AmeriFlux, qui mesure les changements environnementaux à travers les Amériques, y compris les niveaux de dioxyde de carbone (CO2).

Les données collectées par AmeriFlux ont fourni une grande partie des connaissances scientifiques fondamentales nécessaires à l’élaboration du rapport. Comme l’explique Dan Stover, responsable de programme au sein du Bureau des sciences du DOE, « il s’agit d’une science fondamentale et basique, sans laquelle le travail appliqué ne pourrait pas avoir lieu ».

Des outils innovants pour tracer les GES

Mesurer et surveiller les niveaux de GES n’est pas une tâche aisée. Les scientifiques utilisent deux approches complémentaires : les approches «bottom-up», basées sur des observations et des modèles informatiques, et les approches «top-down», qui combinent les quantités de GES dans l’atmosphère avec une compréhension de leur mouvement et de leurs interactions chimiques.

Les chercheurs s’appuient sur une variété d’outils, allant des réseaux de capteurs au sol aux mesures par satellite et avion. En combinant les capacités de ces différents instruments, ils seront en mesure de localiser les quantités de GES avec une précision et une confiance accrues.

Une stratégie en plusieurs phases

La stratégie nationale se déploie en plusieurs étapes. La première phase vise à consolider notre compréhension actuelle des quantités de GES, notamment en standardisant les outils et les approches utilisés. Elle prévoit également la création d’un centre américain multi-agences dédié aux GES, qui facilitera le partage des connaissances entre les acteurs impliqués.

L’un des principaux objectifs de cette première phase est d’étendre le réseau de sites de mesure des GES, en s’appuyant sur le prototype développé à Washington, D.C. Cette stratégie fournit ainsi un cadre officiel pour guider la contribution des agences fédérales à la lutte contre les GES dans un contexte de réchauffement climatique.

En synthèse

La nouvelle stratégie nationale américaine de mesure et de surveillance des GES marque une étape importante dans la compréhension et la gestion de ces gaz qui influencent le climat de notre planète. En fédérant les efforts des agences fédérales et des acteurs non gouvernementaux, elle ouvre la voie à une approche plus cohérente et efficace. Les données collectées grâce à des outils innovants permettront d’éclairer les décisions politiques et les actions concrètes visant à réduire les émissions de GES et à atteindre l’objectif de zéro émission nette d’ici 2050.

Pour une meilleure compréhension

Quels sont les principaux gaz à effet de serre ?

Les quatre principaux gaz à effet de serre sont le dioxyde de carbone (CO2), le méthane, l’oxyde nitreux et les gaz fluorés. Le CO2 est celui qui persiste le plus longtemps dans l’atmosphère.

Comment les GES influencent-ils la température de la Terre ?

Les GES agissent comme une serre en absorbant la chaleur dans l’atmosphère. Ils ne s’échappent jamais dans l’espace, mais circulent entre l’océan, la terre et l’atmosphère.

Quelles sont les principales sources d’émissions de GES ?

L’utilisation de combustibles fossiles par l’homme est la principale source d’augmentation du CO2 dans l’atmosphère. Le méthane provient de la production de charbon et de gaz naturel, ainsi que du bétail, des zones humides et des décharges. L’oxyde nitreux est un sous-produit de l’utilisation des terres agricoles, des combustibles fossiles et du traitement des eaux usées.

Pourquoi est-il important de mesurer et de surveiller les GES ?

Une meilleure compréhension des émissions de GES, de leurs sources et de leurs puits est essentielle pour éclairer les efforts et les actions visant à les réduire. Sans données fiables, il est impossible de savoir si les politiques et les mesures mises en place sont efficaces.

Quels sont les objectifs de la stratégie nationale américaine ?

La stratégie vise à unifier les efforts de mesure, de surveillance et d’information sur les GES à travers le gouvernement fédéral et au-delà. Elle prévoit notamment la standardisation des outils et des approches, l’expansion du réseau de sites de mesure et la création d’un centre multi-agences dédié aux GES.

Références

Légende illustration : Une tour AmeriFlux dans la forêt expérimentale de Bartlett, dans le New Hampshire.

IA Collective : les experts dévoilent une vision futuriste de l’IA

IA Collective : les experts dévoilent une vision futuriste de l'IA

Les progrès récents en intelligence artificielle ouvrent la voie à une nouvelle ère de collaboration et de partage des connaissances entre les systèmes d’IA. Des chercheurs de renommée mondiale, issus d’institutions prestigieuses telles que l’Université de Loughborough, le MIT et Yale, ont présenté leur vision de l’avenir de l’IA, qui s’apparente étonnamment à certains concepts de science-fiction.

Selon ces experts, nous sommes sur le point d’assister à l’émergence de l’IA Collective, un réseau de nombreuses unités d’intelligence artificielle capables d’acquérir continuellement de nouvelles connaissances et compétences, et de les partager entre elles. Cette vision rappelle notamment le personnage de The Borg de l’univers Star Trek, des organismes cybernétiques fonctionnant et partageant leurs connaissances via un esprit collectif.

Cependant, contrairement à de nombreux récits de science-fiction, les chercheurs envisagent que l’IA Collective conduira à des avancées majeures et positives dans divers domaines. Le Dr Andrea Soltoggio, responsable de la recherche à l’Université de Loughborough, explique :

« Le partage instantané des connaissances au sein d’un réseau collectif d’unités d’IA capables d’apprendre et de s’adapter en permanence à de nouvelles données permettra des réponses rapides à des situations, des défis ou des menaces inédits. »

Des applications vastes et passionnantes

Les chercheurs citent plusieurs exemples d’applications potentielles de l’IA Collective, tels que la cybersécurité, où une réponse collective pourrait être rapidement déclenchée en cas de menace identifiée par une unité d’IA, à l’image du système immunitaire humain protégeant le corps contre les envahisseurs extérieurs.

L’IA Collective pourrait également conduire au développement de robots d’intervention en cas de catastrophe, capables de s’adapter rapidement aux conditions dans lesquelles ils sont déployés, ou d’agents médicaux personnalisés améliorant les résultats de santé en combinant les connaissances médicales de pointe avec les informations spécifiques au patient.

Risques et sécurité de l’IA Collective

Si les chercheurs reconnaissent l’existence de risques associés à l’IA Collective, comme la propagation rapide de connaissances potentiellement contraires à l’éthique ou illicites, ils soulignent un aspect crucial de leur vision en termes de sécurité : les unités d’IA conservent leurs propres objectifs et leur indépendance vis-à-vis du collectif.

Selon le Dr Soltoggio, cela «aboutirait à une démocratie d’agents d’IA, réduisant considérablement les risques de domination de l’IA par quelques grands systèmes».

Vers une nouvelle ère de l’IA durable et collaborative

Les chercheurs sont parvenus à la conclusion que l’avenir de l’IA réside dans l’intelligence collective après avoir analysé les progrès récents de l’apprentissage automatique. Leurs travaux, financés par la DARPA, ont révélé que les efforts mondiaux se concentrent sur l’apprentissage tout au long de la vie des agents d’IA et sur le développement de protocoles et langages universels permettant aux systèmes d’IA de partager leurs connaissances.

Cette approche diffère des grands modèles d’IA actuels, comme ChatGPT, dont les capacités d’apprentissage continu et de partage des connaissances sont limitées.

Le Dr Soltoggio conclut : « Nous pensons que les modèles d’IA dominants actuels, grands, coûteux, non partageables et non permanents, ne survivront pas dans un avenir où des collectifs d’unités d’IA durables, évolutifs et partageant leurs connaissances sont susceptibles d’émerger. »

Article : ‘A Collective AI via Lifelong Learning and Sharing at the Edge’, the Nature Machine Intelligence webpage.

Oxford s’engage dans la course aux constructions durables

Oxford s'engage dans la course aux constructions durables

L’Université d’Oxford s’associe au projet ZEBAI, une initiative majeure visant à révolutionner la conception des bâtiments zéro émission. Ce projet, soutenu par un financement de 3,8 millions d’euros du programme Horizon de la Commission européenne, établira des projets de démonstration dans quatre pays afin de tester des approches innovantes pour réduire significativement l’empreinte carbone des bâtiments.

Le secteur du bâtiment et de la construction est une source majeure d’émissions de carbone, représentant plus de 34% de la demande énergétique et environ 37% des émissions de CO2 liées à l’énergie et aux processus en 2021, selon le Programme des Nations Unies pour l’environnement. Actuellement, le secteur est loin d’être sur la bonne voie pour atteindre la décarbonation d’ici 2050, ce qui souligne l’urgence d’adopter des matériaux et des processus de construction à faible émission de carbone.

Dirigé par l’Universidad Politécnica de Madrid, ZEBAI réunira un consortium de 18 instituts académiques de 7 pays européens pour relever ce défi.

Oxford se concentre sur la caractérisation et la modélisation

Les départements d’ingénierie et de physique de l’Université d’Oxford se concentreront sur la caractérisation et la modélisation de la réponse des matériaux à la température et aux forces mécaniques, en exploitant la puissance de l’intelligence artificielle pour sélectionner des matériaux de construction d’origine locale adaptés à des conditions environnementales spécifiques.

L’analyse des propriétés mécaniques des matériaux utilisés dans les bâtiments à travers l’Europe servira à créer une simulation qui sera intégrée à des méthodologies d’IA. Le logiciel résultant pourra ainsi être incorporé dans les plateformes de conception de construction utilisées par les architectes et les ingénieurs. Le logiciel ZEBAI comprendra une vaste bibliothèque de propriétés des matériaux basée sur leur travail et sera utilisé pour garantir que les constructions atteignent les objectifs zéro émission nette.

En haut : Professeur Sonia Antoranz Contera. Crédit : Pamela Davis Kivelson. En bas : Professeur Antoine Jérusalem.

Intégration de la modélisation IA dans le processus de sélection

Les professeurs Sonia Antoranz Contera (Département de physique) et Antoine Jérusalem (Département d’ingénierie) travailleront avec Lurtis Ltd pour intégrer la modélisation IA dans le processus de sélection des matériaux.

Selon le professeur Jérusalem, « C’est un projet très opportun et passionnant où le travail que le professeur Contera et moi-même réalisons sur les matériaux d’ingénierie à plusieurs échelles alimentera directement la pratique pour maximiser l’impact dans le monde réel. ZEBAI est prêt à repousser les frontières de l’efficacité énergétique dans les constructions futures avec l’état de l’art de la mécanique et de l’IA. »

Les objectifs clés du projet ZEBAI

La recherche menée à Oxford contribuera aux objectifs principaux du projet :

  • Optimiser les matériaux pour différents environnements
  • Rationaliser le processus de conception pour le rendre plus efficace et convivial
  • Garantir à la fois la rentabilité et l’atteinte des objectifs environnementaux

ZEBAI vise à révolutionner la conception des bâtiments zéro émission grâce à une méthodologie complète qui intégrera des analyses, des processus décisionnels et des évaluations holistiques de la performance énergétique, de l’impact environnemental, de la qualité de l’environnement intérieur et de la rentabilité.

Cette approche promet des processus de conception plus efficaces et conviviaux ainsi que la possibilité de réduire considérablement l’empreinte carbone des futurs bâtiments.

En outre, le projet développera une base de données de matériaux bien caractérisés et évaluera les différences entre les performances prévues et réelles des bâtiments. Les techniques d’IA joueront un rôle central dans l’optimisation de la sélection des matériaux et des systèmes dans divers aspects de la conception des bâtiments.

Les quatre démonstrateurs représentatifs en Ukraine, en Espagne, au Royaume-Uni et aux Pays-Bas serviront de cas de test, permettant à l’équipe du projet d’évaluer les performances de la méthodologie dans différents climats, usages et modèles de construction.

« Nous sommes très heureux de participer à cette collaboration, qui rassemble des entreprises (y compris des partenaires ukrainiens), des institutions, des ingénieurs, des scientifiques et des architectes aussi intéressants. Nous avons eu cette idée il y a quatre ans, et c’est formidable de la voir enfin se concrétiser » a conclu le Professeur Sonia Antoranz Contera, Département de physique, Université d’Oxford.

20% de l’électricité mondiale économisés grâce aux skyrmions ?

20% de l'électricité mondiale économisés grâce aux skyrmions ?

Les chercheurs de l’Agence pour la science, la technologie et la recherche (A*STAR) et de l’Université nationale de Singapour (NUS) ont développé un dispositif microélectronique innovant capable de fonctionner comme un “bit-switch” durable et performant. Cette avancée permettrait de concevoir de nouvelles technologies informatiques permettant de traiter les données plus rapidement tout en consommant nettement moins d’énergie.

Les technologies émergentes d’intelligence artificielle, telles que ChatGPT, nécessitent le traitement de grandes quantités de données à des vitesses fulgurantes, ce qui requiert une puissance de calcul considérable. Les technologies de l’information et de la communication consomment déjà près de 20% de l’électricité mondiale, un chiffre qui devrait augmenter avec la croissance de ces grands modèles d’IA.

Pour répondre à ces demandes en constante augmentation, le «switch» informatique fondamental, ou bit mémoire, a été réduit à des tailles de plus en plus petites, approchant ses limites physiques. Une approche prometteuse pour atténuer cette crise énergétique, en particulier dans les domaines de la mobilité, de la santé et de la fabrication, est l’informatique en périphérie.

Les skyrmions, clé de l’informatique du futur

Les skyrmions sont de minuscules tourbillons magnétiques – 10 000 fois plus petits que la largeur d’un cheveu humain – qui se forment dans des couches magnétiques spécifiques lorsqu’elles sont rendues extrêmement fines. Découverts il y a seulement une décennie, ces tourbillons peuvent être extrêmement stables et compacts, et peuvent être déplacés efficacement entre les régions magnétiques.

Ils constituent des interrupteurs mobiles idéaux pour un traitement efficace des données à grande échelle pour les technologies d’IA. Pour exploiter le vaste potentiel des skyrmions, il est essentiel d’y accéder via des voies électriques telles que celles utilisées dans les ordinateurs.

L’équipe de recherche dirigée par ASTAR, en partenariat avec NUS, a créé un dispositif microélectronique innovant qui consomme 1 000 fois moins d’énergie que les technologies de mémoire commerciales, ouvrant ainsi la voie à des technologies informatiques plus durables et plus efficaces à l’avenir. (Crédit : ASTAR et NUS)

Une percée dans le contrôle électrique des skyrmions

L’équipe a réalisé une première en parvenant à une lecture électriqueidentification») d’un skyrmion et à une commutation électrique entre états (par exemple, “0” à “1”, et vice versa). Pour ce faire, ils ont utilisé un dispositif appelé jonction tunnel, opérationnel dans des conditions ambiantes et largement utilisé dans les applications commerciales de mémoire et de disque dur.

Ils ont découvert que les attributs spéciaux des skyrmions permettent la commutation entre états en utilisant 1 000 fois moins d’énergie que les dispositifs commerciaux. Ils ont également constaté que plus de deux états peuvent être obtenus dans un seul dispositif, ce qui évite la nécessité de réduire la taille du dispositif pour améliorer les performances.

Appareils et applications d’IA de pointe (Crédit : A*STAR)

Perspectives d’avenir

Selon le Dr Anjan Soumyanarayanan, responsable de l’équipe, scientifique principal à l’Institute of Materials Research and Engineering (IMRE) de l’A*STAR et professeur assistant au département de physique de la NUS Faculty of Science :

« Les skyrmions possèdent des attributs uniques et insaisissables qui peuvent être exploités pour mettre en œuvre diverses architectures d’IA avec une efficacité et une fonctionnalité sans précédent. Notre dispositif microélectronique fournit la clé tant attendue pour libérer leur vaste potentiel. Il contribuera à faire des skyrmions un élément intégral de l’informatique du futur. »

L’équipe espère qu’avec un perfectionnement supplémentaire des performances électriques, le commutateur informatique amélioré pourra être facilement intégré dans des microprocesseurs en utilisant des approches établies. Elle cherche à collaborer avec des entreprises de fabrication de semi-conducteurs et des intégrateurs de systèmes pour étendre la technologie à une adoption plus large.

Légende illustration : (À gauche) Représentation artistique du dispositif microélectronique skyrmionique. (À droite) Plaque de 200 mm contenant plus de 100 000 dispositifs microélectroniques skyrmioniques (Crédit : A*STAR et NUS)

Article : “All-electrical skyrmionic magnetic tunnel junction” – DOI: s41586-024-07131-7

[1] Les ordinateurs codent l’information en séquences de bits. Chaque bit représente soit 0, soit 1. La commutation de bits, qui consiste à faire passer un bit de 0 à 1 et vice versa, est une opération fondamentale pour l’informatique.
[2] Impact des technologies de l’information sur la consommation mondiale d’énergie (go-globe.com)
[3] Chiffre binaire : Unité de base des données en informatique numérique et en logique numérique, représentant un état qui peut être soit 0, soit 1. Tout comme un interrupteur, il peut avoir deux positions : marche ou arrêt. Dans le contexte de l’informatique, ces deux états se traduisent respectivement par 0 (“off”) et 1 (“on”).

Quand les nanoparticules de plastique envahissent l’Arctique en silence

Quand les nanoparticules de plastique envahissent l'Arctique en silence

La pollution plastique est un enjeu environnemental majeur qui nécessite une compréhension approfondie des mécanismes de transport et d’accumulation des micro et nanoplastiques dans les écosystèmes. Alice Pradel, chercheuse en sciences de l’environnement à l’ETH Zurich, s’attaque à cette problématique en cultivant des carottes de glace en laboratoire pour étudier les flux de matière dans la banquise arctique.

La campagne «Beat the Microbead», lancée en 2012 pour réduire l’utilisation des microplastiques dans les produits cosmétiques, a été un électrochoc pour Alice Pradel. « En tant que jeune scientifique de l’environnement, j’ai été choquée que nous déversions tous ces produits chimiques dans l’environnement sans nous soucier de leur devenir », se souvient-elle.

Fascinée par la capacité des sciences de l’environnement à approfondir notre compréhension de la relation entre l’humanité et son environnement, Pradel a orienté ses études de master à l’Université de Rennes sur l’accumulation de différents produits chimiques, comme les pesticides, dans les sols et autres milieux poreux.

La miniaturisation des plastiques, un phénomène préoccupant

Lors d’une conférence de Julien Gigault, chimiste au CNRS, Alice Pradel a découvert comment les plastiques dans l’environnement se fragmentent en particules de plus en plus petites sous l’action de processus biotiques et abiotiques, acquérant de nouvelles propriétés. Cette miniaturisation leur permet d’envahir tous les systèmes écologiques, un fait à la fois fascinant et alarmant.

Sa thèse de doctorat, supervisée par Gigault, a porté sur l’accumulation des micro et nanoplastiques dans les matériaux poreux. La chercheuse a été stupéfaite de découvrir que de grandes quantités de microplastiques s’accumulaient également dans la banquise arctique, un phénomène confirmé par de récentes études.

Alice Pradel, boursière de l’ETH, dans la chambre froide : ici, elle crée des carottes de glace dans des colonnes remplies d’eau de mer pour étudier le transport des micro- et nanoplastiques dans la glace. (Photo : Michel Büchel / ETH Zurich)

Une étude de 2018 a montré que les plus petites particules de microplastiques sont les plus courantes dans la glace de mer. Les microplastiques sont, par définition, inférieurs à 5 centimètres, et les nanoplastiques inférieurs à 1 micromètre. Les chercheurs ne peuvent pas quantifier les particules de plastique inférieures à 10 micromètres, qui constituent la limite analytique. « Cela suggère que nous ne pouvons ni voir ni mesurer avec précision la majeure partie du plastique présent dans la glace de mer », ajoute Alice Pradel.

Cultiver des carottes de glace pour étudier les flux de matière

Pendant sa thèse, Alice Pradel a développé une méthode pour faire pousser de la glace de mer en laboratoire. Depuis avril 2022, elle cultive ces carottes de glace dans le cadre d’un post-doctorat au Département des sciences de l’environnement de l’ETH Zurich. En ajoutant des particules de micro et nanoplastiques à l’eau de mer au début du processus, il est possible de suivre comment les particules passent de l’eau à la glace et où elles restent.

La chercheuse collabore avec le groupe de recherche du professeur Denise Mitrano, qui étudie les particules anthropiques, leur toxicité et leur impact sur l’environnement. Ce dernier a notamment développé des méthodes analytiques permettant de mesurer beaucoup plus précisément les micro et nanoplastiques, un complément idéal aux recherches.

Alice Pradel présente différents types de microplastiques. (Photo : Michel Büchel / ETH Zurich)

Collaborations pour une analyse approfondie des carottes de glace

Alice Pradel collabore également avec des chercheurs de l’Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage (WSL). Elle utilise la tomographie au laboratoire du WSL à Davos pour analyser ses carottes de glace à -15°C. Les images obtenues fournissent des données sur la porosité et la structure de la glace, des informations cruciales pour comprendre où s’accumulent les particules de micro et nanoplastiques.

Mme Pradel pense que ses expériences peuvent également ouvrir de nouvelles possibilités dans d’autres domaines de recherche.

« Le réchauffement climatique rend toute la banquise arctique beaucoup plus dynamique. La glace elle-même s’amincit, les processus de fonte s’accélèrent et la redistribution des sels et des particules dans la glace s’intensifie », explique-t-elle.

Les expériences de Pradel permettent de simuler ces évolutions en laboratoire sans que les chercheurs aient à se rendre en Arctique.

« Cela est d’autant plus logique que notre objectif est de mener des recherches sur l’environnement en respectant le climat », explique-t-elle. Cependant, ses recherches ne lui permettront pas d’éviter complètement les voyages dans le Grand Nord : l’hiver prochain, Mme Pradel se rendra pour la première fois dans l’océan Arctique afin de mesurer le plus précisément possible l'”empreinte plastique” de l’humanité dans la glace.

Légende illustration : Alice Pradel, boursière de l’ETH, dans la chambre froide : elle crée ici des carottes de glace dans des colonnes remplies d’eau de mer afin d’étudier le transport des micro- et nanoplastiques dans la glace. (Photo : Michel Büchel / ETH Zurich)

Comprendre la corrosion pour créer des métaux de nouvelle génération

Comprendre la corrosion pour créer des métaux de nouvelle génération

Les chercheurs du Laboratoire national du Pacifique Nord-Ouest (PNNL) aux USA ont développé une nouvelle technique révolutionnaire pour étudier en détail les processus de corrosion des métaux. Cette avancée permet de mieux comprendre comment et pourquoi la corrosion se produit, ouvrant ainsi la voie à la conception de matériaux plus résistants et durables.

Les limites des méthodes traditionnelles d’étude de la corrosion

Les méthodes classiques d’étude de la corrosion, comme la technique du « cook-and-look », présentent de nombreux inconvénients. Les chercheurs ne peuvent observer la corrosion qu’après qu’elle se soit produite, ce qui les oblige à émettre des hypothèses sur son initiation et sa progression. De plus, le fait de retirer et de réinsérer régulièrement l’échantillon peut fausser les résultats.

D’autres techniques, comme la technique de l’électrode vibrante à balayage ou la microscopie électrochimique à balayage, utilisent un courant pour mesurer les propriétés électrochimiques des échantillons, mais les irrégularités de surface peuvent interférer avec les résultats.

L’analyse multimodale de la corrosion : une approche innovante

Pour pallier ces limitations, les chercheurs du PNNL ont mis au point l’analyse multimodale de la corrosion. Cette technique combine l’utilisation de capteurs, de caméras, d’électrodes et d’un tube de collecte d’hydrogène pour observer en temps réel la progression de la corrosion dans des atmosphères simples, comprendre la nature des surfaces grâce à des techniques électrochimiques, et imager et collecter les gaz d’hydrogène, sous-produits de la corrosion.

Sridhar Niverty, chercheur en sciences des matériaux au PNNL, explique : « En combinant les données de ces modalités simples et diverses en temps réel, nous pouvons répondre à des questions fondamentales sur la façon dont la corrosion s’initie et se propage dans les matériaux. »

La microscopie d’impédance électrochimique à balayage

Pour analyser la corrosion avec encore plus de précision, les scientifiques du PNNL ont développé la microscopie d’impédance électrochimique à balayage. Cette technique utilise un capillaire miniature contenant l’électrolyte, l’électrode de référence et l’électrode de collecte de courant. En posant l’ouverture du capillaire sur la surface, les chercheurs peuvent mesurer les propriétés électrochimiques localisées et dépendantes du temps sans interférence des régions voisines.

Lyndi Strange, chimiste au PNNL, souligne : «L’ajout de la spectroscopie d’impédance à la technique a été inestimable pour comprendre comment une surface change à travers un joint métallique (ou un alliage) en corrélant les résistances mesurées aux caractéristiques physiques du métal.»

Des applications pour les techniques de soudage par friction

Ces avancées sont particulièrement utiles pour les chercheurs du PNNL qui travaillent sur la production et les tests de matériaux légers et de joints pour les applications automobiles, en utilisant des méthodes innovantes comme le soudage par friction malaxage.

Rajib Kalsar, chercheur en sciences des matériaux au PNNL, explique : « Grâce à ses capacités uniques, la nouvelle technique est employée pour acquérir des réponses électrochimiques à partir de diverses caractéristiques microstructurales : grains, joints de grains, interfaces, secondes phases, précipités, etc. L’obtention de propriétés électrochimiques individuelles au niveau microscopique est bénéfique pour la conception de matériaux structuraux hautement résistants à la corrosion. »

Vineet Joshi, chercheur en sciences des matériaux au PNNL, conclut : « Si vous comprenez vraiment bien ces interfaces pour la corrosion, vous pouvez commencer à concevoir avec précision, plutôt que de surdimensionner ou sous-dimensionner un composant. »

Légende illustration : La nouvelle méthode de surveillance de la corrosion du PNNL offre une meilleure résolution et une plus grande fiabilité. (Image composite de Melanie Hess-Robinson | Pacific Northwest National Laboratory)

Cette recherche a été mise en évidence dans les numéros d’août 2023 et d’octobre 2023 de Scientific Reports et dans le numéro de juillet 2022 de The Journal of Physical Chemistry.

50 ans après, les batteries sodium-soufre font leur grand retour

50 ans après, les batteries sodium-soufre font leur grand retour

Les batteries sodium-soufre, bien que prometteuses il y a plus de 50 ans, n’ont pas réussi à percer en raison de leurs performances médiocres à température ambiante. Cependant, une récente découverte des chercheurs de Jülich pourrait bien changer la donne et résoudre ce problème de longue date.

Un peu d’histoire

Les batteries sodium-soufre ont fait leur première apparition majeure en 1966 lorsque le constructeur automobile Ford les a présentées aux experts comme une possible source d’énergie pour les voitures électriques. Ces batteries étaient dotées de boîtiers résistants à la chaleur et fonctionnaient à des températures supérieures à 330 °C. Vingt-sept ans plus tard, Ford a installé pour la première fois une batterie de ce type dans des véhicules.

Après plusieurs années de tests avec 100 prototypes du petit fourgon de livraison Ford Ecostar, au cours desquels les batteries ont pris feu à plusieurs reprises, l’entreprise s’est tournée vers la technologie des piles à combustible.

L’US Air Force et le Corps des Marines des Pays-Bas ont également étudié l’application des batteries sodium-soufre dans le domaine spatial et dans les sous-marins, mais cela n’a pas abouti à une production en série. Depuis, cette technologie est restée dans l’ombre.

Actuellement, seule une entreprise japonaise produit de telles batteries, d’une capacité allant jusqu’à 1,45 mégawattheure, destinées à des applications stationnaires et vendues notamment par une grande entreprise chimique allemande.

Dans ces piles à haute température, le sodium liquide sert d’anode et le soufre liquide dans un tissu de graphite sert de cathode. Ils sont séparés par un électrolyte solide constitué d’une couche d’aluminate de sodium. Si la température de fonctionnement est abaissée, il n’y a pas assez de porteurs de charge – les ions sodium – qui traversent l’électrolyte d’une électrode à l’autre. En effet, les électrodes de sodium et de soufre ne sont plus fondues mais solides, ce qui rend la migration ou la pénétration des ions plus difficile. En outre, le contact avec l’électrolyte se détériore, car les surfaces solides sont alors adjacentes et l’électrolyte n’est plus mouillé par les électrodes fondues.

Un regain d’intérêt pour les batteries sodium-soufre

Au cours des dix dernières années, la recherche sur les batteries sodium-soufre a retrouvé de l’importance. Les chercheurs du monde entier sont à la recherche d’alternatives aux batteries lithium-ion qui dominent actuellement le marché, car le lithium est cher et sa production a été critiquée en raison des impacts environnementaux négatifs de l’extraction du lithium. Il en va de même pour le cobalt, un métal utilisé dans de nombreuses batteries lithium-ion.

En revanche, le sodium est disponible en grandes quantités et son extraction est plus respectueuse de l’environnement que celle du lithium, ce qui le rend également beaucoup plus rentable. Cependant, les batteries à base de sodium sont plus lourdes et nécessitent plus d’espace pour stocker la même quantité d’énergie qu’une batterie lithium-ion.

« Pour les systèmes de stockage stationnaires destinés à l’énergie éolienne et solaire, le poids et l’encombrement ne jouent pas un rôle aussi important que pour les batteries des véhicules électriques ou des ordinateurs portables », explique le Dr Frank Tietz de l’Institut de recherche sur l’énergie et le climat (IEK-1) du Forschungszentrum Jülich. « Dans de tels cas, le coût est le facteur le plus décisif pour les systèmes de stockage. »

Des températures élevées nécessaires jusqu’à présent

Il existe cependant un facteur qui complique la viabilité économique des batteries sodium-soufre : elles ne fonctionnent de manière satisfaisante qu’à des températures supérieures à 250 °C ; à des températures plus basses, trop peu de porteurs de charge migrent d’un pôle à l’autre.

L’équipe du Dr Tietz a trouvé une approche pour garantir qu’un nombre suffisant de porteurs de charge puissent également migrer à température ambiante. Pour ce faire, les chercheurs ont apporté deux ajustements. Le changement décisif a été une réduction considérable de l’épaisseur de l’électrolyte.

« La résistance spécifique à la surface de l’électrolyte solide diminue d’un facteur dix s’il est dix fois moins épais que d’habitude », explique le Dr Tietz. Les chercheurs ont également optimisé les possibilités de contact entre l’électrolyte et les deux pôles de sodium et de soufre, respectivement.

Au lieu de produire l’électrolyte à partir d’une seule couche comme d’habitude, les chercheurs de Jülich l’ont construit comme un sandwich composé de trois couches : une couche centrale plus stable et dense entourée de deux couches poreuses. Le sodium et le soufre peuvent être stockés dans ces couches, ce qui améliore le contact entre l’électrolyte et les matériaux d’électrode et, par conséquent, la densité énergétique de la batterie.

Une densité énergétique prometteuse

« Bien qu’il y ait encore une marge d’amélioration, en particulier du côté de l’électrode de soufre, nous avons déjà atteint une densité énergétique d’environ 46 heures (Wh) par kilogramme. Une valeur d’environ 280 Wh par kilogramme serait théoriquement possible avec cette structure de cellule », ajoute Aikai Yang, un doctorant chinois qui a développé le prototype. À titre de comparaison, les batteries lithium-ion actuelles ont une densité énergétique comprise entre 100 Wh et 250 Wh par kilogramme.

« Nous continuerons à rechercher ce type de batterie prometteur, en partie dans le but de produire des cellules de batterie plus grandes. Celles-ci pourraient ensuite être connectées les unes aux autres pour former des systèmes de stockage de batteries stationnaires rentables », précise le professeur Olivier Guillon, directeur de l’IEK-1.

Selon ce spécialiste des matériaux, le nouvel électrolyte solide a déjà suscité l’intérêt de l’industrie. Cela pourrait aider la batterie sodium-soufre à tirer le meilleur parti de cette nouvelle opportunité.

La batterie sodium-soufre développée à l’IEK-1

Électrolyte sandwich

Yang A, Ye R, Song H, et al. Pressureless all-solid-state Na/S batteries with self-supporting Na5YSi4O12 scaffolds. Carbon Energy. 2023; 5:e371. doi:10.1002/cey2.371

Yang A, Ye R, Li X, et al. Fabrication of thin sheets of the sodium superionic conductor Na5YSi4O12 with tape casting. Chem Eng J. 2022; 435 (Part 1):134774. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.134774

Légende illustration : Dr Frank Tietz de l’Institut de recherche sur l’énergie et le climat de Jülich

Article adapté du contenu de Frank Frick | images : Forschungszentrum Jülich/Sascha Kreklau ; Forschungszentrum Jülich/Tobias Schlößer | graphics : Forschungszentrum Jülich

Une “antenne” en 2D stimule l’émission de lumière à partir de nanotubes de carbone

Une "antenne" en 2D stimule l'émission de lumière à partir de nanotubes de carbone

Une équipe de chercheurs du laboratoire RIKEN Nanoscale Quantum Photonics a mis au point une technique innovante combinant ces deux types de nanomatériaux pour générer efficacement de la lumière à l’échelle atomique.

Les nanotubes de carbone, ressemblant à des fils creux d’un diamètre de l’ordre du nanomètre, peuvent générer de la lumière de différentes manières. L’une d’entre elles consiste à exciter les électrons chargés négativement à l’aide d’une impulsion laser, laissant des «trous» chargés positivement. Ces charges opposées peuvent s’associer pour former un état énergétique appelé exciton, qui peut parcourir une distance relativement grande le long d’un nanotube avant de libérer son énergie sous forme de lumière.

L’utilisation d’un laser pour générer des excitons dans les nanotubes de carbone présente toutefois plusieurs obstacles, notamment la faible absorption de l’énergie du laser par le matériau, la nécessité d’un alignement parfait entre les ondes lumineuses et le nanotube, et la capacité des électrons à n’absorber que des longueurs d’onde spécifiques.

Les matériaux 2D comme antennes pour les nanotubes de carbone

Pour surmonter ces limitations, l’équipe de Yuichiro Kato s’est tournée vers les matériaux 2D, des feuilles plates de quelques atomes d’épaisseur, mais beaucoup plus larges qu’un faisceau laser et bien plus efficaces pour convertir les impulsions laser en excitons.

Les chercheurs ont fait croître des nanotubes de carbone sur une tranchée creusée dans un matériau isolant, puis ont placé un flocon de diséléniure de tungstène d’épaisseur atomique sur les nanotubes. Lorsque des impulsions laser frappent ce flocon, elles génèrent des excitons qui se déplacent dans le nanotube et le long de celui-ci, avant de libérer une lumière d’une longueur d’onde plus grande que celle du laser. Il ne faut qu’un millionième de milliardième de seconde pour qu’un exciton passe du matériau 2D au nanotube.

Vers une ingénierie de bande à l’échelle atomique

En testant des nanotubes avec différentes structures affectant les niveaux d’énergie cruciaux au sein du matériau, les chercheurs ont identifié des formes de nanotubes idéales facilitant le transfert des excitons depuis le matériau 2D. Sur la base de ce résultat, ils ont l’intention d’utiliser l’ingénierie de bande, un concept utile en ingénierie des semi-conducteurs, pour réaliser des dispositifs aux propriétés supérieures à l’échelle atomique.

Selon Yuichiro Kato, « lorsque l’ingénierie de bande est appliquée aux semi-conducteurs de faible dimension, on s’attend à l’émergence de nouvelles propriétés physiques et de fonctionnalités innovantes ».

L’équipe espère utiliser ce concept pour développer des dispositifs photoniques et optoélectroniques d’une épaisseur de quelques couches atomiques seulement, ouvrant la voie à de nouveaux effets quantiques potentiellement utiles pour les technologies quantiques futures.

En synthèse

Cette étude démontre le potentiel de la combinaison des nanotubes de carbone et des matériaux 2D pour générer efficacement de la lumière à l’échelle atomique. L’utilisation de matériaux 2D comme antennes pour les nanotubes de carbone permet de surmonter les limitations liées à l’excitation directe des nanotubes par laser. L’ingénierie de bande appliquée à ces nanomatériaux ouvre la voie à de nouvelles propriétés physiques et fonctionnalités innovantes, avec des applications potentielles dans les domaines de la photonique, de l’optoélectronique et des technologies quantiques.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un nanotube de carbone ?

Un nanotube de carbone est une structure cylindrique creuse composée d’atomes de carbone, avec un diamètre de l’ordre du nanomètre. Ces nanotubes possèdent des propriétés électroniques et optiques uniques, ce qui en fait des candidats prometteurs pour diverses applications, notamment dans l’optoélectronique.

Qu’est-ce qu’un exciton ?

Un exciton est un état énergétique formé par l’association d’un électron chargé négativement et d’un «trou» chargé positivement. Les excitons peuvent se déplacer dans un matériau et libérer leur énergie sous forme de lumière lorsqu’ils se recombinent.

Que sont les matériaux 2D ?

Les matériaux 2D sont des feuilles plates d’atomes d’une épaisseur de quelques atomes seulement. Ils possèdent des propriétés électroniques et optiques uniques, différentes de celles des matériaux massifs. Parmi les exemples de matériaux 2D, on peut citer le graphène, le diséléniure de tungstène et le nitrure de bore hexagonal.

Comment les matériaux 2D améliorent la génération de lumière dans les nanotubes ?

Les matériaux 2D agissent comme des antennes pour les nanotubes de carbone, absorbant efficacement l’énergie des impulsions laser et la transférant aux nanotubes sous forme d’excitons. Cela permet de surmonter les limitations liées à l’excitation directe des nanotubes par laser, telles que la faible absorption de l’énergie et la nécessité d’un alignement parfait entre les ondes lumineuses et le nanotube.

Quelles sont les applications potentielles de cette découverte ?

Cette découverte ouvre la voie au développement de dispositifs photoniques et optoélectroniques d’une épaisseur de quelques couches atomiques seulement. Ces dispositifs pourraient exploiter de nouveaux effets quantiques, potentiellement utiles pour les technologies quantiques futures. Les applications potentielles incluent les sources de lumière à l’échelle nanométrique, les capteurs optiques et les composants pour l’information quantique.

Références

Légende illustration principale : Une lamelle de diséléniure de tungstène d’une épaisseur atomique sert de réservoir aux excitons, qui sont constitués d’électrons (en rouge) et de trous (en bleu). Ces excitons passent rapidement dans un étroit nanotube de carbone suspendu au-dessus d’une tranchée. 2024 RIKEN Nanoscale Quantum Photonics Laboratory (Laboratoire de photonique quantique à l’échelle nanométrique)


Fang, N., Chang, Y. R., Yamashita, D., Fujii, S., Maruyama, M., Gao, Y., Fong, C. F., Otsuka, K., Nagashio, K., Okada, S., Kato, Y. K. Resonant exciton transfer in mixed-dimensional heterostructures for overcoming dimensional restrictions in optical processes. Nature Communications 14 8152 (2023). doi: 10.1038/s41467-023-43928-2

La chaleur perdue, un trésor caché pour une catalyse innovante

La chaleur perdue, un trésor caché pour une catalyse innovante

Alors que la demande énergétique ne cesse de croître, l’efficacité d’utilisation des énergies primaires reste inférieure à 40%, entraînant un gaspillage considérable et aggravant les problèmes environnementaux. Face à ce constat, les matériaux thermoélectriques, capables de convertir directement l’énergie thermique en énergie électrique, suscitent un intérêt grandissant dans le domaine de la récupération de la chaleur perdue.

Au-delà de leur utilisation comme générateurs électriques, les matériaux thermoélectriques ouvrent de nouvelles perspectives pour la catalyse. En effet, le faible gradient de température (<100 °C) généré par la chaleur omniprésente dans la nature et la production industrielle fournit une force motrice suffisante pour les réactions catalytiques.

Cette approche permet de réutiliser les ressources de chaleur résiduelle à basse température pour alimenter différents processus catalytiques tels que la production d’hydrogène, la synthèse organique, la purification de l’environnement et les applications biomédicales. Elle offre ainsi une nouvelle solution pour améliorer l’efficacité énergétique, économiser l’énergie, réduire les émissions et promouvoir une catalyse verte.

Une étude pionnière dans le domaine

L’équipe de l’Institut de technologie quantique et durable de l’Université de Jiangsu a proposé le concept de thermoélectrocatalyse (TECatal) et a systématiquement résumé les matériaux et modes de fonctionnement existants dans ce domaine émergent. Quatre principaux modes de fonctionnement ont été suggérés : le mode de structure hybride, le mode monophasé, le mode de nanojonction P-N et le mode de cellule thermogalvanique.

L’étude explore les moyens d’améliorer les performances des matériaux catalytiques thermoélectriques en optimisant les propriétés thermoélectriques, l’ingénierie des bandes, les microstructures et la stabilité. De plus, les perspectives d’application de ces matériaux dans des domaines tels que l’énergie verte, le traitement des tumeurs et la gouvernance environnementale ont été proposées et discutées.

Modes de fonctionnement des systèmes TECatal : (a) mode structure hybride, (b) mode monophasé, (c) mode nanojonction P-N, et (d) mode cellule thermogalvanique. Applications potentielles des matériaux TECatal dans (e) la production de H2 et la réduction de CO2, (f) la thérapie tumorale, (g) le traitement des gaz d’échappement des véhicules, et (h) le revêtement des vitres pour la purification de l’air intérieur. Crédit : ©Science China Press

En synthèse

Les matériaux thermoélectriques offrent une opportunité unique de convertir la chaleur perdue en énergie utile, tout en ouvrant de nouvelles voies pour la catalyse. L’étude menée par l’équipe de l’Université de Jiangsu jette les bases d’une compréhension approfondie de la thermoélectrocatalyse et de ses applications potentielles. Ces travaux fournissent des références importantes pour le développement futur de ce domaine prometteur, qui pourrait contribuer à relever les défis énergétiques et environnementaux auxquels nous sommes confrontés.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que la thermoélectricité ?

La thermoélectricité est la conversion directe de la différence de température en tension électrique et vice versa. Lorsqu’il existe une différence de température aux extrémités d’un matériau thermoélectrique, une force électromotrice thermoélectrique est générée à l’intérieur du matériau, permettant ainsi la conversion de l’énergie thermique en énergie électrique.

Quels sont les principaux modes de fonctionnement de la thermoélectrocatalyse ?

L’étude a identifié quatre principaux modes de fonctionnement de la thermoélectrocatalyse : le mode de structure hybride, le mode monophasé, le mode de nanojonction P-N et le mode de cellule thermogalvanique. Chacun de ces modes présente des caractéristiques et des avantages spécifiques pour différentes applications catalytiques.

Comment améliorer les performances des matériaux catalytiques thermoélectriques ?

Les performances des matériaux catalytiques thermoélectriques peuvent être améliorées en optimisant plusieurs aspects clés, notamment les propriétés thermoélectriques, l’ingénierie des bandes, les microstructures et la stabilité. L’étude explore différentes stratégies pour optimiser ces paramètres et ainsi maximiser l’efficacité de la thermoélectrocatalyse.

Quelles sont les applications potentielles de la thermoélectrocatalyse ?

La thermoélectrocatalyse offre de nombreuses applications potentielles dans des domaines variés tels que l’énergie verte, le traitement des tumeurs et la gouvernance environnementale. En exploitant la chaleur perdue pour alimenter des réactions catalytiques, cette technologie pourrait contribuer à relever les défis énergétiques et environnementaux actuels.

Quelles sont les perspectives d’avenir pour ce domaine de recherche ?

L’étude menée par l’équipe de l’Université de Jiangsu ouvre la voie à de nouvelles recherches et développements dans le domaine de la thermoélectrocatalyse. Les résultats obtenus fournissent des références importantes pour guider les futurs travaux et explorer davantage les applications potentielles de cette technologie prometteuse.

Références

Article : “Thermoelectrocatalysis: An Emerging Strategy for Converting Waste Heat into Chemical Energy” – DOI: 10.1093/nsr/nwz206

Nouvelle batterie à flux de fer entièrement liquide pour le stockage de l’énergie en réseau

Nouvelle batterie à flux de fer entièrement liquide pour le stockage de l'énergie en réseau

Les chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du Département de l’Énergie des États-Unis ont développé une nouvelle conception de batterie utilisant un produit chimique courant dans les installations de traitement de l’eau, afin d’obtenir un stockage d’énergie à grande échelle sûr, économique et respectueux de l’environnement.

Une batterie à flux innovante basée sur le fer

Selon une étude publiée dans Nature Communications, la batterie à base de fer développée par les chercheurs du PNNL a démontré une stabilité remarquable sur plus de mille cycles de charge consécutifs, conservant 98,7 % de sa capacité maximale. La performance surpasse de loin les études précédentes sur des batteries similaires à base de fer, qui rapportaient une dégradation de la capacité de charge deux ordres de grandeur plus élevée, sur un nombre de cycles de charge inférieur.

La particularité de cette nouvelle batterie réside dans son électrolyte liquide unique, combinant du fer chargé avec un liquide à base de phosphate à pH neutre. Cet électrolyte, appelé acide nitrilotri-méthylphosphonique (NTMPA), est disponible commercialement en quantités industrielles, car il est couramment utilisé comme inhibiteur de corrosion dans les usines de traitement de l’eau.

Gabriel Nambafu, auteur principal et chercheur dans le domaine des batteries, assemble un appareil de test de batterie à écoulement. Crédit : Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory

Les avantages des batteries à flux

Les batteries à flux sont composées de deux chambres, chacune remplie d’un liquide différent. Elles se chargent par une réaction électrochimique et stockent l’énergie dans des liaisons chimiques. Lorsqu’elles sont connectées à un circuit externe, elles libèrent cette énergie, qui peut alimenter des appareils électriques. Contrairement aux batteries conventionnelles, les batteries à flux disposent de deux réservoirs externes de liquide circulant en permanence, servant de «système sanguin» à la batterie.

Plus le réservoir d’électrolyte est grand, plus la batterie à flux peut stocker d’énergie.

Les batteries à flux peuvent servir de générateurs de secours pour le réseau électrique et constituent l’un des piliers d’une stratégie de décarbonation visant à stocker l’énergie provenant de sources renouvelables. Leur avantage est qu’elles peuvent être construites à n’importe quelle échelle, de la taille d’un banc de laboratoire à celle d’un pâté de maisons.

La batterie redox aqueuse à base de fer (Fe) capture l’énergie sous forme d’électrons (e-) provenant de sources d’énergie renouvelables et la stocke en modifiant la charge du fer dans l’électrolyte liquide qui s’écoule. Lorsque l’énergie stockée est nécessaire, le fer peut libérer la charge pour fournir de l’énergie (électrons) au réseau électrique. Credit: Sara Levine | Pacific Northwest National Laboratory

Perspectives d’avenir pour les batteries à flux aqueuses

L’équipe de recherche a rapporté que leur conception initiale peut atteindre une densité énergétique allant jusqu’à 9 wattheures par litre (Wh/L). En comparaison, les systèmes commercialisés à base de vanadium ont une densité énergétique deux fois supérieure, à 25 Wh/L. Les batteries à plus haute densité énergétique peuvent stocker plus d’énergie dans une surface plus petite, mais un système construit avec des matériaux abondants sur Terre pourrait être dimensionné pour fournir la même production d’énergie.

Guosheng Li, auteur principal de l’étude et scientifique principal au PNNL, a précisé : « Notre prochaine étape est d’améliorer les performances de la batterie en nous concentrant sur des aspects tels que la tension de sortie et la concentration de l’électrolyte, ce qui contribuera à augmenter la densité énergétique. Notre tension de sortie est inférieure à celle d’une batterie à flux de vanadium typique. Nous travaillons sur des moyens d’améliorer cela. »

Légende illustration : De nouvelles technologies de batteries à flux sont nécessaires pour moderniser le réseau électrique américain et permettre le stockage de l’énergie provenant de sources renouvelables telles que l’énergie éolienne et solaire.

Quand les abeilles dansent, leurs antennes parlent

Quand les abeilles dansent, leurs antennes parlent

Les abeilles sont connues pour leur capacité à communiquer efficacement au sein de leur colonie, notamment grâce à la célèbre danse frétillante. Une équipe de chercheurs de l’Université d’Édimbourg a récemment découvert comment les abeilles décodent ces danses dans l’obscurité totale de la ruche, en utilisant leurs antennes pour interpréter les informations transmises par leurs congénères.

Les chercheurs ont étudié une colonie d’abeilles dans un rucher de l’université et ont utilisé des modèles informatiques pour simuler les processus cérébraux des insectes. En filmant les abeilles en slow motion et en haute résolution sous lumière infrarouge, ils ont pu suivre en détail la position des antennes des abeilles entourant la danseuse pendant chaque danse frétillante.

Les chercheurs ont observé que les abeilles modifient la position de leurs antennes, qui sont touchées à plusieurs reprises par la danseuse lors de ses mouvements, en fonction de l’angle de leur corps par rapport à la danseuse. Cette découverte a permis de comprendre comment les abeilles peuvent décoder les danses depuis n’importe quel angle, ou même depuis des positions en constante évolution, en combinant les signaux captés par leurs antennes avec leur propre sens de la gravité.

Un modèle informatique révélateur

En utilisant un modèle informatique reproduisant les circuits cérébraux connus de l’abeille, les chercheurs ont montré que moins d’une centaine de neurones sont nécessaires pour intégrer ces informations et déterminer l’angle et la distance de la source de nourriture signalée par la danse frétillante.

Anna Hadjitofi, de l’École d’informatique de l’université, souligne l’élégance remarquable de ce mécanisme neural employé par les abeilles pour déchiffrer des informations complexes avec un minimum de ressources. Cette découverte ouvre la voie à une meilleure compréhension des effets de problèmes tels que la perte d’habitat et l’utilisation de pesticides sur la capacité des abeilles à trouver de la nourriture.

En synthèse

Cette étude met en lumière les capacités extraordinaires des abeilles à communiquer et à traiter des informations complexes malgré la taille réduite de leur cerveau. Les chercheurs espèrent que ces nouvelles connaissances permettront de mieux comprendre et protéger ces insectes essentiels à notre écosystème, tout en inspirant la conception d’ordinateurs plus compacts et éco-énergétiques.

Pour une meilleure compréhension

Comment les abeilles communiquent-elles dans la ruche ?

Les abeilles utilisent la danse frétillante pour transmettre des informations sur la direction et la distance de sources de nourriture à l’extérieur de la ruche. Cette danse est effectuée dans l’obscurité totale de la ruche.

Quel rôle jouent les antennes dans la communication des abeilles ?

Les antennes des abeilles leur permettent de décoder les danses frétillantes de leurs congénères. Elles sont touchées à plusieurs reprises par la danseuse lors de ses mouvements, et les abeilles modifient la position de leurs antennes en fonction de l’angle de leur corps par rapport à la danseuse.

Comment les chercheurs ont-ils étudié la communication des abeilles ?

Les chercheurs ont filmé les abeilles en slow motion et en haute résolution sous lumière infrarouge, ce qui leur a permis de suivre en détail la position des antennes des abeilles entourant la danseuse pendant chaque danse frétillante. Ils ont également utilisé des modèles informatiques pour simuler les processus cérébraux des insectes.

Quelles sont les implications de cette découverte ?

Cette découverte permet de mieux comprendre comment les abeilles communiquent et traitent des informations complexes malgré la taille réduite de leur cerveau. Elle pourrait également aider à mieux appréhender les effets de problèmes tels que la perte d’habitat et l’utilisation de pesticides sur la capacité des abeilles à trouver de la nourriture.

Quelles sont les perspectives futures de cette recherche ?

Les chercheurs espèrent que ces nouvelles connaissances permettront de mieux comprendre et protéger les abeilles, tout en inspirant la conception d’ordinateurs plus compacts et éco-énergétiques. Des études supplémentaires pourraient être menées pour approfondir notre compréhension de la communication et des capacités cognitives des abeilles.

Références

Légende illustration : Des scientifiques ont découvert comment les abeilles mellifères peuvent déchiffrer les danses de leurs compagnes de ruche qui leur indiquent la direction à suivre pour trouver de la nourriture.

Article : “Dynamic antennal positioning allows honeybee followers to decode the dance” – DOI: https://doi.org/10.1016/j.cub.2024.02.045

QuVET : 4 universités US pour percer les secrets quantiques

QuVET : 4 universités US pour percer les secrets quantiques

Le physicien Nathaniel Gabor de l’Université de Californie à Riverside a reçu une subvention de 7,5 millions de dollars du Département de la Défense (DoD) pour développer un centre d’Initiatives de Recherche Universitaire Multidisciplinaire (MURI) sur le campus. Appelé QuVET pour le Centre de Vibronique Quantique en Énergie et en Temps, les co-chercheurs principaux du centre sont des scientifiques de premier plan à l’UCR, au Caltech, au MIT et à l’Université Columbia.

Vibronique“, un mot-valise composé de vibrationnel et électronique, fait référence aux transitions entre les états d’énergie moléculaire. Le comportement vibronique est au cœur des systèmes biologiques et matériels et pourrait avoir un impact sur l’efficacité de la récolte d’énergie des technologies futures. Les effets vibroniques – transitions vibrationnelles qui accompagnent les transitions électroniques – se produisent dans des systèmes allant des antennes photosynthétiques de collecte de lumière aux gaz moléculaires et aux matériaux à l’état solide.

Nathaniel Gabor, professeur de physique et d’astronomie et chercheur principal de la subvention de cinq ans, pense que le partenariat solide avec les laboratoires du DoD et l’industrie positionnera QuVET pour être un épicentre scientifique et technologique de la vibronique quantique. Il a déclaré que la science visionnaire que représente QuVet pourrait placer l’UCR à la tête d’une nouvelle ère de la science, où la biologie, la physique et la chimie sont explorées à travers le prisme de la mécanique quantique.

C’est la science à son meilleur, attirant beaucoup d’attention positive sur l’UCR“, a déclaré Shan-Wen Tsai, président du Département de Physique et d’Astronomie. “QuVet ouvrira de nombreuses bonnes opportunités de recherche pour nos étudiants de premier et de deuxième cycle.

Dans l’entretien suivant, Nathaniel Gabor, un leader dans les domaines des matériaux quantiques et de la recherche sur la collecte de lumière photosynthétique, discute de sa vision pour le nouveau centre qu’il dirigera. Vivek Aji, professeur de physique et d’astronomie à l’UCR et co-chercheur principal de la subvention, partage également ses réflexions.

QuVet est rendu possible grâce à une subvention de 7,5 millions de dollars sur cinq ans du ministère américain de la défense. Crédit : Gabor lab, UC Riverside,

Q : Sur quelles recherches QuVet se concentrera-t-il spécifiquement ?

Gabor : Aux échelles de longueur des atomes et des molécules, les vibrations atomiques peuvent fortement affecter le comportement ondulatoire (nature quantique) des électrons. Lorsque les vibrations et les électrons interagissent, le comportement résultant ne peut être décrit que comme vibronique. Nous avons réuni une équipe de physiciens, chimistes, biochimistes et biologistes pour relever trois défis critiques dans la réalisation de nouvelles technologies qui exploitent la mécanique quantique :

– Dans de nombreux systèmes moléculaires et matériels, les vibrations agissent pour retirer de l’énergie aux électrons, diminuant l’efficacité globale du transport d’énergie. Cependant, les organismes photosynthétiques se sont adaptés pour exploiter les vibrations afin d’améliorer le mouvement efficace de l’énergie. Dans de nouveaux systèmes moléculaires et matériels, pouvons-nous obtenir le même résultat que la photosynthèse afin d’améliorer le transport vers des efficacités optimales ?

– Le réglage de l’interaction entre le mouvement atomique et les états électroniques via un contrôle expérimental reste impossible, empêché par l’incapacité des scientifiques à concevoir des matériaux à l’échelle atomique. Les nouvelles stratégies biochimiques et les nouveaux matériaux peuvent-ils permettre un contrôle direct sur le comportement ondulatoire des excitations électroniques et vibrationnelles ?

– Les principes de conception n’existent pas pour les systèmes quantiques de nouvelle génération, qui mettent en œuvre de forts effets vibratoires. Comment pouvons-nous nous inspirer de la biologie pour développer de nouvelles technologies basées sur des états exotiques dans lesquels les vibrations affectent directement le comportement électronique ?

Q : Qu’impliquera la collaboration avec les scientifiques du Caltech, du MIT et de l’Université Columbia ?

Aji : L’équipe QuVET rassemble des chercheurs de premier plan dans des disciplines allant de la physique quantique (UCR et Columbia) et de la chimie quantique (Caltech et Columbia) à la biophysique, la biochimie (MIT et UCR) et les matériaux quantiques (Columbia et UCR). Chaque membre de l’équipe apporte une expertise unique qui couvre stratégiquement une large base scientifique. Étant donné que les objectifs du centre sont ambitieux et tentent de résoudre un problème transdisciplinaire majeur, il est important que chacun des membres de l’équipe soit un penseur créatif et un scientifique interdisciplinaire.

Q : Pourquoi est-ce le bon moment pour un centre comme celui-ci ?

Gabor : La compréhension théorique et le contrôle expérimental du comportement vibronique sont compliqués par la large gamme de processus physiques qui se produisent également dans des systèmes complexes, tels que les antennes moléculaires de collecte de lumière de la photosynthèse, où les effets vibroniques jouent les rôles les plus importants. En effet, un traitement quantique complet des effets vibroniques n’existe pas.

La biologie, la physique et la chimie convergent à l’échelle atomique et moléculaire, où la mécanique quantique devient beaucoup plus importante qu’à grande échelle. À mesure que nos technologies de recherche ont progressé – et que nous étudions collectivement les molécules et les matériaux à des échelles de plus en plus petites – de plus en plus d’études indiquent que la mécanique quantique est un moyen de comprendre les comportements émergents.

Récemment, il a été découvert que le mouvement vibratoire des atomes joue un rôle essentiel non seulement dans l’efficacité remarquablement élevée des organismes photosynthétiques, mais aussi dans l’efficacité du transfert d’énergie dans les matériaux électroniques. Nos projets sont parmi les premiers à explorer la capacité d’ingénierie de l’interaction entre le mouvement vibratoire et les états électroniques, annonçant une nouvelle ère de la science quantique.

Nous pensons que la vibronique quantique aura un impact majeur sur la science fondamentale et la technologie impliquant à la fois la biologie/biochimie des processus quantiques dans la détection de la lumière et la compréhension des nouvelles propriétés optoélectroniques dans les matériaux quantiques – deux domaines à la pointe de la recherche fondamentale au sein du DoD.

Q : Qu’est-ce qui distingue ce centre des autres centres similaires ailleurs ?

Aji : Actuellement, aucun autre centre ne se concentre fortement sur les effets vibroniques et les technologies futures possibles qui résulteraient d’une compréhension approfondie des phénomènes vibroniques quantiques.

QuVET adopte une approche multidisciplinaire très forte des défis que nous avons décrits ici. Les effets vibroniques se produisent à de nombreux endroits dans la nature et leur compréhension complète nécessite une combinaison très spéciale de personnes et d’expertise.

Q : Qu’espérez-vous que ce centre accomplira ?

Gabor : J’espère que ce centre marquera un pivot vers la science transdisciplinaire à l’UCR. Avec des ressources engagées judicieusement, l’UCR pourrait être le leader dans les sujets émergents où la mécanique quantique décrit l’interface entre la physique, la chimie, la biologie et l’ingénierie.

Matière noire, dimensions cachées : l’ETL prêt à relever le défi

Matière noire, dimensions cachées : l'ETL prêt à relever le défi

Une équipe de physiciens américains, dirigée par Wei Li, s’est vue attribuer une subvention de 15,5 millions de dollars sur cinq ans par le Bureau de la physique nucléaire du Département de l’énergie des États-Unis (DOE) dans le cadre du programme Compact Muon Solenoid (CMS) ou Solénoïde compact pour muons.

L’expérience CMS est l’un des deux grands détecteurs de physique des particules polyvalents construits sur le Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN, l’organisation européenne pour la recherche nucléaire située à la frontière entre la France et la Suisse.

L’équipe du Rice comprend le chercheur principal associé Frank Geurts et les chercheurs Nicole Lewis et Mike Matveev. Sous la direction de Li, un effort collaboratif entre le Rice, le Massachusetts Institute of Technology, l’Oak Ridge National Lab, l’University of Illinois Chicago et l’University of Kansas sera entrepris pour développer un détecteur de synchronisation au silicium ultra-rapide appelé endcap timing layer (ETL).

Cette technologie de pointe constitue un élément crucial des mises à niveau de l’expérience CMS et est sur le point de bousculer notre compréhension de la physique fondamentale.

L’ETL, outil pour l’étude le plasma quark-gluon et la force nucléaire forte

Selon Wei Li, professeur de physique et d’astronomie à Rice, « L’ETL permettra des avancées scientifiques dans le domaine des collisions d’ions lourds, nous permettant d’explorer les propriétés d’un nouvel état remarquable de la matière appelé plasma quark-gluon. Cela offre à son tour des informations précieuses sur la force nucléaire forte qui lie les particules au cœur de la matière. »

Les caractéristiques clés de l’ETL comprennent deux disques de chaque côté du détecteur CMS, représentant la moitié de l’ensemble du projet international ETL et offrant une résolution temporelle de 30 picosecondes par particule. Le détecteur permettra des capacités d’identification des particules sans précédent grâce à des mesures précises du temps de vol, contribuant au Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité (HL-LHC), une mise à niveau du LHC qui devrait être lancée en 2029.

Nicole Lewis, Mike Matveev, le professeur Wei Le et Frank Geurts. Photo avec l’aimable autorisation de l’Université de Rice.

HL-LHC : luminosité accrue pour des découvertes scientifiques

Le HL-LHC fonctionnera à environ 10 fois la luminosité de la configuration d’origine du collisionneur. L’augmentation de la luminosité produit plus de données, permettant aux physiciens d’étudier les mécanismes connus de manière plus détaillée et d’observer de nouveaux phénomènes rares qui pourraient se révéler. Par exemple, le HL-LHC produira au moins 15 millions de bosons de Higgs par an, contre environ trois millions collectés lors du fonctionnement du LHC en 2017.

Une fois achevé, l’ETL permettra d’étudier un large éventail de phénomènes physiques, notamment l’étude du plasma quark-gluon, la recherche du boson de Higgs, mais aussi les dimensions supplémentaires et les particules qui pourraient constituer la matière noire.

Un projet aux retombées scientifiques majeures

Au-delà de son impact sur le LHC, les résultats du projet ETL ont un potentiel considérable de synergie avec d’autres installations de pointe comme le collisionneur électron-ion au Brookhaven National Laboratory du DOE à Long Island, New York. Le projet est destiné à façonner le paysage scientifique de la prochaine décennie.

Un conversation quantique avec des disques magnétiques

Un conversation quantique avec des disques magnétiques

Les ordinateurs quantiques offrent des perspectives prometteuses pour résoudre certains des problèmes les plus complexes auxquels l’humanité est confrontée aujourd’hui. Si une grande attention a été portée sur le calcul de l’information quantique, la transduction de l’information au sein des réseaux quantiques est tout aussi cruciale pour concrétiser le potentiel de cette nouvelle technologie.

Une équipe de recherche du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) propose une nouvelle approche pour transduire l’information quantique, en manipulant des bits quantiques, appelés qubits, grâce au champ magnétique des magnons – des excitations ondulatoires dans un matériau magnétique – qui se produisent dans des disques magnétiques microscopiques.

Les défis de la construction d’un ordinateur quantique universel

La construction d’un ordinateur quantique programmable et universel est l’un des défis les plus complexes en matière d’ingénierie et de science de notre époque. La réalisation d’un tel ordinateur offre un grand potentiel pour divers secteurs industriels tels que la logistique, la finance et la pharmacie. La construction d’un ordinateur quantique pratique a été toutefois entravée par la fragilité intrinsèque du stockage et du traitement de l’information dans cette technologie.

L’information quantique est encodée dans des qubits, qui sont extrêmement sensibles au bruit de leur environnement. De minuscules fluctuations thermiques, une fraction de degré, pourraient totalement perturber le calcul. Cela a incité les chercheurs à répartir les fonctionnalités des ordinateurs quantiques entre différents modules distincts, dans le but de réduire les taux d’erreur et de tirer parti des avantages complémentaires de leurs composants.

Les chercheurs du HZDR ont réussi à générer des excitations ondulatoires dans un disque magnétique – appelées magnons – pour manipuler spécifiquement des qubits de taille atomique dans du carbure de silicium. Cela pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour la transduction d’informations dans les réseaux quantiques. Credit : HZDR / Mauricio Bejarano

La transduction de l’information quantique par les magnons

Mauricio Bejarano, chercheur au HZDR et premier auteur de la publication, souligne : « Cependant, cela pose le problème du transfert de l’information quantique entre les modules d’une manière qui ne perde pas l’information. Notre recherche se situe précisément dans cette niche spécifique, la transduction de la communication entre différents modules quantiques. »

La méthode actuellement établie pour transférer l’information quantique et adresser les qubits est l’utilisation d’antennes micro-ondes. C’est l’approche utilisée par Google et IBM dans leurs puces supraconductrices, la plateforme technologique à l’avant-garde de cette course quantique. « Nous, en revanche, adressons les qubits avec des magnons », explique le physicien du HZDR Helmut Schultheiß, qui a supervisé les travaux.

« On peut les considérer comme des ondes d’excitation magnétique qui traversent un matériau magnétique. L’avantage ici est que la longueur d’onde des magnons se situe dans la gamme des micromètres et est nettement plus courte que les ondes centimétriques de la technologie micro-ondes conventionnelle. Par conséquent, l’empreinte micro-ondes des magnons prend moins de place dans la puce. »

Un diviseur de fréquence sophistiqué

Le groupe du HZDR a étudié l’interaction des magnons et des qubits formés par des lacunes d’atomes de silicium dans la structure cristalline du carbure de silicium, un matériau couramment utilisé dans l’électronique de puissance. Ces types de qubits sont généralement appelés qubits de spin, étant donné que l’information quantique est encodée dans l’état de spin de la lacune.

Mais comment les magnons peuvent-ils être utilisés pour contrôler ces types de qubits ? « Typiquement, les magnons sont générés avec des antennes micro-ondes. Cela pose le problème qu’il est très difficile de séparer l’excitation micro-ondes provenant de l’antenne de celle provenant des magnons », explique Mauricio Bejarano.

Pour isoler les micro-ondes des magnons, l’équipe du HZDR a utilisé un phénomène magnétique exotique observable dans des disques magnétiques microscopiques d’un alliage nickel-fer. « En raison d’un processus non linéaire, certains magnons à l’intérieur du disque possèdent une fréquence beaucoup plus basse que la fréquence d’excitation de l’antenne. Nous manipulons les qubits uniquement avec ces magnons de fréquence inférieure. »

L’équipe de recherche souligne qu’elle n’a pas encore effectué de calculs quantiques. Cependant, elle a montré qu’il est fondamentalement possible d’adresser les qubits exclusivement avec des magnons.

Exploiter la puissance des magnons

Helmut Schultheiß insiste : « À ce jour, la communauté de l’ingénierie quantique n’a pas encore réalisé que les magnons peuvent être utilisés pour contrôler les qubits. Mais nos expériences démontrent que ces ondes magnétiques pourraient effectivement être utiles. »

Afin de développer davantage leur approche, l’équipe prépare déjà ses plans futurs : elle veut essayer de contrôler plusieurs qubits individuels étroitement espacés de manière à ce que les magnons servent de médiateur à leur processus d’intrication – une condition préalable à l’exécution de calculs quantiques.

Leur vision est qu’à long terme, les magnons pourraient être excités par des courants électriques directs avec une telle précision qu’ils adresseraient spécifiquement et exclusivement un seul qubit dans un réseau de qubits. Cela permettrait d’utiliser les magnons comme un bus quantique programmable pour adresser les qubits de manière extrêmement efficace.

Bien qu’il reste encore beaucoup de travail à faire, les recherches du groupe soulignent que la combinaison des systèmes magnoniques avec les technologies quantiques pourrait fournir des informations utiles pour le développement d’un ordinateur quantique pratique à l’avenir.

Légende illustration : Les chercheurs du HZDR ont réussi à générer des excitations ondulatoires dans un disque magnétique – appelées magnons – pour manipuler spécifiquement des qubits de taille atomique dans du carbure de silicium. Cela pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour la transduction d’informations dans les réseaux quantiques.

Article : “Parametric magnon transduction to spin qubits” – DOI: 10.1126/sciadv.adi2042 

Dites bonjour aux microplastiques biodégradables

Dites bonjour aux microplastiques biodégradables

Les microplastiques, ces fragments minuscules et presque indestructibles issus des produits en plastique du quotidien, suscitent des inquiétudes au fur et à mesure que les recherches progressent. Déjà bien documentés dans nos océans et nos sols, nous les découvrons maintenant dans les endroits les plus improbables : nos artères, nos poumons et même les placentas. La recherche d’alternatives viables aux plastiques traditionnels à base de pétrole et aux microplastiques n’a jamais été aussi cruciale.

Une nouvelle étude menée par des scientifiques de l’Université de Californie à San Diego et de l’entreprise de science des matériaux Algenesis montre que leurs polymères à base de plantes se biodégradent, même au niveau microplastique, en moins de sept mois.

Le professeur de chimie et de biochimie Michael Burkart, l’un des auteurs de l’article et cofondateur d’Algenesis, souligne l’importance de cette découverte : « Nous commençons tout juste à comprendre les implications des microplastiques. Nous n’avons fait qu’effleurer la surface pour connaître les impacts environnementaux et sanitaires. Nous essayons de trouver des substituts aux matériaux existants et de nous assurer que ces substituts se biodégraderont à la fin de leur vie utile au lieu de s’accumuler dans l’environnement. Ce n’est pas facile. »

Des tests concluants

Pour tester la biodégradabilité de leur produit, l’équipe a broyé le matériau en fines microparticules et a utilisé trois outils de mesure différents pour confirmer que, placé dans un compost, le matériau était digéré par les microbes. Les résultats ont montré que le polymère à base de plantes correspondait à la cellulose, considérée comme la référence industrielle en matière de biodégradabilité à 100 %.

Le comptage des particules de microplastiques à base de pétrole (EVA) et à base de plantes (TPU-FC1) montre qu’au fil du temps, les EVA ne présentent pratiquement aucune biodégradation, tandis que les TPU ont pratiquement disparu au 200e jour. Crédit : Algenesis Corporation

Après 90 jours, seulement 32 % des microplastiques à base d’algues ont été récupérés, montrant que plus des deux tiers s’étaient biodégradés. Après 200 jours, seulement 3 % ont été récupérés, indiquant que 97 % avaient disparu. En comparaison, près de 100 % des microplastiques à base de pétrole ont été récupérés après 200 jours, ce qui signifie qu’aucun ne s’était biodégradé.

Un long chemin vers la viabilité

Créer une alternative écologique aux plastiques à base de pétrole n’est qu’une partie du long chemin vers la viabilité. Le défi constant est de pouvoir utiliser le nouveau matériau sur des équipements de fabrication préexistants, initialement conçus pour le plastique traditionnel. Algenesis progresse dans ce domaine en s’associant à plusieurs entreprises pour fabriquer des produits utilisant les polymères à base de plantes développés à l’UC San Diego, notamment Trelleborg pour les tissus enduits et RhinoShield pour la production d’étuis de téléphone portable.

Comme le souligne le professeur Burkart, « Quand nous avons commencé ce travail, on nous a dit que c’était impossible. Maintenant, nous voyons une réalité différente. Il y a encore beaucoup de travail à faire, mais nous voulons donner de l’espoir aux gens. C’est possible. »

Article : “Rapid biodegradation of microplastics generated from bio-based thermoplastic polyurethane” – DOI: 10.1038/s41598-024-56492-6

Des chercheurs multiplient par 55 l’efficacité de l’électrolyse grâce au nickel

Des chercheurs multiplient par 55 l'efficacité de l'électrolyse grâce au nickel

La production d’hydrogène par électrolyse de l’eau est une technologie prometteuse pour un avenir énergétique plus propre. Cependant, les défis liés à l’efficacité et aux coûts de production ont freiné son développement. Une équipe de chercheurs de l’Université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH) a récemment publié une étude qui pourrait changer la donne.

L’équipe de recherche collaborative, composée du professeur Jong Kyu Kim, de Jaerim Kim, doctorante, du professeur Yong-Tae Kim et du docteur Sang-Mun Jung du département des sciences et de l’ingénierie des matériaux de POSTECH, a réussi à développer un catalyseur économique et efficace pour l’électrolyse de l’eau.

Les limites des catalyseurs conventionnels

Les processus d’électrolyse de l’eau utilisent généralement des métaux précieux coûteux comme le platine en tant que catalyseurs pour la production d’hydrogène, ce qui rend le processus excessivement onéreux. De plus, l’utilisation de catalyseurs conventionnels en couche mince entraîne souvent une séparation inadéquate des bulles d’hydrogène, bloquant les sites actifs du catalyseur ou entravant le mouvement des réactifs, diminuant ainsi l’efficacité du processus.

Pour surmonter ces obstacles, l’équipe de recherche s’est tournée vers la méthode de dépôt à angle oblique et le nickel. Cette technique permet de créer facilement diverses nanostructures du matériau en inclinant le substrat pendant le dépôt, offrant une solution simple et peu coûteuse. De plus, le nickel est un catalyseur abondant et non précieux sur Terre, démontrant une efficacité relativement élevée dans la production d’hydrogène.

Des nanostructures innovantes pour une meilleure efficacité

L’équipe a utilisé la méthode de dépôt à angle oblique pour synthétiser du nickel présentant des protubérances de nanorods verticalement alignés finement conçus. Contrairement aux nanostructures conventionnelles qui augmentent simplement la surface du catalyseur, les chercheurs ont conçu un réseau de nanorods de nickel hautement poreux, présentant des propriétés de surface superaérophobe uniques pour résoudre les problèmes d’adhérence de l’hydrogène.

Les résultats expérimentaux ont révélé que les bulles d’hydrogène générées pendant le processus d’électrolyse présentaient une séparation accélérée de la surface superaérophobe. Le catalyseur de nanorods de nickel tridimensionnel superaérophobe de l’équipe, avec des canaux poreux efficaces, a démontré une amélioration remarquable de 55 fois de l’efficacité de production d’hydrogène par rapport à une quantité équivalente de nickel dans une structure de film mince traditionnelle.

Vers une économie de l’hydrogène et une société neutre en carbone

Le professeur Jong Kyu Kim et la doctorante Jaerim Kim, qui dirigent la recherche, ont expliqué : « En améliorant l’efficacité du processus d’électrolyse de l’eau pour la production d’hydrogène vert, nous progressons vers une économie de l’hydrogène et une société neutre en carbone. »

Ils ont ajouté que cette percée ne profite pas seulement à l’électrolyse de l’eau, mais est également prometteuse pour diverses autres applications d’énergie renouvelable où les réactions de surface jouent un rôle crucial, telles que la réduction du dioxyde de carbone et les systèmes de conversion de l’énergie lumineuse.

Article : “Efficient Alkaline Hydrogen Evolution Reaction Using Superaerophobic Ni Nanoarrays with Accelerated H2 Bubble Release” – DOI: 10.1002/adma.202305844

Cette étude a été financée par le Programme de développement technologique de l’innovation en matière d’énergie hydrogène, le Programme d’établissement d’une fondation de coopération internationale. Cooperation Foundation, le Future Innovation Infrastructure Research for Radiology Program et le Future Material Discovery Program de Corée.

Les certifications écologiques dans le matériel électrique

Les certifications écologiques dans le matériel électrique

Les certifications écologiques sont devenues des outils incontournables pour guider les choix des consommateurs et encourager les fabricants à concevoir des produits plus respectueux de l’environnement. Dans le secteur du matériel électrique, fortement consommateur de ressources et générateur de déchets, ces labels jouent un rôle important pour identifier les appareils les plus vertueux sur le plan écologique.

L’importance croissante des certifications écologiques

Alors que l’urgence climatique et raréfaction des ressources s’accentuent, les consommateurs accordent une attention croissante à l’impact environnemental de leurs achats. Les écolabels répondent à cette attente en proposant une information claire et fiable sur les performances écologiques des appareils électriques. Ils permettent d’identifier les produits les plus respectueux de l’environnement et incitent les fabricants à intégrer des critères d’éco-conception dans leur processus de production.

En France, plusieurs certifications ont émergé ces dernières années dans le secteur du matériel électrique. Elles évaluent les produits selon différents critères comme la consommation d’énergie (lire cette page) *, la durabilité, la recyclabilité ou encore l’utilisation de matériaux écologiques. Ces labels offrent aux consommateurs des repères précieux pour faire des choix éclairés et responsables.

Les principales certifications écologiques pour le matériel électrique

Parmi les labels les plus reconnus en France, on peut citer l’Écolabel Européen, créé en 1992 et attribué par l’ADEME (Agence de la transition écologique). Ce label garantit qu’un produit a un impact réduit sur l’environnement tout au long de son cycle de vie, de la fabrication à la fin de vie en passant par l’usage. Il prend en compte de multiples critères comme l’efficacité énergétique, la durabilité, la limitation des substances dangereuses ou encore l’emballage.

Autre certification de référence, le label EPEAT (Electronic Product Environmental Assessment Tool) évalue spécifiquement les équipements électroniques selon 51 critères de performance environnementale et énergétique. Développé aux États-Unis, ce label est de plus en plus utilisé en France. Il comporte trois niveaux (Or, Argent et Bronze) en fonction du nombre de critères remplis.

Enfin, le label énergétique de l’UE, obligatoire pour de nombreux appareils électroménagers et électroniques, classe les produits de A à G selon leur efficacité énergétique. Régulièrement renforcé, il permet aux consommateurs d’identifier facilement les appareils les moins énergivores.

Les avantages pour les consommateurs et les entreprises

Les certifications écologiques présentent de nombreux bénéfices pour les consommateurs. Elles leur permettent de repérer d’un coup d’œil les produits les plus performants sur le plan environnemental, sans avoir à éplucher les caractéristiques techniques. En choisissant des appareils labellisés, les particuliers sont en mesure de réduire leur facture d’électricité, d’allonger la durée de vie de leurs équipements et de limiter leur empreinte écologique. C’est donc un excellent moyen de concilier respect de l’environnement, économies et qualité.

Pour les entreprises, proposer des produits certifiés constitue un argument commercial de poids et un facteur de différenciation sur un marché très concurrentiel. Cela démontre leur engagement en faveur du développement durable et renforce leur image de marque auprès de consommateurs de plus en plus sensibles à ces enjeux. Les certifications incitent aussi les fabricants à innover pour mettre sur le marché des appareils toujours plus économes en ressources et en énergie.

Au-delà des bénéfices individuels, le développement des certifications écologiques dans le secteur électrique contribue à la transition vers une économie plus circulaire et bas carbone. En encourageant l’éco-conception et l’allongement de la durée de vie des appareils, ces labels favorisent une utilisation plus raisonnée des ressources et participent à la réduction des déchets électroniques, qui représentent un défi environnemental majeur.

* Il est possible de retrouver toute une gamme complète d’instruments de mesure électrique sur le site d’Enolec.

Une dynamique des dimensions synthétiques pour manipuler la lumière

Une dynamique des dimensions synthétiques pour manipuler la lumière

Les dimensions synthétiques (DS) ont émergé comme l’un des domaines de recherche les plus actifs en physique, offrant une voie pour explorer des phénomènes dans des espaces de dimensions supérieures, au-delà de notre espace géométrique conventionnel en 3D. Ce concept a suscité une attention considérable, en particulier dans le domaine de la photonique topologique, en raison de son potentiel à dévoiler une physique riche, inaccessible dans les dimensions traditionnelles.

Les défis des structures de réseau complexes en 3D

L’un des principaux défis dans l’espace conventionnel en 3D est la réalisation expérimentale de structures de réseau complexes avec des couplages spécifiques. Les DS offrent une solution en fournissant une plateforme plus accessible pour créer des réseaux complexes de résonateurs avec des couplages anisotropes, à longue portée ou dissipatifs.

Cette capacité a déjà conduit à des démonstrations révolutionnaires de l’enroulement topologique non hermitien, de la symétrie parité-temps et d’autres phénomènes. Une variété de paramètres ou de degrés de liberté au sein d’un système, tels que les modes de fréquence, les modes spatiaux et les moments angulaires orbitaux, peuvent être utilisés pour construire des DS, prometteurs pour des applications dans divers domaines allant des communications optiques aux lasers à isolant topologique.

Vers des réseaux de résonateurs “utopiques”

Un objectif clé dans ce domaine est la construction d’un réseau «utopique» de résonateurs où n’importe quelle paire de modes peut être couplée de manière contrôlée. Pour atteindre cet objectif, il est nécessaire de manipuler précisément les modes dans les systèmes photoniques, offrant des possibilités d’améliorer la transmission de données, l’efficacité de la récupération d’énergie et la luminance des réseaux laser.

Récemment, comme rapporté dans Advanced Photonics, une équipe internationale de chercheurs a créé des réseaux personnalisables de guides d’ondes pour établir des dimensions modales synthétiques. Cette avancée permet un contrôle efficace de la lumière dans un système photonique, sans nécessiter de caractéristiques supplémentaires compliquées comme la non-linéarité ou la non-hermiticité.

Le professeur Zhigang Chen de l’Université de Nankai note : « La capacité d’ajuster différents modes de lumière au sein du système nous rapproche de la réalisation de réseaux ‘utopiques’, où tous les paramètres d’une expérience sont parfaitement contrôlables. »

Confinement des modes et morphing topologique des modes dans une dimension synthétique conçue par des ANN. (a) Illustration des réseaux de modes avec les bords aberrants des valeurs propres. (a1) Esquisse du réseau de valeurs propres et des modes propres correspondants. La disposition du réseau de couplage dans l’espace réel est calculée par des ANN. (a2) Dynamique de l’évolution des modes en SD ; le point orange dans la colonne de gauche indique le mode excité. (a3) Dynamique de propagation du faisceau correspondant dans l’espace réel. (b) Morphing de mode dans un réseau non trivial conçu par des ANNs. (b1) Illustration du réseau dans l’espace réel et distribution des valeurs propres correspondantes. (b2) Évolution du mode pendant la propagation dans le SD ; les zones ombrées indiquent les blocages de couplage dans les SD dans différentes régions. (b3) Évolution de la lumière dans l’espace réel et transformation en un mode topologique ; le graphique de droite montre la distribution moyenne de l’intensité dans la région du guide d’ondes rectiligne. Crédit : Xia, Lei, et al, doi 10.1117/1.AP.6.2.026005

Utilisation de réseaux de neurones artificiels

Dans leurs travaux, les chercheurs modulent les perturbations («fréquences de tortillement») pour les propagations qui correspondent aux différences entre les différents modes de lumière. Pour ce faire, ils utilisent des réseaux de neurones artificiels (RNA) pour concevoir des réseaux de guides d’ondes dans l’espace réel. Les RNA sont entraînés pour créer des configurations de guides d’ondes qui ont exactement les motifs de mode souhaités. Ces tests aident à révéler comment la lumière se propage et se confine dans les réseaux.

Enfin, les chercheurs démontrent l’utilisation des RNA pour concevoir un type particulier de structure de réseau photonique appelé réseau Su-Schrieffer-Heeger (SSH). Ce réseau possède une caractéristique spécifique permettant le contrôle topologique de la lumière dans l’ensemble du système. Cela leur permet de changer le mode de volume dans lequel la lumière se déplace, mettant en évidence les propriétés uniques de leurs dimensions synthétiques.

Implications et perspectives futures

L’implication de ces travaux est substantielle. En ajustant finement les distances et les fréquences des guides d’ondes, les chercheurs visent à optimiser la conception et la fabrication de dispositifs photoniques intégrés. Le professeur Hrvoje Buljan de l’Université de Zagreb remarque : « Au-delà de la photonique, ce travail offre un aperçu de la physique géométriquement inaccessible. Il est prometteur pour des applications allant du mode laser à l’optique quantique et à la transmission de données. »

Les professeurs Chen et Buljan notent que l’interaction entre la photonique topologique et la photonique à dimension synthétique, renforcée par les RNA, ouvre de nouvelles possibilités de découvertes qui pourraient conduire à des matériaux et des applications de dispositifs sans précédent.

Légende illustration : L’apprentissage en profondeur permet de manipuler la lumière dans une dimension synthétique. Crédit : Xia, Lei, et al., doi 10.1117/1.AP.6.2.026005.

Article : “Deep-learning-empowered synthetic dimension dynamics: morphing of light into topological modes” – DOI: 10.1117/1.AP.6.2.026005

La tornade quantique ouvre la voie à la compréhension des trous noirs

La tornade quantique ouvre la voie à la compréhension des trous noirs

Dans un laboratoire, des scientifiques ont réussi à recréer un phénomène étonnant qui ouvre une fenêtre sur le comportement des trous noirs et leur interaction avec l’environnement. Cette exploration scientifique, à la croisée de la physique quantique et de l’astrophysique, nous invite à plonger dans les profondeurs d’une recherche aussi fascinante qu’innovante.

La création d’un vortex quantique géant

Des chercheurs de l’Université de Nottingham, en collaboration avec le King’s College de Londres et l’Université de Newcastle, ont mis au point une plateforme expérimentale inédite : un tornado quantique. Ils ont généré un vortex tourbillonnant au sein de l’hélium superfluide, refroidi à des températures extrêmement basses.

L’observation des dynamiques ondulatoires infimes à la surface du superfluide a permis à l’équipe de recherche de démontrer que ces tornados quantiques reproduisent les conditions gravitationnelles à proximité des trous noirs en rotation.

Des observations précises grâce à l’hélium superfluide

Le Dr Patrik Svancara, auteur principal de l’étude et membre de l’École des Sciences Mathématiques de l’Université de Nottingham, précise : « L’utilisation de l’hélium superfluide nous a permis d’étudier les petites ondes de surface avec une plus grande précision et exactitude que nos expériences précédentes avec de l’eau. La viscosité extrêmement faible de l’hélium superfluide nous a permis d’examiner minutieusement leur interaction avec le tornado superfluide et de comparer les résultats avec nos projections théoriques. »

Un système cryogénique sur mesure

Les scientifiques ont construit un système cryogénique sur mesure capable de contenir plusieurs litres d’hélium superfluide à des températures inférieures à -271 °C. À cette température, l’hélium liquide acquiert des propriétés quantiques inhabituelles. Ces propriétés empêchent généralement la formation de grands vortex dans d’autres fluides quantiques, comme les gaz atomiques ultrafroids ou les fluides quantiques de lumière. Ce système démontre comment l’interface de l’hélium superfluide agit comme une force stabilisatrice pour ces objets.

Des parallèles avec la gravitation des trous noirs

Le Dr Svancara ajoute : « L’hélium superfluide contient de petits objets appelés vortex quantiques, qui ont tendance à s’éloigner les uns des autres. Dans notre dispositif, nous avons réussi à confiner des dizaines de milliers de ces quanta dans un objet compact ressemblant à une petite tornade, créant un écoulement vortex d’une force sans précédent dans le domaine des fluides quantiques. »

Les chercheurs ont découvert des parallèles intrigants entre l’écoulement du vortex et l’influence gravitationnelle des trous noirs sur l’espace-temps environnant. Cette réalisation ouvre de nouvelles voies pour les simulations de théories quantiques des champs à température finie dans le domaine complexe des espaces-temps courbes.

Une recherche fondamentale soutenue et célébrée

La professeure Silke Weinfurtner, qui dirige les travaux dans le Laboratoire des Trous Noirs où cette expérience a été développée, souligne l’importance de cette recherche : « Lorsque nous avons observé pour la première fois des signatures claires de la physique des trous noirs dans notre expérience analogue initiale en 2017, cela a été un moment décisif pour la compréhension de certains phénomènes étranges qui sont souvent difficiles, sinon impossibles, à étudier autrement. Maintenant, avec notre expérience plus sophistiquée, nous avons porté cette recherche à un niveau supérieur, ce qui pourrait finalement nous permettre de prédire le comportement des champs quantiques dans les espaces-temps courbes autour des trous noirs astrophysiques. »

Cette recherche de pointe est financée par une subvention de 5 millions de livres sterling du Science Technology Facilities Council, répartie entre des équipes de sept institutions britanniques de premier plan, dont l’Université de Nottingham, l’Université de Newcastle et le King’s College de Londres. Le projet a également bénéficié du soutien de la bourse du réseau UKRI sur les simulateurs quantiques pour la physique fondamentale et de la bourse de recherche des leaders du Leverhulme détenue par la professeure Silke Weinfurtner.

Légende illustration : Installation expérimentale dans le laboratoire utilisé pour la recherche sur les trous noirs. (Image : Leonardo Solidoro)

Article : “Rotating curved spacetime signatures from a giant quantum vortex” – DOI: s41586-024-07176-8

Utiliser la navette à électrons pour créer un ordinateur quantique évolutif

Utiliser la navette à électrons pour créer un ordinateur quantique évolutif

La recherche pour élaborer un ordinateur quantique efficace et évolutif est jalonnée de défis techniques et scientifiques. Une récente étude publiée dans Nature Communications apporte un éclairage nouveau sur cette quête, en mettant en lumière une méthode innovante pour la manipulation des qubits.

La problématique de l’évolutivité dans l’informatique quantique

Contrairement aux puces de silicium des ordinateurs classiques, les puces quantiques ne peuvent être simplement agrandies pour augmenter leur capacité. Les qubits, éléments de base de l’ordinateur quantique, doivent être suffisamment proches pour se coupler, mais cette proximité devient problématique lorsqu’il s’agit d’intégrer des millions de qubits.

Pour résoudre ce dilemme, des chercheurs de la coopération JARA entre le Forschungszentrum Jülich et l’Université RWTH d’Aix-la-Chapelle, ainsi que de l’Académie polonaise des sciences, ont exploré l’utilisation d’un électron navette pour pallier les contraintes d’espace sur les puces quantiques.

Le fonctionnement de l’électron navette

Dans les qubits à semi-conducteurs, l’information quantique est codée via le spin des électrons situés dans des points quantiques, des structures semi-conductrices à l’échelle nanométrique. L’électron navette permet de capturer ces électrons et de les transporter de manière contrôlée sans perdre l’information quantique.

Les démonstrations antérieures avaient réussi à transporter des électrons sur de courtes distances. La nouvelle étude a amélioré la vitesse de l’électron navette de quatre ordres de grandeur par rapport aux démonstrations précédentes, et a révélé que la cohérence des qubits est étonnamment préservée, voire prolongée, lorsqu’un électron est déplacé sur de plus longues distances.

Ordinateur quantique de bureau. Crédit : Centre de recherche Jülich / Sascha Kreklau

Implications scientifiques et sociales

Les ordinateurs quantiques promettent de résoudre des problèmes hors de portée des superordinateurs actuels. Pour cela, des architectures comportant des milliers, voire des millions, de qubits sont nécessaires. L’étude actuelle suggère que l’intégration d’un électron navette dans des architectures semi-conductrices évolutives représente une voie prometteuse. Cette méthode présente l’avantage d’être compatible avec la production industrielle de portes logiques utilisées pour les puces informatiques classiques.

Ces découvertes pourraient contribuer à la construction d’un prototype fonctionnel d’ordinateur quantique à base de qubits semi-conducteurs.

Légende illustration : Puce quantique à semi-conducteur avec navette quantique développée par la collaboration JARA. Crédit : Mats Volmer

Publication originale : La recherche, dirigée par T. Struck, M. Volmer, L. Visser et leurs collègues, a été publiée sous le titre Spin-EPR-pair separation by conveyor-mode single electron shuttling in Si/SiGe dans la revue Nature Communications. Le document est accessible en ligne et peut être consulté via le lien DOI suivant : https://doi.org/10.1038/s41467-024-45583-7.

Les images 3D révèlent le lien entre la complexité des fissures et la résistance des matériaux

Les images 3D révèlent le lien entre la complexité des fissures et la résistance des matériaux

La compréhension des mécanismes de propagation des fissures dans les solides fragiles est essentielle pour le développement et les tests de matériaux composites sûrs et rentables, utilisés dans la construction, les sports et l’ingénierie aérospatiale. John Kolinski et son équipe du Laboratoire de mécanique des interfaces molles (EMSI) de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) se sont spécialisés dans la capture de la formation de ces motifs complexes, avec des résultats fascinants.

Des fissures en trois dimensions

Contrairement aux approches traditionnelles de la mécanique qui supposent que les fissures sont planes, c’est-à-dire qu’elles se forment sur la surface bidimensionnelle d’un matériau, la plupart des fissures, comme celles dans les solides fragiles du quotidien tels que le verre, se propagent en réseaux tridimensionnels de crêtes et d’autres caractéristiques complexes.

En raison de l’opacité des matériaux et de la vitesse à laquelle se forment les fissures, l’observation de cette complexité en temps réel est extrêmement difficile. Cependant, armés d’un couteau suisse et d’un microscope confocal, Kolinski et son équipe ont réussi à le faire, découvrant une corrélation positive entre la complexité des fissures et la ténacité des matériaux dans le processus.

Une méthode innovante d’imagerie des fissures

Les chercheurs ont créé de très fines tranches de quatre hydrogels différents et d’un élastomère. Transparents et fragiles, mais faciles à déformer et à mesurer sans se briser, les hydrogels ont servi de proxy pour comprendre comment se forment les fissures dans le verre et les plastiques fragiles. L’élastomère était quant à lui un proxy pour des matériaux comme le caoutchouc et les polymères de silicone.

Alors que les fissures expérimentales étaient observées avec un microscope confocal de pointe, elles ont été induites à l’aide d’un couteau suisse standard : l’action de cisaillement des ciseaux de l’appareil a naturellement produit des fissures géométriquement complexes dans les échantillons d’hydrogel. À l’aide d’un appareil personnalisé développé par l’équipe de l’EMSI pour contrôler l’alignement et le chargement des échantillons, une série d’images fluorescentes a été générée avec le microscope confocal, puis empilée pour assembler une carte tridimensionnelle unique de chaque surface de fracture.

Rendu des données 3D du front de fissure dans un hydrogel fragile enregistrées avec un microscope confocal à fluorescence. © EMSI EPFL CC BY SA

Un lien fondamental entre longueur et résistance

Ces expériences ont révélé que l’énergie de déformation nécessaire pour entraîner les fissures des échantillons était directement proportionnelle aux longueurs des pointes de fissure. Cela suggère que la complexité géométrique accrue d’une fissure 3D génère plus de surface de fracture à mesure que la fissure avance, nécessitant ainsi une énergie de déformation supplémentaire pour la faire avancer.

Dans une autre expérience, les chercheurs ont montré comment, lorsqu’une fissure plus lisse s’approchait d’un obstacle rigide intégré dans l’échantillon, la symétrie plane de la fissure était rompue, augmentant à la fois la longueur de la pointe de la fissure et l’énergie nécessaire pour faire avancer la fissure.

Kolinski souligne que ces travaux mettent en évidence l’importance du soin dans la réalisation des tests de matériaux, car on sait maintenant que tout écart géométrique par rapport à un front de fissure plan peut conduire à une mesure erronée – et potentiellement dangereuse – de la ténacité des matériaux.

Légende illustration :Les scientifiques ont provoqué des fissures dans des échantillons d’hydrogel à l’aide d’un couteau suisse standard © EMSI EPFL CC BY SA

Article : “Complexity of crack front geometry enhances toughness of brittle solids” – DOI: 10.1038/s41567-024-02435-x

La technologie des points quantiques au service de la dépollution de l’environnement

La technologie des points quantiques au service de la dépollution de l'environnement

Les points quantiques, ces minuscules objets régis par les lois étranges et complexes de la physique quantique, ont été au cœur du prix Nobel de chimie 2023. Si de nombreux points quantiques utilisés en électronique sont fabriqués à partir de substances toxiques, leurs homologues non toxiques sont désormais développés et explorés pour des applications en médecine et dans l’environnement.

Une équipe de chercheurs se concentre sur les points quantiques à base de carbone et de soufre, les utilisant pour créer des encres invisibles plus sûres et contribuer à la décontamination des ressources en eau.

Des points quantiques non métalliques pour un avenir plus vert

Les points quantiques sont des nanocristaux semi-conducteurs synthétiques qui émettent de la lumière. Ils sont utilisés dans des applications telles que les écrans électroniques et les cellules solaires. « De nombreux points quantiques conventionnels sont toxiques, car ils sont dérivés de métaux lourds », explique Md Palashuddin Sk, professeur assistant de chimie à l’Université musulmane d’Aligarh en Inde. « Nous travaillons donc sur des points quantiques non métalliques, car ils sont respectueux de l’environnement et peuvent être utilisés dans des applications biologiques. »

Le professeur s’est concentré sur la conception de points quantiques à base de carbone et de soufre (Cdots et Sdots, respectivement) pour une variété d’autres applications. « Le carbone et le soufre sont des matériaux très abondants et rentables, et ils peuvent facilement être synthétisés en points quantiques », dit-il. « Vous pouvez fabriquer des points de carbone à partir de déchets, puis les utiliser pour éliminer les polluants – c’est un moyen de boucler la boucle. »

Des points quantiques pour identifier et dégrader les polluants

Md Palashuddin a déjà mis les Cdots et les Sdots au travail de diverses manières, bien que les deux soient des découvertes relativement récentes. Bien que petits, les points ont une grande surface, qui peut facilement être fonctionnalisée pour adapter les points à différentes applications.

Auparavant, l’équipe a conçu des points qui brillaient de différentes couleurs, en fonction des contaminants qu’ils rencontraient. Cela signifie qu’ils pouvaient aider à identifier les contaminants – tels que le plomb, le cobalt et le chrome – dans un échantillon d’eau sans lixivier de nouveaux métaux des points eux-mêmes.

En plus d’identifier les contaminants, les Cdots peuvent aider à décomposer les polluants tels que les pesticides et les colorants dans l’eau. Dans un projet, Md Palashuddin et son collaborateur Amaresh Kumar Sahoo, professeur assistant qui étudie les nanobiotechnologies à l’Institut indien de technologie de l’information, ont formé des Cdots à partir de pelures de pommes de terre, puis les ont montés sur des microrobots conçus pour cibler et dégrader les colorants toxiques dans des échantillons simulant de l’eau polluée.

Vers un traitement efficace des déversements de la pollution fluviale

L’équipe a également développé des méthodes pour éliminer complètement les contaminants de l’eau, plutôt que de simplement les identifier ou les dégrader. Ils ont spécialement conçu des Cdots pour absorber l’huile automobile et explorent actuellement un système de filtration à base de Cdots pour aider à traiter les déversements de pétrole.

Ensuite, les chercheurs prévoient de mettre en pratique leurs découvertes de laboratoire sur le terrain, éventuellement dans le cadre d’un projet axé sur la rivière Yamuna. Cette rivière traverse directement New Delhi et est notoirement contaminée, en particulier dans les zones plus peuplées.

Md Palashuddin espère utiliser les points non métalliques de son équipe pour identifier et séparer les différents polluants de la rivière, notamment les pesticides, les tensioactifs, les ions métalliques, les antibiotiques et les colorants. Idéalement, les points seront fonctionnalisés pour capter le plus grand nombre possible de ces différents contaminants sur leurs surfaces, afin qu’ils puissent ensuite être facilement éliminés.

Des applications prometteuses au-delà du traitement de l’eau

Les utilisations potentielles des points non métalliques ne se limitent pas au traitement de l’eau. Md Palashuddin et ses collègues étudient actuellement des utilisations qui pourraient s’aligner plus étroitement sur les points traditionnels à base de métal, mais sans les problèmes de toxicité.

Par exemple, certains points quantiques émetteurs de lumière développés par l’équipe pourraient être inclus dans des encres invisibles pour aider à prévenir la contrefaçon, ou incorporés dans des dispositifs émetteurs de lumière, y compris les écrans de télévision.

L’équipe espère que ses travaux contribueront à élargir les utilisations des points quantiques non métalliques et à mettre leurs propriétés uniques au service de l’environnement.

Un pas de géant vers l’optimisation des cellules solaires du futur

Un pas de géant vers l'optimisation des cellules solaires du futur

Les cellules solaires à base de pérovskite représentent une nouvelle technologie prometteuse dans le domaine de l’énergie solaire. Les chercheurs travaillent activement au développement de ces cellules innovantes, qui pourraient offrir des performances supérieures aux panneaux solaires traditionnels en silicium, tout en réduisant les coûts de production.

Dans une étude publiée dans la revue Nature Energy, Michael McGehee, chercheur à l’Université du Colorado à Boulder, et ses collaborateurs internationaux ont dévoilé une méthode innovante pour fabriquer des cellules solaires à pérovskite. Cette avancée est cruciale pour la commercialisation de cette technologie, considérée par beaucoup comme la prochaine génération de cellules solaires.

Actuellement, la quasi-totalité des panneaux solaires sont fabriqués à partir de silicium, avec un rendement de 22%. Cela signifie que les panneaux en silicium ne peuvent convertir qu’environ un cinquième de l’énergie solaire en électricité, car ce matériau n’absorbe qu’une partie limitée des longueurs d’onde de la lumière du soleil. De plus, la production de silicium est coûteuse et énergivore.

La pérovskite, un matériau prometteur pour les cellules solaires

La pérovskite, un matériau semi-conducteur synthétique, a le potentiel de convertir une part nettement plus importante de l’énergie solaire que le silicium, et ce, à un coût de production inférieur. « Les pérovskites pourraient changer la donne », a déclaré Michael McGehee, professeur au Département d’ingénierie chimique et biologique et membre de l’Institut des énergies renouvelables et durables de l’Université du Colorado à Boulder.

Les scientifiques testent actuellement les cellules solaires à pérovskite en les empilant sur des cellules traditionnelles en silicium pour créer des cellules tandem. En combinant ces deux matériaux, chacun absorbant une partie différente du spectre solaire, il est possible d’augmenter le rendement des panneaux de plus de 50%.

Un défi majeur : le processus de dépôt de la pérovskite

L’un des principaux défis de la fabrication à grande échelle de cellules solaires à pérovskite réside dans le processus de dépôt du semi-conducteur sur les plaques de verre, qui constituent les éléments de base des panneaux. Actuellement, ce processus doit se dérouler dans une petite boîte remplie de gaz non réactif, comme l’azote, pour éviter que les pérovskites ne réagissent avec l’oxygène, ce qui diminuerait leurs performances.

« C’est acceptable au stade de la recherche. Mais lorsque vous commencez à déposer la pérovskite sur de grandes plaques de verre, il devient de plus en plus difficile de le faire dans une boîte remplie d’azote », a précisé Michael McGehee.

Une solution pour prévenir la réaction avec l’air

L’équipe de Michael McGehee a cherché un moyen d’empêcher cette réaction néfaste avec l’air. Ils ont découvert que l’ajout de formiate de diméthylammonium (DMAFo) à la solution de pérovskite avant le dépôt pouvait prévenir l’oxydation des matériaux. Cette découverte permet de réaliser le dépôt à l’air libre, en dehors de la petite boîte. Les expériences ont montré que les cellules à pérovskite fabriquées avec l’additif DMAFo peuvent atteindre un rendement de près de 25% à elles seules, ce qui est comparable au record actuel de 26% pour les cellules à pérovskite.

L’additif a également amélioré la stabilité des cellules. Les panneaux commerciaux en silicium peuvent généralement conserver au moins 80% de leurs performances après 25 ans, perdant environ 1% de rendement par an. En revanche, les cellules à pérovskite sont plus réactives et se dégradent plus rapidement à l’air. La nouvelle étude a montré que la cellule à pérovskite fabriquée avec le DMAFo conservait 90% de son rendement après que les chercheurs l’aient exposée à une lumière LED imitant la lumière du soleil pendant 700 heures. En comparaison, les cellules fabriquées à l’air sans DMAFo se sont rapidement dégradées après seulement 300 heures.

Vers la commercialisation des cellules solaires à pérovskite

Cette étude rapproche les cellules solaires à pérovskite de la commercialisation. Parallèlement, l’équipe de Michael McGehee développe activement des cellules tandem avec un rendement réel de plus de 30% et une durée de vie opérationnelle identique à celle des panneaux en silicium.

Michael McGehee dirige un partenariat académique-industriel américain appelé TEAMUP (Tandems for Efficient and Advanced Modules using Ultrastable Perovskites).

En collaboration avec des chercheurs de trois autres universités, deux entreprises et un laboratoire national, le consortium a reçu un financement de 9 millions de dollars du Département de l’énergie des États-Unis l’année dernière pour développer des pérovskites tandem stables, utilisables dans le monde réel et commercialement viables. L’objectif est de créer des cellules tandem plus efficaces que les panneaux conventionnels en silicium et tout aussi stables sur une période de 25 ans.

Avec une efficacité accrue et des coûts potentiellement inférieurs, ces cellules tandem pourraient avoir des applications plus larges que les panneaux en silicium existants, notamment une installation potentielle sur les toits des véhicules électriques. Elles pourraient ajouter 25 à 40 kms d’autonomie par jour à une voiture laissée au soleil, ce qui suffirait à couvrir les trajets quotidiens de nombreuses personnes. Les drones et les voiliers pourraient également être alimentés par de tels panneaux.

Après une décennie de recherche sur les pérovskites, les ingénieurs ont construit des cellules à pérovskite aussi efficaces que les cellules en silicium, inventées il y a 70 ans, a déclaré Michael McGehee. « Nous menons les pérovskites jusqu’à la ligne d’arrivée. Si les cellules tandem fonctionnent bien, elles ont certainement le potentiel de dominer le marché et de devenir la prochaine génération de cellules solaires », a-t-il conclu.

Légende illustration : Un technicien installe des panneaux solaires sur le toit du bâtiment qui abrite le Centre pour l’innovation et la créativité de l’université du Colorado à Boulder. (Crédit : Glenn Asakawa/Université du Colorado)

Article : “Inhibition of halide oxidation and deprotonation of organic cations with dimethylammonium formate for air-processed p–i–n perovskite solar cells” – DOI: 10.1038/s41560-024-01471-4 

Des signaux micro-ondes de haute qualité générés à partir d’une minuscule puce photonique

Des signaux micro-ondes de haute qualité générés à partir d'une minuscule puce photonique

La miniaturisation des technologies reste un enjeu majeur de notre époque, touchant de nombreux domaines, de la communication à la navigation. Un progrès dans ce domaine vient d’être réalisé par des chercheurs de l’Université Columbia, qui ont conçu une puce photonique capable de générer des signaux micro-ondes de haute qualité avec un niveau de bruit extrêmement faible.

Une innovation majeure dans la photonique intégrée

Les chercheurs de l’École d’ingénierie de Columbia ont développé une puce photonique qui, grâce à l’utilisation d’un unique laser, produit des signaux micro-ondes d’une qualité exceptionnelle et d’un niveau de bruit ultra-faible. Cette puce, d’une taille si réduite qu’elle pourrait se poser sur la pointe d’un crayon bien taillé, a permis d’atteindre le niveau de bruit micro-ondes le plus bas jamais observé sur une plateforme photonique intégrée.

Le dispositif compact offre une voie prometteuse vers la génération de micro-ondes ultra-faibles en bruit pour des applications telles que les communications à haute vitesse, les horloges atomiques et les véhicules autonomes.

Le défi technologique relevé

Les dispositifs électroniques utilisés pour la navigation globale, les communications sans fil, le radar et la synchronisation de précision nécessitent des sources de micro-ondes stables pour servir d’horloges et de vecteurs d’information. Un aspect clé pour améliorer la performance de ces dispositifs est la réduction du bruit, ou des fluctuations aléatoires de phase, présentes sur le signal micro-ondes.

« Au cours de la dernière décennie, une technique connue sous le nom de division de fréquence optique a permis de générer les signaux micro-ondes les moins bruyants à ce jour », explique Alexander Gaeta, professeur de physique appliquée et de science des matériaux, ainsi que professeur de génie électrique à l’Université Columbia. « Habituellement, un tel système nécessite plusieurs lasers et un volume relativement important pour contenir tous les composants. »

La division de fréquence optique, une méthode de conversion d’un signal haute fréquence en une fréquence plus basse, est une innovation récente pour la génération de micro-ondes où le bruit a été fortement supprimé. L’encombrement de ces systèmes les empêche d’être utilisés pour des applications de détection et de communication miniaturisées qui exigent des sources de micro-ondes plus compactes.

« Nous avons réalisé un dispositif capable d’effectuer la division de fréquence optique entièrement sur une puce dans une zone aussi petite que 1 mm² en utilisant seulement un laser », ajoute Alexander Gaeta. « Nous démontrons pour la première fois le processus de division de fréquence optique sans avoir besoin d’électronique, simplifiant grandement la conception du dispositif. »

L’approche novatrice

Le groupe de Gaeta est spécialisé dans la photonique quantique et non linéaire, ou comment la lumière laser interagit avec la matière. Les domaines d’intérêt incluent la nanophotonique non linéaire, la génération de peignes de fréquences, les interactions d’impulsions ultra-rapides intenses et la génération et le traitement des états quantiques de la lumière.

Dans cette étude, son groupe a conçu et fabriqué un dispositif tout-optique sur puce qui génère un signal micro-ondes de 16 GHz avec le bruit de fréquence le plus bas jamais atteint sur une plateforme de puce intégrée. Le dispositif utilise deux micro-résonateurs en nitrure de silicium qui sont couplés photoniquement.

Un laser à fréquence unique alimente les deux micro-résonateurs. L’un est utilisé pour créer un oscillateur paramétrique optique, qui convertit l’onde d’entrée en deux ondes de sortie – l’une de fréquence supérieure et l’autre inférieure. L’espacement des fréquences des deux nouvelles ondes est ajusté pour être dans le régime térahertz. En raison des corrélations quantiques de l’oscillateur, le bruit de cette différence de fréquence peut être des milliers de fois inférieur au bruit de l’onde laser d’entrée.

Le second micro-résonateur est ajusté pour générer un peigne de fréquences optiques avec un espacement micro-ondes. Une petite quantité de lumière de l’oscillateur est ensuite couplée au générateur de peigne, conduisant à la synchronisation de la fréquence du peigne micro-ondes avec l’oscillateur térahertz qui résulte automatiquement en une division de fréquence optique.

L’impact potentiel

L’œuvre du groupe de Gaeta représente une approche simple et efficace pour réaliser la division de fréquence optique dans un emballage petit, robuste et hautement portable. Les résultats ouvrent la porte à des dispositifs à l’échelle de la puce qui peuvent générer des signaux micro-ondes stables et purs comparables à ceux produits dans les laboratoires effectuant des mesures de précision.

« À terme, ce type de division de fréquence tout-optique conduira à de nouvelles conceptions de dispositifs de télécommunication futurs », a-t-il déclaré. « Cela pourrait également améliorer la précision des radars micro-ondes utilisés pour les véhicules autonomes. »

Légende illustration : Schéma de haut niveau de la puce photonique intégrée, développée par le laboratoire Gaeta, pour la division de fréquence optique tout optique, ou OFD – une méthode de conversion d’un signal à haute fréquence en une fréquence plus basse. Crédit : Yun Zhao/Columbia Engineering

Article : “All-optical frequency division on-chip using a single laser” – DOI: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07136-2

Batterie à l’état solide : Une qualité 2 fois supérieure grâce à des processus rationalisés

Batterie à l'état solide : Une qualité 2 fois supérieure grâce à des processus rationalisés

La recherche scientifique continue de façonner l’avenir de la technologie des batteries, avec des implications profondes pour la sécurité et l’efficacité énergétique. Une étude récente publiée par le Institut coréen de recherche en électrotechnologie (KERI) illustre une avancée dans ce domaine, ouvrant la voie à une nouvelle génération de batteries solides plus sûres et plus performantes.

Le KERI a publié une étude dans le journal Energy Storage Materials. Cette recherche marque un tournant vers la commercialisation des batteries tout-solide, qui se distinguent par leur absence de risque d’explosion et d’incendie.

Le Dr. Park Jun-woo, du Centre de Recherche sur les Batteries de Nouvelle Génération de KERI, et Sung Junghwan, chercheur étudiant au campus UST KERI, ont mis au point une technologie permettant la synthèse chimique humide à taille contrôlée des électrolytes solides (conducteurs superioniques sulfure). Cette technologie réduit de plus de 50% le temps et le coût de traitement, tout en doublant la qualité des électrolytes produits.

Les batteries tout-solide : une sécurité renforcée

Les batteries tout-solide utilisent des électrolytes solides au lieu de leurs homologues liquides pour le transfert d’ions entre la cathode (+) et l’anode (-), réduisant considérablement le risque d’incendie ou d’explosion. Pour être intégrés dans les batteries tout-solide, en particulier dans la cathode, les électrolytes solides doivent être extrêmement petits, de l’ordre de quelques micromètres, soit environ cent fois moins épais qu’un cheveu humain.

Le Dr Park Jun-woo (au centre) de l’équipe du KERI pose avec un électrolyte solide préparé par un procédé de synthèse humide et un prototype de batterie à l’état solide qui l’utilise. Crédit : KERI

KERI a développé une technologie capable de produire en masse ces petits électrolytes solides avec une conductivité ionique accrue grâce à un processus simplifié. Contrairement aux méthodes existantes, qui produisent souvent des électrolytes solides de grande taille nécessitant des processus supplémentaires comme le broyage mécanique, l’approche de KERI réduit les coûts et le temps associés à ces processus. De plus, elle élimine la dégradation des performances des électrolytes solides causée par le broyage, un obstacle majeur à leur commercialisation.

Une méthode de synthèse innovante

L’équipe du Dr. Park a utilisé des matières premières microscopiques, telles que le sulfure de lithium, et a contrôlé méticuleusement le taux de nucléation de chaque matériau pendant les réactions chimiques, aboutissant à des produits nettement réduits en taille. Cette approche novatrice permet la production d’électrolytes solides fins grâce à une technique de synthèse humide directe, sans processus complexes.

La maîtrise de la composition chimique a permis d’atteindre une conductivité ionique remarquable, plus que doublant celle obtenue par les méthodes de production d’électrolytes solides existantes (synthèse à sec et broyage par fraisage à haute énergie) (de 2 mS/cm à 4.98 mS/cm).

Cette découverte est le fruit de nombreuses années d’expérimentations et d’analyses par l’équipe de recherche de KERI, qui a trouvé la combinaison idéale après avoir testé d’innombrables matériaux.

Le Dr Park Jun-woo (en bas à gauche) et son équipe du KERI posent avec l’électrolyte solide préparé par le processus de synthèse par voie humide et le prototype d’une batterie à l’état solide qui l’utilise. Crédit : KERI

Impact et perspectives de commercialisation

Le Dr. Park de KERI a déclaré : “En sélectionnant les bons matériaux et en contrôlant de manière fiable les réactions chimiques, nous avons pu contourner les processus complexes et coûteux habituellement utilisés pour raffiner les électrolytes solides, en optant pour un ‘processus simple’. Malgré sa simplicité, les électrolytes solides résultants présentent une qualité nettement améliorée, répondant aux exigences d’efficacité et d’accessibilité commerciale pour la production de masse et la commercialisation.

KERI a déposé de nombreuses demandes de brevet pour cette réalisation, anticipant un intérêt considérable de l’industrie des batteries tout-solide. L’institut prévoit de conclure des accords de transfert de technologie avec des entreprises intéressées.

De plus, KERI vise à combiner cette réussite avec un développement antérieur – une technique de synthèse humide spéciale conçue pour produire en masse des électrolytes solides à un dixième du coût des matières premières, en utilisant un additif spécial breveté. Cette stratégie positionnera KERI comme un leader dans la production de masse à faible coût d’électrolytes solides de haute qualité.

Légende illustration : Poudre d’électrolyte solide (à gauche) produite par le procédé de synthèse par voie humide du KERI et prototype d’une batterie à l’état solide utilisant cette poudre. Crédit : KERI

Article : “Size-controlled wet-chemical synthesis of sulfide superionic conductors for high-performance all-solid-state batteries” – DOI: 10.1016/j.ensm.2024.103253

Un matériau pour les cellules solaires à pérovskite améliore leur stabilité et leur efficacité

Un matériau pour les cellules solaires à pérovskite améliore leur stabilité et leur efficacité

L’énergie solaire, considérée comme l’une des sources d’énergie les plus propres et les plus abondantes, est au cœur des recherches visant à optimiser son exploitation. Une équipe de chimistes de l’Université de Technologie de Kaunas (KTU), en Lituanie, a récemment développé un matériau novateur destiné aux cellules solaires à pérovskite, marquant ainsi un pas de plus vers l’amélioration de l’efficacité et de la stabilité de ces dispositifs.

Les cellules solaires à pérovskite (PSC) captent l’attention de la communauté photovoltaïque grâce à leur remarquable efficacité de conversion d’énergie. Leur potentiel de production à faible coût, à partir de matières premières abondantes, les positionne comme une technologie photovoltaïque d’avenir. Toutefois, la stabilité à long terme des dispositifs à pérovskite sous des conditions de fonctionnement réelles demeure un défi à relever pour répondre aux exigences du marché.

Le nouveau dérivé de 9,9′-spirobifluorène, portant des groupes vinyles thermiquement réticulables et synthétisé par l’équipe de la KTU, offre une solution prometteuse à ces défis. Après réticulation thermique, un réseau polymère tridimensionnel (3D) lisse et résistant aux solvants se forme, servant de matériau de transport de trous pour la construction de cellules solaires à pérovskite.

Une Technologie Prometteuse pour l’Industrie Photovoltaïque

« La copolymérisation se déroule à une température relativement basse (103°C), rendant cette technologie sûre pour l’application d’une couche sur la pérovskite, qui ne résiste pas à des températures supérieures à 140°C. Un autre aspect crucial est que le processus de polymérisation est incroyablement rapide, en raison de la configuration spatiale spécifique du monomère », explique Šarunė Daškevičiūtė-Gegužienė, l’une des auteures de l’invention et doctorante à la Faculté de Technologie Chimique de la KTU.

Les dispositifs résultants ont montré une meilleure efficacité de conversion d’énergie et, surtout, une stabilité supérieure par rapport aux matériaux de transport de trous conventionnels (PTAA ou Spiro-OMeTAD).

Potentiel de Commercialisation et Collaboration Internationale

Le monomère, synthétisé dans les laboratoires de la KTU, permet de produire facilement des polymères tridimensionnels (3D) résistants aux solvants, utilisables dans les deux types de cellules solaires à pérovskite. « La synthèse du polymère est réalisée par chauffage des couches de monomère pendant seulement 15 minutes, produisant des matrices polymères insolubles spatialement structurées », précise le professeur Vytautas Getautis, chercheur principal du groupe de recherche en Synthèse de Semi-conducteurs Organiques à la KTU.

Le matériel novateur synthétisé présente un fort potentiel de commercialisation, ce qui a conduit au dépôt d’une demande de brevet auprès des offices de brevets de l’UE, des États-Unis et du Japon.

Prof. Vytautas Getautis, chercheur principal du groupe de recherche sur la synthèse des semi-conducteurs organiques, KTU, Lituanie.

Les résultats obtenus sont le fruit d’une collaboration réussie entre scientifiques lituaniens et japonais. « Depuis plusieurs années, notre groupe de recherche collabore avec celui du Prof. Atsushi Wakamiya à l’Université de Kyoto, une référence dans le domaine des cellules solaires à pérovskite, reconnue non seulement au Japon mais aussi à l’échelle mondiale », souligne le Prof. Getautis.

Le groupe de recherche de la KTU, sous la direction du Prof. Getautis, est à l’origine de nombreuses innovations dans le domaine de la technologie solaire. Parmi celles-ci, des composés qui s’auto-assemblent en une couche moléculaire agissant comme matériau de transport de trous, utilisés pour construire des cellules solaires tandem silicone-pérovskite record.

« L’énergie solaire est entièrement verte – elle ne pollue pas et les fermes solaires installées nécessitent peu d’entretien. Face aux événements actuels et à la crise énergétique, de plus en plus de personnes s’intéressent à l’installation de centrales solaires chez elles ou à la possession d’une part de ferme solaire. C’est l’avenir de l’énergie », conclut le Prof. Getautis.

Légende illustration : Panneaux solaires sur le toit du centre de prototypage KTU M-Lab, Kaunas, Lituanie. Crédit KTU

Article : “In Situ Thermal Cross-Linking of 9,9′-Spirobifluorene-Based Hole-Transporting Layer for Perovskite Solar Cells” – DOI: 10.1021/acsami.3c13950

Le remplacement des moteurs traditionnels pourrait améliorer les robots de nouvelle génération

Le remplacement des moteurs traditionnels pourrait améliorer les robots de nouvelle génération

L’innovation dans le domaine de la robotique et des dispositifs d’assistance prend un nouveau tournant avec le développement d’un actionneur énergétiquement efficace. Cette avancée, issue des laboratoires de l’Université Stanford, promet de transformer la manière dont les machines exécutent des mouvements dynamiques, ouvrant ainsi la voie à des applications plus durables et performantes.

Les actionneurs, éléments clés permettant aux machines de se mouvoir, ont longtemps été optimisés pour des tâches continues et répétitives. Toutefois, l’équipe de recherche de l’Université Stanford a développé un actionneur novateur capable de réaliser des mouvements dynamiques complexes avec une consommation énergétique nettement réduite. Publiée dans Science Robotics, cette invention repose sur l’utilisation astucieuse de ressorts et d’embrayages électro-adhésifs.

Le principe de fonctionnement

Le fonctionnement de cet actionneur repose sur la capacité des ressorts à générer une force sans consommer d’énergie. En étirant les ressorts lors de tâches exigeantes, comme abaisser un objet lourd, ils allègent la charge du moteur. L’énergie ainsi stockée est réutilisée ultérieurement, optimisant l’efficacité énergétique du système. Les embrayages électro-adhésifs, permettant d’engager ou de libérer rapidement les ressorts, jouent un rôle crucial dans ce mécanisme.

Des résultats prometteurs

L’actionneur, équipé de six ressorts à embrayage identiques, a été soumis à une série de tests exigeants. Ces expériences ont démontré une réduction de la consommation d’énergie d’au moins 50 % par rapport aux moteurs électriques traditionnels, atteignant dans certains cas une économie d’énergie jusqu’à 97 %. Ces performances ouvrent des perspectives intéressantes pour l’avenir des robots et des dispositifs d’assistance, comme les prothèses et les exosquelettes, en leur permettant d’opérer plus longtemps et de manière plus autonome.

Vers une application concrète

Si l’actionneur nécessite actuellement quelques minutes pour calculer la manière la plus efficace d’accomplir une nouvelle tâche, les chercheurs envisagent de réduire considérablement ce délai. L’objectif est de développer un système capable d’apprendre de tâches antérieures et d’utiliser l’intelligence artificielle pour optimiser les mouvements.

Steve Collins, professeur associé en génie mécanique et auteur principal de l’étude, exprime son enthousiasme pour la commercialisation de cette technologie, envisageant la création d’une entreprise dédiée à la production de ces actionneurs pour les robots du futur.

Au final, des machines plus autonomes et économes en énergie seront ainsi capables d’effectuer des tâches complexes avec une précision et une efficacité accrues. Cette innovation illustre comment la recherche fondamentale peut mener à des applications pratiques bousculant notre approche de la robotique et de l’assistance humaine.

Légende illustration : Prototype d’actionneur recyclant l’énergie. (Crédit photo : Erez Krimsky)

Article : “Elastic Energy-Recycling Actuators for Efficient Robots” – DOI: 10.1126/scirobotics.adj7246

Un projet de transition structurelle vise à rapprocher la fusion laser de son application

Un projet de transition structurelle vise à rapprocher la fusion laser de son application

La fusion nucléaire, source d’énergie durable et productive, est au cœur des recherches scientifiques actuelles. Les efforts déployés pour maîtriser cette technologie, en particulier le projet ROLF dirigé par le Dr Tobias Dornheim, vise à affiner la compréhension théorique de la compression de l’hydrogène, un jalon crucial pour l’avènement des centrales à fusion commerciales.

La fusion nucléaire : un défi technologique

La fusion des noyaux d’hydrogène représente une option prometteuse pour générer une source d’énergie durable et productive sur Terre. La mise en œuvre de ce processus nécessite des conditions extrêmes, avec des pressions et des températures très élevées. La technologie actuelle envisage l’utilisation de puissants lasers pour induire la fusion nucléaire, connue sous le nom de « fusion par confinement inertiel ».

Le Dr Tobias Dornheim, du Centre for Advanced Systems Understanding (CASUS) au Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR), dirige le projet ROLF (Röntgenlaser-Optimierung der Laserfusion) qui vise à améliorer la compréhension théorique de la compression de l’hydrogène.

Le projet, soutenu par l’Union européenne via le « Just Transition Fund » et le Land de Saxe, pourrait permettre de concevoir des expériences de fusion laser de manière plus ciblée, écartant ainsi la méthode d’essai et d’erreur.

La matière dense et chaude : un état de la matière clé

Les pressions et températures nécessaires pour la fusion sont obtenues en comprimant une capsule initialement très froide remplie des isotopes d’hydrogène, le deutérium et le tritium.

Lors de la réaction de fusion, l’hydrogène atteint temporairement un état particulier, celui de la matière dense et chaude (WDM). Ce domaine, situé entre la matière condensée et le plasma chaud, est l’expertise de Tobias Dornheim. À la fin de l’année 2022, le jeune chercheur a reçu un « Starting Grant » du Conseil européen de la recherche, d’une valeur de près de 1,5 million d’euros. Son équipe développe actuellement des méthodes d’apprentissage automatique pour une description théorique fiable de la WDM, un défi pratique pour le projet de transition structurelle.

Optimisation de la compression par laser

« Un des principaux problèmes de la fusion par laser est d’atteindre une compression stable avec l’impulsion laser », explique Tobias Dornheim. Il est essentiel que la capsule de combustible implose de manière aussi uniforme que possible, sans instabilités, pour maximiser la quantité de combustible fusionné et l’énergie utilisable libérée. Pour cela, une meilleure compréhension du comportement de la WDM est nécessaire.

La matière dense et chaude, présente dans les cœurs des planètes et des étoiles, est étudiée expérimentalement dans des installations de recherche de grande envergure, telles que la ligne de faisceau internationale Helmholtz pour les champs extrêmes (HIBEF) à l’European XFEL et le National Ignition Facility (NIF) aux États-Unis. L’équipe de Tobias Dornheim collabore avec ces institutions, et le projet ROLF intervient précisément dans l’amélioration des méthodes expérimentales d’analyse de la fusion par laser, notamment la diffusion Thomson des rayons X (XRTS).

La diffusion des rayons X : un outil diagnostique essentiel

Pour le diagnostic par diffusion des rayons X, une source de rayons X est dirigée vers un échantillon. Les changements d’énergie des photons déviés dans l’échantillon sont mesurés et utilisés pour déduire les propriétés du matériau. Jusqu’à présent, l’évaluation des données mesurées reposait sur une série d’approximations non contrôlées.

L’équipe de CASUS a démontré qu’une évaluation précise des données est possible sans simulations ni modèles, en utilisant la transformée de Laplace. Le projet ROLF prévoit de créer un logiciel open-source pour rendre cette méthode d’évaluation accessible à tous les experts en fusion laser. L’objectif est également de développer la méthode pour déterminer d’autres variables pertinentes, telles que la densité ou le degré d’ionisation de la WDM.

Contributions du HZDR à la fusion par laser

Récemment, le ministère fédéral allemand de l’Éducation et de la Recherche (BMBF) a présenté un nouveau programme de financement pour la recherche sur la fusion. L’objectif est de jouer un rôle décisif dans le défi international de parvenir à un fonctionnement économique d’une centrale à fusion.

Un document de position du BMBF publié récemment souligne la nécessité de « diagnostics raffinés pour valider les codes et modèles ». Le professeur Sebastian M. Schmidt, directeur scientifique du HZDR, se réjouit de l’approbation du financement pour le projet CASUS : « Avec HIBEF, CASUS et nos lasers de haute puissance DRACO et PENELOPE, le HZDR est idéalement placé pour apporter des contributions significatives à la recherche sur la fusion par laser. Nous pouvons décrypter les processus fondamentaux qui ouvrent la voie à l’application. »

Le Fonds de transition juste (FJT) est un instrument de financement de l’Union européenne qui bénéficie principalement aux régions dépendantes de la houille et du lignite. Un total de 375 millions d’euros est disponible pour la partie saxonne de la région minière de lignite de Lusace. Bien que la plupart des fonds soient réservés au soutien de l’économie dans les zones les plus touchées par les changements structurels, les institutions universitaires peuvent également demander un financement pour des projets de recherche et de développement. CASUS a ainsi pu obtenir un financement à 100 % de plus de 700 000 euros pour ROLF via la directive de financement “Research InfraProNet 2021 – 2027”.

Vers l’assemblage d’une batterie lithium-métal plus sûre et plus durable

Vers l'assemblage d'une batterie lithium-métal plus sûre et plus durable

Dans le domaine du stockage d’énergie, les batteries au lithium métal (LMB) se distinguent par leur potentiel à transformer radicalement notre utilisation des technologies portables et des véhicules électriques. Une avancée notable dans la recherche sur les LMB, promet de concevoir des batteries à la fois plus durables et plus sûres.

Les batteries au lithium métal (LMB) sont reconnues pour leur densité énergétique nettement supérieure, presque dix fois plus élevée que celle des batteries lithium-ion (LIB) actuelles. Cette caractéristique les positionne comme des systèmes de stockage d’avenir particulièrement attrayants.

Toutefois, les LMB présentent des problèmes de sécurité non négligeables, notamment en raison de la formation incontrôlée de dendrites. Ces structures arborescentes peuvent provoquer une surchauffe excessive et un court-circuit de la batterie, représentant ainsi un obstacle majeur à leur développement.

Une avancée vers des batteries plus sûres

Face aux préoccupations de sécurité liées aux LMB, des chercheurs ont exploré diverses méthodes pour pallier ces risques, souvent avec des approches coûteuses en temps et en ressources. Une équipe du laboratoire de T. N. Narayanan, à l’Institut Tata de recherche fondamentale de Hyderabad (TIFRH), propose une méthode simple, évolutive et économique pour assembler une batterie au lithium métal plus sûre et plus durable.

Un élément clé de cette innovation réside dans la modification d’une membrane séparatrice poreuse, située entre les électrodes d’une batterie, pour empêcher un court-circuit. Avec le temps, l’utilisation d’une batterie entraîne la formation de dendrites sur l’une des électrodes. Si ces dendrites croissent de manière incontrôlée, elles peuvent créer un pont physique entre les deux électrodes, provoquant un court-circuit.

Preeti Yadav et Pallavi Thakur, étudiantes diplômées et principales auteures de l’étude, ont utilisé une poudre dérivée du graphite, facilement disponible, pour modifier la membrane séparatrice d’une batterie typique. Cette modification limite la formation de dendrites et améliore considérablement la longévité de la batterie.

Les chercheurs suggèrent que cette méthode de modification de la membrane séparatrice présente un potentiel immense pour une application industrielle à grande échelle.

Des défis à relever pour l’avenir

Cependant, à une densité de courant très élevée de 10 mA cm-2, la batterie semble se détériorer progressivement. Cela pourrait être dû à l’électro-placage du lithium sur le carbone (un composant de la couche de dérivé de graphite déposée). Les chercheurs envisagent d’approfondir ces défis et de comprendre le rôle des interfaces dans l’amélioration des performances d’une batterie d’un point de vue fondamental.

Cette recherche ouvre des perspectives prometteuses pour le développement de batteries au lithium métal plus sûres et plus durables, marquant un pas important vers la résolution des problèmes de sécurité qui entravent leur adoption généralisée.

Légende illustration : Preeti Yadav (auteur) tenant une LED rougeoyante (3V) alimentée par la batterie lithium-métal à séparateur modifié. Crédit : Dr. Pallavi Thakur and Prof. T. N. Narayanan

Article : “High Rate, Dendrite Free Lithium Metal Batteries of Extended Cyclability via a Scalable Separator Modification Approach” – DOI: 10.1002/smll.202308344

Un réactif recyclable et la lumière du soleil convertissent le monoxyde de carbone en méthanol

Un réactif recyclable et la lumière du soleil convertissent le monoxyde de carbone en méthanol

La quête de solutions innovantes pour la conversion du dioxyde de carbone en carburants liquides représente un enjeu majeur dans la lutte contre le changement climatique. Une équipe de chercheurs a récemment mis en lumière une méthode prometteuse, exploitant l’énergie solaire pour transformer le CO2 en méthanol, un carburant liquide. Cette découverte ouvre des perspectives enthousiasmantes pour l’avenir de l’énergie renouvelable.

Une stratégie en cascade pour la conversion du CO2

Les scientifiques du Laboratoire National de Brookhaven du Département de l’Énergie des États-Unis (DOE) et de l’Université de Caroline du Nord à Chapel Hill (UNC) ont démontré la conversion sélective du dioxyde de carbone (CO2) en méthanol en utilisant une stratégie de réaction en cascade. Cette méthode, fonctionnant à l’énergie solaire, se déroule à température ambiante et sous pression atmosphérique, et fait appel à un réactif organique recyclable similaire à un catalyseur trouvé dans la photosynthèse naturelle.

Le méthanol : un carburant liquide d’avenir

Le méthanol (CH3OH), cible de cette recherche, est un liquide facilement transportable et stockable. Outre son utilité comme carburant, le méthanol sert de matière première clé dans l’industrie chimique pour la fabrication de molécules plus complexes. Sa production à partir de CO2, sans nécessiter la formation de liaisons carbone-carbone, représente un avantage significatif, réduisant les besoins en processus énergivores.

Membres de l’équipe de recherche du laboratoire de Brookhaven (de gauche à droite) : Andressa Muller, David Grills, Zahid Ertem, Dmitry Polyansky et Javier Concepcion, tous de la division chimie du laboratoire. (Kevin Coughlin/Brookhaven National Laboratory)

Défis et innovations dans la conversion du CO2

La conversion du CO2 en carburants liquides à température ambiante est un objectif poursuivi depuis des décennies. Les stratégies permettant d’atteindre ce but pourraient contribuer à réaliser des cycles énergétiques neutres en carbone, surtout si la conversion est alimentée par l’énergie solaire. Cependant, les étapes clés impliquées dans les réactions nécessaires pour générer de manière sélective et efficace des carburants liquides solaires comme le méthanol restent mal comprises.

Javier Concepcion, chimiste senior au Laboratoire de Brookhaven et co-auteur principal de l’étude, compare la conversion du CO2 en méthanol à l’ascension d’une montagne très haute, nécessitant un apport énergétique conséquent. Plutôt que de relever ce défi en une seule étape, l’équipe de Brookhaven/UNC a opté pour une stratégie en cascade, ou multi-étapes, passant par plusieurs intermédiaires plus accessibles.

Andressa Muller, premier auteur, mesure la cinétique de la réaction à l’aide de la spectroscopie infrarouge à flux stoppé. (Kevin Coughlin/Brookhaven National Laboratory)

Une approche biomimétique inspirée de la photosynthèse

Les chercheurs ont exploré des réactions utilisant une classe de catalyseurs appelés dihydrobenzimidazoles, des hydrides organiques pouvant être recyclés, une exigence pour un processus catalytique. Ces molécules, similaires en structure et fonction aux cofacteurs organiques de la photosynthèse naturelle, facilitent le transfert d’électrons et de protons entre diverses molécules, réduisant ainsi les besoins énergétiques des échanges.

La recherche décrit en détail la conversion du CO2 en méthanol en deux étapes : la réduction photochimique du CO2 en monoxyde de carbone (CO), suivie de transferts d’hydride séquentiels à partir de dihydrobenzimidazoles pour convertir le CO en méthanol. Cette méthode, caractérisée par sa sélectivité et sa capacité à opérer en «pot unique», évite les complications rencontrées dans les efforts précédents utilisant des catalyseurs inorganiques pour ces réactions.

Cette avancée est considérée comme une étape importante dans l’utilisation de catalyseurs d’hydride organique renouvelables pour la production catalytique de méthanol à température ambiante à partir de CO2, marquant un progrès significatif dans la quête de solutions durables pour la conversion de ce gaz à effet de serre en carburant liquide.

Légende illustration : Des chercheurs du Brookhaven National Laboratory et de l’Université de Caroline du Nord Chapel Hill ont identifié des hydrures organiques renouvelables capables de convertir efficacement le monoxyde de carbone (CO) en méthanol (CH3OH). Ces réactifs pourraient faire partie d’une stratégie en cascade visant à convertir le dioxyde de carbone atmosphérique (CO2) en carburant liquide facilement transportable/stockable. (Andressa Muller/Brookhaven National Laboratory)

La spectroscopie et la théorie éclairent les excitons dans les semi-conducteurs

La spectroscopie et la théorie éclairent les excitons dans les semi-conducteurs

La compréhension des interactions entre la lumière et les matériaux semiconducteurs se retrouve fortement dans les technologies électroniques modernes. Une récente étude menée par une collaboration internationale de chercheurs apporte un éclairage inédit sur le comportement des excitons dans les semiconducteurs organiques, ouvrant l’accès à des matériaux plus performants pour des applications telles que les panneaux solaires et les écrans OLED.

Les semiconducteurs organiques, constitués principalement de molécules de carbone comme le buckminster-fullerène, sont au cœur de dispositifs électroniques tels que les écrans OLED. Ces matériaux présentent des particularités quantiques fascinantes, notamment lorsqu’ils sont exposés à la lumière. Des électrons sont excités et forment des paires avec des trous chargés positivement, créant des excitons. La compréhension fine de ces excitons est cruciale pour optimiser les performances des semiconducteurs organiques.

Une équipe de recherche internationale, impliquant les universités de Göttingen, Graz, Kaiserslautern-Landau et Grenoble-Alpes, a réussi à obtenir des images extrêmement précises de ces excitons, avec une résolution temporelle de l’ordre du femtoseconde (10-15 seconde) et spatiale du nanomètre (10-9 mètre). Ces résultats, publiés dans la revue Nature Communications, devraient permettre une meilleure compréhension dans les propriétés quantiques des semiconducteurs organiques.

Une technique inédite pour sonder les propriétés quantiques

La nouvelle méthode, baptisée tomographie par photoémission des excitons, permet d’observer et de mesurer la fonction d’onde quantique des excitons. Cette fonction d’onde décrit l’état de l’exciton et détermine la probabilité de sa présence dans le matériau. Wiebke Bennecke, physicienne à l’Université de Göttingen et première auteure de l’étude, souligne que cette technique révèle comment les forces attractives au sein des excitons modifient leur distribution d’énergie et de vitesse.

Le fondement théorique de cette technique a été développé par une équipe dirigée par le Professeur Peter Puschnig de l’Université de Graz. La tomographie par photoémission des excitons permet de répondre à des questions fondamentales sur la répartition des excitons, comme leur localisation sur une ou plusieurs molécules, ce qui a un impact direct sur l’efficacité des semiconducteurs dans des applications comme les cellules solaires.

Des implications prometteuses pour l’efficacité énergétique

Les chercheurs envisagent d’utiliser cette méthode pour étudier le comportement des excitons et leur influence sur la dynamique des molécules dans les matériaux. Selon le Professeur Stefan Mathias de l’Université de Göttingen, ces recherches pourraient améliorer notre compréhension des processus de conversion d’énergie dans les semiconducteurs organiques et contribuer au développement de matériaux plus efficaces pour les cellules solaires.

La découverte que les excitons peuvent se répartir sur plusieurs molécules avant de se contracter rapidement sur une seule offre des perspectives pour la conception de semiconducteurs organiques aux propriétés optimisées. Cette avancée scientifique constitue un jalon important pour l’industrie électronique et pour les technologies vertes, où l’efficacité et la durabilité sont des enjeux majeurs.

Légende illustration : Illustration montrant la lumière excitant des électrons dans deux molécules du semi-conducteur organique connu sous le nom de buckminster-fullerène. L’exciton nouvellement formé (représenté par le point lumineux) est d’abord réparti sur deux molécules avant de se fixer sur l’une d’entre elles (à droite sur l’image). Crédit : Andreas Windischbacher.

Article : “Disentangling the multiorbital contributions of excitons by photoemission exciton tomography” – DOI: 10.1038/s41467-024-45973-x

Du bois imprimé en 3D à partir de ses propres composants naturels

Du bois imprimé en 3D à partir de ses propres composants naturels

L’une des dernières avancées dans le domaine des sciences et des technologies provient de l’Université Rice, où des chercheurs ont développé une nouvelle méthode pour la fabrication de structures en bois via l’impression 3D dans l’objectif d’adopter des pratiques de fabrication plus respectueuses de l’environnement.

Le bois, matériau de construction ancestral, est souvent associé à des pratiques de production peu durables. Cependant, une équipe de chercheurs en science des matériaux et nano-ingénierie à l’Université Rice a mis au point une encre à base d’eau, sans additifs, composée de lignine et de cellulose, éléments fondamentaux du bois. Cette encre permet de produire des structures en bois aux architectures complexes grâce à une technique d’impression 3D appelée écriture directe d’encre.

Vers une construction en bois durable

« La capacité à créer une structure en bois directement à partir de ses composants naturels ouvre la voie à un avenir plus écologique et novateur », a déclaré Muhammad Rahman, professeur assistant de recherche en science des matériaux et nanoingénierie à Rice. Cette technique pourrait révolutionner des industries telles que le mobilier et la construction, en offrant une alternative plus verte aux méthodes de fabrication traditionnelles.

Une avancée significative dans l’impression 3D

« Contrairement aux tentatives précédentes, cette méthode utilise exclusivement des composants de bois à l’échelle nanométrique pour l’impression 3D, marquant une avancée significative dans le domaine », a souligné Pulickel Ajayan, professeur et président de science des matériaux et nanoingénierie.

La recherche de l’université s’est concentrée sur l’optimisation de la composition de l’encre en ajustant le ratio de lignine, de nanofibres de cellulose et de nanocristaux, tout en maintenant l’équilibre naturel lignine-cellulose.

Des résultats prometteurs

Après l’impression, des analyses approfondies ont été menées pour évaluer les structures de surface et internes du bois imprimé en 3D, en les comparant à leurs homologues en bois naturel. Les résultats ont non seulement montré des similitudes étroites avec le bois naturel en termes de texture, mais aussi d’odeur et de résistance.

Des tests mécaniques ont également été effectués pour évaluer les résistances à la compression et à la flexion, révélant des résultats prometteurs qui surpassent ceux du bois de balsa naturel.

Cette innovation souligne le potentiel inexploité de matériaux naturels comme la lignine, souvent considérée comme un sous-produit de faible valeur dans les industries.

Légende illustration : Muhammad Rahman (au centre), professeur adjoint de recherche en science des matériaux et en nano-ingénierie à Rice, et son laboratoire. Avec l’aimable autorisation de Gustavo Raskosky/Université de Rice.

Article : “Three-dimensional printing of wood” – DOI: 10.1126/sciadv.adk3250

Solution de cool roof pour réduire les coûts énergétiques

Solution de cool roof pour réduire les coûts énergétiques

Face à l’augmentation des températures et à la recrudescence des canicules, des solutions sont développées pour, d’un côté, optimiser le confort thermique des bâtiments et, de l’autre, amoindrir la consommation énergétique et l’impact carbone. Parmi ces solutions, la technologie des “cool roofs”, ou “toitures fraîches”, se distingue par sa maturité et sa capacité à répondre efficacement à ces défis.

Qu’est-ce que le cool roof ?

Pour faire court, la solution de cool roof consiste à appliquer sur la toiture un revêtement réfléchissant, généralement de couleur blanche, dans l’objectif de renvoyer une grande partie du rayonnement solaire au lieu de l’absorber. Une fois ce dispositif opérationnel, il contribuera à abaisser la température du toit et de l’espace intérieur, réduisant de fait les besoins en matière de climatisation du bâtiment.

Le fonctionnement repose sur deux propriétés clés des matériaux utilisés : une forte réflectivité, c’est-à-dire la capacité à réfléchir la lumière du soleil, et une forte émissivité, qui permet de rejeter efficacement la chaleur absorbée. L’efficacité d’un “cool roof ” est par conséquent mesurée par son indice de réflectance solaire (IRS), qui prend en compte ces deux paramètres.

Des économies d’énergie significatives

L’un des principaux avantages du “cool roof” est la réduction de la consommation électrique liée à la climatisation. En préservant une température plus basse de plusieurs degrés à l’intérieur des édifices, ce procédé permet de diminuer de manière significative l’énergie consommée par les systèmes de climatisation, avec une baisse moyenne de 30% pouvant atteindre les 40% dans certains cas de figure.

Pour une entreprise, cela se traduit automatiquement par une baisse de la facture énergétique.

À titre d’exemple concret, un hypermarché situé dans le sud de la France a rapporté une diminution de la température de son toit pouvant atteindre 36°C suite à la mise en place d’un “cool roof”, ainsi qu’une réduction de sa facture énergétique globale d’environ 12%.

Une solution durable aux multiples bénéfices

Au-delà des économies financières, le “cool roof” présente de nombreux atouts environnementaux et sociétaux. En réduisant les consommations d’énergie, il contribue également à diminuer les émissions de gaz à effet de serre liées à la production d’électricité. Selon une étude américaine*, un “cool roof” permettrait de réduire ces émissions de 2 à 4% pour un bâtiment commercial.

Cette solution joue également un rôle dans la réduction des îlots de chaleur en milieu urbain. En préservant la fraîcheur des toits malgré l’exposition au soleil, elle contribue à limiter l’élévation de la température de l’air alentour et à améliorer les conditions de confort thermique à l’échelle locale. Son impact peut se traduire par une diminution allant jusqu’à 50% de l’effet d’îlot de chaleur.

Pour finir, les “cool roofs” participent à l’allongement de la durée de vie des toitures et des systèmes de climatisation, qui subissent moins de contraintes thermiques. De plus, ils améliorent le confort et le bien-être des occupants des bâtiments, notamment lors des épisodes de canicule.

Un marché en plein essor

Le marché du cool roofing connaît une croissance importante dans l’hexagone, porté par les enjeux de transition énergétique et d’adaptation au changement climatique. De nombreux acteurs se positionnent sur ce créneau, proposant des solutions de peintures réfléchissantes faciles à mettre en œuvre sur tous types de toitures.

Les possibilités offertes par les “cool roofs” sont considérables, avec des millions de mètres carrés de toitures pouvant potentiellement être transformées. Si les bâtiments tertiaires, industriels et commerciaux sont les premiers visés, cette technologie peut également profiter aux habitations collectives et individuelles. Afin d’inciter à la réalisation de ces travaux de rénovation énergétique, certaines collectivités commencent à mettre en place des aides financières.

Grâce à ses nombreux avantages économiques et écologiques, les toitures fraîches sont appelées à jouer un rôle essentiel dans l’adaptation du parc immobilier français face aux enjeux énergétiques et climatiques, tout en contribuant à améliorer le confort des occupants. Cette solution novatrice est vouée à se démocratiser au cours des prochaines années.

* Lawrence Berkeley National Laboratory

Une protection avancée des hologrammes pour lutter contre la contrefaçon

Une protection avancée des hologrammes pour lutter contre la contrefaçon

La lutte contre la contrefaçon s’intensifie avec l’émergence de technologies de pointe. Au cœur de cette bataille, les hologrammes de sécurité, éléments clés de la protection des produits, se réinventent grâce à l’ingéniosité des chercheurs. Une innovation lituanienne pourrait redéfinir les standards de sécurité et influencer notre quotidien.

La contrefaçon, un fléau combattu par l’innovation technologique

La contrefaçon de documents divers, de billets de banque ou de tickets représente un problème courant qui peut surgir dans la vie quotidienne, y compris lors d’achats anodins. Conscients de l’ampleur et de la gravité de cette problématique, les chercheurs de l’Université de Technologie de Kaunas (KTU) en Lituanie ont exploré de nouvelles méthodes pour renforcer la sécurité contre la contrefaçon, aboutissant à la création de labels holographiques de sécurité innovants.

Les hologrammes, déjà utilisés comme outil anti-contrefaçon, ornent désormais les emballages pharmaceutiques, les étiquettes de marque et même les jouets. Ces dispositifs sont nettement plus complexes à reproduire pour les faussaires que, par exemple, les filigranes sur les billets de banque, car ils nécessitent des technologies micro et nanométriques que les imprimeries traditionnelles ne possèdent pas.

Une synergie technologique reconnue internationalement

Pour améliorer la protection holographique contre la contrefaçon, les chercheurs de l’Institut des Sciences des Matériaux de la KTU ont eu l’idée d’associer deux méthodes technologiques distinctes. L’une d’elles est l’hologramme à matrice de points, composé de petits points réfractant la lumière.

« Chaque point, à peine plus petit qu’un cheveu humain, enregistre une structure périodique composée de lignes connues sous le nom de réseau de diffraction. Cela provoque un jeu de lumière visible à l’œil de l’observateur, semblable à un CD ou DVD, » explique le Dr Tomas Tamulevičius, l’un des inventeurs.

Le Dr Viktoras Grigaliūnas, chercheur à la KTU et également contributeur au développement de la technologie, précise que bien que l’hologramme à matrice de points soit relativement plus rapide et moins coûteux et utilisé pour exposer de grandes zones de l’hologramme, il ne garantit pas un très haut niveau de protection. C’est pourquoi la lithographie par faisceau d’électrons est utilisée pour exposer des zones plus petites de l’hologramme.

« Il s’agit d’une technologie plus avancée qui permet de former des structures à haute résolution et qui est pratiquement inaccessible aux contrefacteurs d’hologrammes potentiels, » ajoute Grigaliūnas, chercheur à l’Institut des Sciences des Matériaux de la KTU et responsable du Laboratoire de Recherche en Nano et Microlithographie.

La combinaison de ces deux techniques a reçu une reconnaissance internationale – l’invention a été reconnue par l’Office des Brevets et des Marques des États-Unis et l’Office des Brevets du Japon. Cela protège la propriété intellectuelle créée par les scientifiques et leur permet de la licencier à des entreprises intéressées. De plus, les technologies d’étiquettes holographiques développées par les chercheurs de la KTU sont déjà largement utilisées pour la vérification métrologique, sur les plaques d’immatriculation des voitures, sur l’emballage de divers produits, ainsi que sur les billets d’événements et les diplômes.

Une vigilance accrue est recommandée

« Certes, les hologrammes ont été inventés dans un tout autre but, pour augmenter la résolution de la microscopie électronique, » rappelle le Prof. Tamulevičius. Selon le scientifique, l’essor des hologrammes dans la lutte contre la contrefaçon est survenu lorsqu’il a été réalisé que, une fois l’hologramme original enregistré, il pouvait être copié mécaniquement en le pressant dans un autre matériau. Cela a conduit à une expansion substantielle dans les quantités de production d’hologrammes.

Les films de fiction et leurs hologrammes de personnes et même de villes entières ont conduit à une perception et une interprétation plutôt diversifiées du terme lui-même. Les progrès rapides de la technologie ont permis à certaines idées de fiction de devenir réalité, et aujourd’hui, il est même possible de voir des hologrammes dans des arènes de concert complètes.

« Cependant, nos recherches se rapprochent davantage des hologrammes classiques, » ajoute le Prof. Tamulevičius. Le scientifique mentionne que la technologie des hologrammes est développée à l’Institut des Sciences des Matériaux de la KTU depuis plus de 20 ans. Durant cette période, les chercheurs n’ont pas seulement affiné leurs activités et reçu un brevet pour leur invention, mais ont également créé une start-up “Holtida” qui propose aux entreprises d’acquérir les solutions développées par les scientifiques dans leurs laboratoires.

Lors du renforcement des mesures de protection elles-mêmes, le Prof. Tamulevičius encourage les consommateurs à garder à l’esprit que les hologrammes peuvent également être contrefaits, et les incite donc à inspecter les étiquettes de sécurité holographiques et à rester vigilants.

« Les fabricants d’hologrammes essaient généralement de rendre les hologrammes aussi lumineux que possible ; les caractéristiques visibles, telles que les objets nets et les différentes couleurs, ne brillent pas par hasard. Seuls des éléments spécifiques de la marque sont intégrés à l’image avec différentes tailles de caractères visibles. Si un observateur voit une lueur aléatoire, il est probable que ce soit soit un hologramme très peu sophistiqué, soit une contrefaçon, » conclut-il.

En collaboration avec des collègues de la Faculté d’Informatique (IF) de la KTU, les inventeurs ont développé une autre innovation. Il s’agit d’une application numérique pour appareils intelligents appelée «HoloApp», qui permet de voir à quoi ressemble l’hologramme sur l’écran. Cela permet une meilleure compréhension et expérience de ce à quoi un hologramme devrait ressembler et la capacité d’identifier s’il est contrefait.

Légende illustration : Étiquettes de sécurité holographiques produites par les scientifiques de la KTU. (Image : KTU)

Les panneaux solaires à 2 faces peuvent produire plus d’énergie pour un coût inférieur de 70 %

Les panneaux solaires à 2 faces peuvent produire plus d'énergie pour un coût inférieur de 70 %

Des chercheurs anglais ont développé des panneaux solaires bifaciaux dotés d’une technologie prometteuse, qui pourrait transformer notre approche de l’exploitation de l’énergie solaire. Découvrons ensemble comment cette avancée technologique pourrait marquer un tournant dans l’industrie des énergies renouvelables.

Une conception innovante de panneaux solaires bifaciaux

Les scientifiques de l’Université de Surrey ont conçu des panneaux solaires d’un nouveau genre, caractérisés par leur capacité à capter la lumière sur deux surfaces. Ces panneaux flexibles en pérovskite intègrent des électrodes composées de nanotubes de carbone, qui non seulement augmentent la puissance générée, mais le font avec une efficacité supérieure et pour un coût inférieur de 70 % par rapport aux panneaux solaires traditionnels.

Le Dr Jing Zhang, chercheur à l’Institut de Technologie Avancée de Surrey, a expliqué : « Nos cellules bifaciales peuvent récolter la lumière solaire à la fois sur les panneaux avant et arrière. Cela génère plus d’énergie et dépend moins de l’angle sous lequel la lumière les frappe. »

Les nanotubes de carbone utilisés sont très transparents et conduisent bien l’électricité. Ils pourraient rendre l’énergie propre accessible à des millions de personnes. « Nous sommes impatients de voir comment notre invention sera utilisée », a ajouté le Dr Zhang.

Leurs panneaux flexibles en pérovskite sont dotés d’électrodes composées de minuscules nanotubes de carbone. Ils peuvent produire plus d’énergie avec un meilleur rendement et à un coût inférieur de 70 % à celui des panneaux solaires existants. Crédit : Surrey

Collaboration internationale et résultats prometteurs

Les chercheurs de Surrey ont collaboré avec des collègues de l’Université de Cambridge, de l’Académie des Sciences Chinoise, de l’Université Xidian et de l’Université de Zhengzhou, en Chine. Ensemble, ils ont mis au point ce nouveau type de panneau bifacial, utilisant des nanotubes de carbone à paroi unique comme électrodes avant et arrière.

Ces tubes ont un diamètre de seulement 2,2 nanomètres, ce qui est légèrement plus fin qu’un brin d’ADN humain. Pour mettre cela en perspective, une feuille de papier est plus épaisse que 45 000 nanotubes empilés les uns sur les autres.

Les panneaux pourraient générer plus de 36 mW par centimètre carré, et le panneau arrière a produit près de 97 % de la puissance du panneau avant. Cela se compare favorablement aux 75-95 % pour la plupart des panneaux bifaciaux actuellement sur le marché.

Les panneaux pouvaient générer plus de 36 mW par centimètre carré – et le panneau arrière produisait près de 97 % de la puissance du panneau avant. En comparaison, la plupart des panneaux bifaciaux actuellement sur le marché produisent entre 75 et 95 % de l’énergie. Crédit : Surrey

Vers une énergie solaire plus abordable

Le professeur Ravi Silva CBE, directeur de l’Institut de Technologie Avancée, a souligné : « Le monde ne peut pas se décarboner sans l’énergie solaire. Cela nécessite cependant une énergie solaire beaucoup moins chère que celle actuellement disponible. Des panneaux capables d’absorber l’énergie solaire des deux côtés sont un excellent moyen de rendre la technologie plus rentable. »

« Nous avons produit ce qui est sans doute la cellule solaire à jonction unique la plus efficace à ce jour. Nos panneaux coûtent 70 % moins cher à fabriquer qu’un panneau solaire unilatéral classique. Cela pourrait modifier de manière significative le marché et simplifier les architectures requises basées sur les cellules solaires en pérovskite », a-t-il ajouté.

Cette innovation représente un pas en avant considérable pour l’industrie solaire, avec des implications potentielles majeures pour la réduction des coûts et l’accessibilité de l’énergie propre à l’échelle mondiale.

Article : “High-performance bifacial perovskite solar cells enabled by single-walled carbon nanotubes” – DOI: s41467-024-46620-1

Stockage énergie : des dispositifs pliables 1000 fois sans perdre en performance

Stockage énergie : des dispositifs pliables 1000 fois sans perdre en performance

L’une des dernières avancées dans le domaine de la technologie portable promet de redéfinir notre interaction quotidienne avec nos appareils électroniques. Imaginez un futur où votre smartphone se porte autour du poignet, non pas sous la forme d’une montre, mais comme un bandeau flexible, ou encore des vêtements capables de recharger vos gadgets simplement en les portant. Cette vision futuriste pourrait bientôt devenir une partie intégrante de notre quotidien grâce aux efforts conjoints d’une équipe de chercheurs internationaux.

Une équipe de recherche coréenne dirigée par le professeur Jin Kon Kim et le Dr Keon-Woo Kim de l’Université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH), en collaboration avec le professeur Taesung Kim et l’étudiant Hyunho Seok de l’Université Sungkyunkwan (SKKU), ainsi que le professeur Hong Chul Moon de l’Université de Séoul (UOS), a récemment publié dans la revue Advanced Materials un travail de recherche qui marque un pas significatif vers la concrétisation de ces technologies portables innovantes.

Les défis des oxydes métalliques mésoporeux

Les oxydes métalliques mésoporeux (MMOs), caractérisés par des pores de 2 à 50 nanomètres (nm), offrent une vaste surface utile pour diverses applications, telles que le stockage d’énergie haute performance, la catalyse efficace, les semi-conducteurs et les capteurs.

Néanmoins, leur intégration dans des dispositifs portables et flexibles représentait jusqu’à présent un défi majeur, principalement en raison de l’incapacité des substrats plastiques à maintenir leur intégrité à des températures élevées (350°C ou plus) nécessaires à la synthèse des MMOs.

Effet synergique de l’activation thermique et du plasma. Crédit : Postech

Une solution innovante à basse température

L’équipe de recherche a relevé ce défi en utilisant un effet synergique de la chaleur et du plasma pour synthétiser divers MMOs, y compris l’oxyde de vanadium (V2O5), un matériau renommé pour le stockage d’énergie haute performance, ainsi que V6O13, TiO2, Nb2O5, et WO3, sur des matériaux flexibles à des températures beaucoup plus basses (150 ~ 200°C).

Les entités chimiques réactives du plasma fournissent suffisamment d’énergie pour compenser la haute température. Les dispositifs fabriqués peuvent être pliés des milliers de fois sans perdre leur performance de stockage d’énergie.

Le professeur Jin Kon Kim, chercheur principal, a exprimé son opinion en déclarant : « Nous sommes à l’aube d’une révolution dans la technologie portable ». « Notre découverte pourrait conduire à des gadgets non seulement plus flexibles, mais aussi beaucoup plus adaptés à nos besoins quotidiens ».

Induction simultanée de la formation d’oxydes métalliques et de l’élimination des gabarits. Crédit : Postech

Les implications pour le développement de dispositifs portables plus durables, flexibles et fonctionnels ouvrent des perspectives intéressantes pour l’innovation dans de nombreux secteurs, de la mode à la santé, en passant par la communication et l’énergie.

Cette recherche a été soutenue par le Programme National d’Initiative Créative, le Programme de Recherche Fondamentale en Science & Ingénierie, et le Programme de Développement Technologique en Nano & Matériaux.

Article : “Low-Temperature, Universal Synthetic Route for Mesoporous Metal Oxides by Exploiting Synergistic Effect of Thermal Activation and Plasma” – DOI: 10.1002/adma.202311809

Cet insecte inspire des dispositifs d’invisibilité et des technologies de nouvelle génération

Cet insecte inspire des dispositifs d'invisibilité et des technologies de nouvelle génération

Les insectes de nos jardins recèlent des secrets insoupçonnés, susceptibles d’inspirer les technologies de demain. Une étude récente menée par des chercheurs de l’Université de Pennsylvanie révèle les propriétés étonnantes des brochosomes, de minuscules particules sécrétées par les cicadelles. Ces découvertes conduiraient vers des matériaux optiques bio-inspirés aux applications diverses, à la dissimulation comme à la récupération d’énergie solaire.

La géométrie complexe des brochosomes décryptée

Les brochosomes, ces particules nanométriques au design évoquant un ballon de football, ont longtemps intrigué les scientifiques. Leur fonction exacte chez les cicadelles demeurait énigmatique depuis leur découverte dans les années 1950. C’est une équipe dirigée par Tak-Sing Wong, professeur de génie mécanique et de génie biomédical, qui a réussi à reproduire avec précision cette géométrie complexe et à mieux comprendre leur interaction avec la lumière visible et ultraviolette.

Cette avancée, publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), pourrait transformer notre approche des matériaux optiques.

Des applications technologiques inspirées de la nature

La reproduction en laboratoire des brochosomes par une méthode d’impression 3D de pointe a révélé leur capacité à réduire la réflexion de la lumière jusqu’à 94%. Lin Wang, chercheur postdoctoral en génie mécanique et auteur principal de l’étude, envisage des applications telles que des dispositifs de camouflage thermique, inspirés des stratégies de dissimulation des cicadelles.

La photo montre un ensemble de brochosomes synthétiques à micro-échelle imprimés en 3D. Dans la nature, les cicadelles produisent des brochosomes pour recouvrir les surfaces de leur corps. Il s’agit de sphéroïdes creux, nanoscopiques, en forme de boule de bouclier, avec des trous de passage répartis sur toute leur surface. Lin Wang et al. ont étudié la relation entre les propriétés optiques et les dessins géométriques des brochosomes en utilisant des brochosomes synthétiques imprimés en 3D. Les auteurs ont constaté que les trous de passage de ces boules creuses jouent un rôle important dans la réduction de la réflexion de la lumière. Il s’agit du premier exemple biologique montrant une fonctionnalité antiréflexion de courte longueur d’onde et de passe-bas rendue possible par les trous de passage et les structures creuses. Crédit : Lin Wang and Tak-Sing Wong/Penn State

Une armure de lumière pour les cicadelles

Les brochosomes pourraient servir d’armure anti-réfléchissante pour les cicadelles, les rendant moins visibles aux prédateurs dotés d’une vision ultraviolette. La taille uniforme des pores de ces structures, environ 200 nanomètres, est cruciale pour absorber la lumière à la fréquence ultraviolette. Cette découverte soulève des questions sur la raison d’une telle constance et suggère une fonction de camouflage possible contre les prédateurs.

Des brochosomes synthétiques pour de nouvelles applications

La fabrication de brochosomes synthétiques représente un défi majeur relevé par les chercheurs. Ces répliques artificielles pourraient conduire à des applications variées pour l’homme, telles que des systèmes de récolte d’énergie solaire plus efficaces, des revêtements protecteurs pour les produits pharmaceutiques, des écrans solaires avancés et même des dispositifs de dissimulation.

La prochaine étape pour l’équipe de recherche sera d’améliorer la fabrication des brochosomes synthétiques pour une production à une échelle plus proche de la taille naturelle.

Les brochosomes illustrés sont produits par la cicadelle G. serpenta. Les brochosomes sont des sphéroïdes creux, nanoscopiques, en forme de boule de bouclier, avec des trous de passage répartis sur la surface du corps des cicadelles. Lin Wang et al. ont étudié la relation entre les propriétés optiques et les dessins géométriques des brochosomes. Les auteurs ont constaté que les trous de passage de ces boules creuses jouent un rôle important dans la réduction de la réflexion de la lumière. Il s’agit du premier exemple biologique montrant une fonctionnalité antiréflexion à courte longueur d’onde et à faible passe rendue possible par des trous traversants et des structures creuses. Credit : Lin Wang and Tak-Sing Wong/Penn State

La biomimétique : une source d’inspiration pour l’innovation

Lin Wang souligne l’importance de l’approche biomimétique en recherche, où l’inspiration provient de la nature. Cette étude n’est qu’un exemple parmi tant d’autres où les insectes offrent des pistes pour résoudre des problèmes d’ingénierie. Les cicadelles ne sont pas de simples insectes, elles sont une source d’inspiration pour le développement de matériaux avancés.

Légende illustration : La photo représente une cicadelle G. serpenta. Lin Wang et al. ont étudié les motifs géométriques des revêtements de surface sur les corps des cicadelles. Les cicadelles produisent des brochosomes pour revêtir les surfaces de leur corps, qui sont des sphéroïdes creux, nanoscopiques, en forme de bouclier, avec des trous de passage répartis sur leurs surfaces. Les auteurs ont découvert que les trous de passage de ces boules creuses jouent un rôle important dans la réduction de la réflexion de la lumière. Il s’agit du premier exemple biologique montrant une fonctionnalité antiréflexion de courte longueur d’onde et de passe-bas rendue possible par les trous de passage et les structures creuses. Crédit : Lin Wang and Tak-Sing Wong/Penn State

Article : “Geometric design of antireflective leafhopper brochosomes” – DOI: 10.1073/pnas.2312700121

Les ordinateurs quantiques peuvent marquer des points

Les ordinateurs quantiques peuvent marquer des points

La résolution de problèmes complexes de combinaison et d’optimisation représente un enjeu majeur dans de nombreux domaines économiques et scientifiques. Une équipe berlinoise, dirigée par le physicien théoricien Prof. Dr. Jens Eisert de la Freie Universität Berlin et du HZB, vient de démontrer l’efficacité supérieure des ordinateurs quantiques dans la résolution d’une classe spécifique de ces problèmes, par rapport aux méthodes conventionnelles.

Le problème du voyageur de commerce est un cas d’école en matière d’optimisation combinatoire. Il consiste à déterminer le chemin le plus court permettant à un voyageur de visiter une série de villes avant de revenir à son point de départ. Si le concept est aisément compréhensible, la complexité du problème s’accroît de manière exponentielle avec l’ajout de villes, rendant les calculs traditionnels extrêmement gourmands en temps.

Ce problème emblématique représente toute une catégorie de défis d’optimisation qui revêtent une importance économique considérable, qu’il s’agisse de réseaux ferroviaires, de logistique ou d’optimisation des ressources. Des solutions suffisamment précises peuvent être trouvées grâce à des méthodes d’approximation.

Les qubits : une nouvelle approche de calcul

Les ordinateurs quantiques utilisent des qubits, qui, contrairement aux circuits logiques classiques ne se limitent pas à des valeurs de zéro ou un, mais peuvent adopter n’importe quelle valeur intermédiaire. Ces qubits sont réalisés à l’aide d’atomes fortement refroidis, d’ions ou de circuits supraconducteurs, et construire un ordinateur quantique avec un grand nombre de qubits reste un défi technique majeur.

Cependant, des méthodes mathématiques permettent d’ores et déjà d’explorer les performances potentielles des ordinateurs quantiques tolérants aux fautes.

Le présent travail (flèche) montre qu’une certaine partie des problèmes combinatoires peut être résolue beaucoup mieux avec des ordinateurs quantiques, peut-être même exactement. HZB/Eisert

« Nous avons abordé la question de manière rigoureuse, en utilisant des méthodes mathématiques, et avons obtenu des résultats solides sur le sujet. Nous avons surtout clarifié dans quel sens des avantages peuvent être obtenus, » déclare le Prof. Dr. Jens Eisert, qui dirige un groupe de recherche conjoint à la Freie Universität Berlin et au Helmholtz-Zentrum Berlin.

Une avancée significative grâce à l’analyse mathématique

L’équipe de Jens Eisert et de son collègue Jean-Pierre Seifert a utilisé des méthodes analytiques pures pour évaluer comment un ordinateur quantique équipé de qubits pourrait résoudre cette classe de problèmes. Il s’agit d’une expérience de pensée classique, menée avec papier et crayon et une grande expertise.

« Nous supposons simplement, indépendamment de la réalisation physique, qu’il y a suffisamment de qubits et nous examinons les possibilités d’opérations de calcul avec ceux-ci, » explique Vincent Ulitzsch, doctorant à l’Université Technique de Berlin.

En procédant ainsi, ils ont découvert des similitudes avec un problème bien connu en cryptographie, c’est-à-dire le chiffrement des données.

« Nous avons réalisé que nous pourrions utiliser l’algorithme de Shor pour résoudre une sous-classe de ces problèmes d’optimisation, » ajoute Vincent Ulitzsch. Cela signifie que le temps de calcul n’augmente plus de manière exponentielle avec le nombre de villes (2N), mais croît seulement de manière polynomiale (Nx, où x est une constante). La solution obtenue de cette manière est également qualitativement bien meilleure que la solution approximative obtenue avec l’algorithme conventionnel.

« Nous avons démontré que, pour une classe spécifique mais très importante et pratiquement pertinente de problèmes d’optimisation combinatoire, les ordinateurs quantiques présentent un avantage fondamental par rapport aux ordinateurs classiques pour certaines instances du problème, » conclut Jens Eisert.

Légende illustration : Le problème du voyageur de commerce est un classique des mathématiques. Un voyageur doit visiter N villes par le chemin le plus court et revenir à son point de départ. Lorsque le nombre N augmente, le nombre d’itinéraires possibles explose. Ce problème peut alors être résolu à l’aide de méthodes d’approximation. Les ordinateurs quantiques pourraient fournir plus rapidement des solutions nettement meilleures. HZB

Article : “An in-principle super-polynomial quantum advantage for approximating combinatorial optimization problems via computational learning theory” – DOI: 10.1126/sciadv.adj5170