Des molécules complexes et prébiotiques dans les systèmes planétaires en formation.

Vendredi, 28 Septembre 2012
Une équipe internationale1 vient d’observer pour la première fois la molécule de cyanoacetylène (HC3N) dans des disques protoplanétaires.

C’est dans ces disques de gaz et de poussières entourant des jeunes étoiles que les planètes naissent. HC3N est non seulement la molécule la plus complexe détectée à ce jour dans un disque protoplanétaire, mais elle est surtout l’un des précurseurs des molécules organiques complexes, nécessaire à l'apparition de la vie. Les chercheurs ont réussi à prouver son existence dans trois disques différents entourant des étoiles de faible masse et âgés de quelques millions d’années. Ces observations ont été réalisées avec le radiotélescope de 30 mètres de l’IRAM2 localisé dans la Sierra Nevada espagnol ainsi qu’avec l’interféromètre du Plateau de Bure situé dans les Hautes-Alpes Françaises.
On sait aujourd’hui que les planètes naissent dans les disques de gaz et de poussières qui entourent les étoiles jeunes. Ce mélange de gaz et de poussière, résidu du nuage moléculaire parent qui a formé l’étoile,  gravite déjà autour de son étoile en suivant les lois de Kepler, celles là même qui régissent le ballet de nos planètes dans le ciel nocturne. Parmi ces étoiles jeunes, celles de faibles masse (moins de deux masses solaires) intéressent tout particulièrement les scientifiques car elles sont des Soleils en devenir.
On comprend dès lors que l’observation de ces disques de gaz et de poussières avec des instruments adaptés, comme le sont les instruments de l’IRAM ou le nouvel interféromètre ALMA3 qui vient d’entrer en opération au Chili, font partie des domaines astrophysiques qui passionnent les astronomes avides de déterminer les conditions nécessaires à la formation des planètes et celles encore plus pointues d’émergence de la vie.

Une équipe internationale composée de chercheurs français et allemands vient ainsi d’observer pour la première fois la molécule de HC3N dans trois disques entourant des étoiles de quelques millions d’années dont la masse est comprise entre 0.5 et 2 masses solaires.  HC3N, le premier des cyanopolyynes, fait partie des briques moléculaires nécessaires à l’élaboration des molécules très complexes qui précèdent l’émergence de la vie. De plus, HC3N est  à ce jour la molécule la plus complexe détectée, avec certitude, dans les disques protoplanétaires. L’étude astrochimique de ces disques nous apprend que ces molécules se forment préférentiellement sur les surfaces des grains de poussières se trouvant proches du plan du disque. Dans ces zones froides, des molécules simples, comme le monoxyde de carbone ou l’eau sont collées sur les grains où elles forment un manteau de glace. Certaines réactions chimiques produisent ensuite des molécules plus complexes. Les photons Ultra-Violet ou le rayonnement cosmique qui impactent ces grains libèrent alors par désorption (évaporation) ces molécules plus complexes,  permettant leur observation en état gazeuse.

Les trois disques protoplanétaires observés par l’équipe, LkCa 15, MWC 480 et GO Tauri, sont situés dans la région de formation stellaire du Taureau. Parmi ces trois disques, LkCa 15 est particulièrement intéressant car une cavité centrale a été découverte grâce à des observations avec l’interféromètre du Plateau de Bure (IRAM). Cette cavité peut s'expliquée par la présence d'une planète. De récentes observations infra-rouges4 ont révélées la probable existence d'une planète de même masse que Jupiter. L'observation de la molécule de cyanoacetylène dans ces régions de formation planétaires est un premier pas important vers la compréhension de l'apparition de la complexité moléculaire et, par conséquent, de la vie, aussi bien sur Terre que sur les exo-planètes.

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Façonner les propriétés magnétiques d’un film d’oxyde en le déformant
20 juin 2013

En faisant croitre une couche d’oxyde de bismuth et de fer d’épaisseur nanométrique sur des substrats variés, des physiciens ont montré que les déformations induites transforment les propriétés magnétiques de ce matériau et permettent de les contrôler.

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Pour améliorer l’efficacité, notamment énergétique, des futurs composants électroniques dédiés au stockage, à la transmission et au traitement de l’information, physiciens et ingénieurs s’intéressent à de nouveaux matériaux combinant des propriétés électriques et magnétiques : les multiferroïques. L’oxyde de bismuth et de fer (le BiFeO3) est particulièrement prometteur, car ses propriétés magnétiques et électriques sont robustes et couplées fortement l’une à l’autre. Une équipe de physiciens de l’Unité Mixte de Physique CNRS / Thales, du Groupe de Physique des Matériaux - GPM (CNRS / Univ. Rouen / INSA Rouen), du Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques - MPQ (CNRS / Univ. Paris Diderot), et de physiciens américains, russes et chinois, vient de montrer qu’il est possible d’ajuster ces propriétés selon les besoins en jouant sur la tension imposée à ce matériau. Pour cela, ils ont mesuré et analysé de manière détaillée la réponse magnétique statique et dynamique de films minces mis en compression et en tension lors de leur croissance. Ils ont observé les modifications de la dynamique des ondes de spin, et notamment la disparition des modes de faible énergie lorsque la contrainte devient importante. Ce travail est publié dans la revue Nature Materials.

Pour ces travaux, les physiciens ont fait croitre des films de BiFeO3 épais de 70 nanomètres sur des substrats variés présentant une périodicité légèrement différence de celle du cristal massif de BiFeO3. Lors de cette croissance, la périodicité du matériau déposé s’adapte à celle du substrat, ce qui permet d’avoir des déformations allant de −2,6% (en compression) à 1,3% (en dilatation). Après avoir vérifié la structure de la couche, les chercheurs ont déterminé l’ordre magnétique de la couche d’oxyde par spectroscopie Mossbauer, puis déterminé le spectre des excitations par spectroscopie Raman. En combinant ces mesures avec une modélisation théorique de la structure magnétique, les physiciens ont déterminé les divers ordres magnétiques présents et leur domaine de stabilité. Ce travail ouvre de nombreuses perspectives pour la réalisation de nouveaux composants à ondes de spin ou avec une réponse magnétoélectrique contrôlée. L’enjeu consiste maintenant à ajuster en continu les propriétés magnétiques de ce matériau, par exemple en le combinant à des matériaux piézoélectriques qui se déforment lors qu’ils sont soumis à une tension électrique.

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Un condensat de polaritons à température ambiante
23 juillet 2013

LPN - UPR 20 , L2C - UMR 5221 , CRHEA - UPR 10 , transition de phase , condensat de Bose-Einstein , polaritons
Des physiciens ont réussi à condenser dans un même état quantique des polaritons, particules hybrides mi-lumière mi-matière, à température ambiante dans une microcavité d’oxyde de zinc.

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Obtenir un condensat de Bose-Einstein requiert de placer un grand nombre de particules quantiques identiques dans un même état. Pour un gaz d’atomes dans l’espace libre, il est nécessaire de refroidir le système à des températures extrêmement basses. En revanche, on sait depuis une dizaine d’années qu’il devrait être possible de concevoir des dispositifs semi-conducteurs dans lesquels la profondeur du puits de potentiel qui piège les polaritons est assez importante pour que les conditions de la condensation soient préservées à température ambiante. C’est maintenant chose faite, avec les travaux de physiciens du Centre de recherche sur l’hétéroepitaxie et ses applications-CRHEA (CNRS), de l’Iinstitut Pascal (CNRS/Université Clermont-Ferrand 2), du Laboratoire Charles Coulomb-L2C (CNRS/UM2) et du Laboratoire de photonique et de nanostructures-LPN* (CNRS) qui, en plaçant une couche active sémi-conductrice d’oxyde de zinc dans une microcavité à miroirs de Bragg diélectriques, ont obtenu un condensat de Bose-Einstein de polaritons à température ambiante. Ce travail a fait l’objet d’une publication dans la revue Physical Review Letters.
Parvenir à ce résultat a nécessité les apports complémentaires de 4 équipes de chercheurs originaires de 4 laboratoires différents. En effet, il fallait pouvoir marier les excellentes qualités cristallines de l’oxyde de zinc, aux très grands facteurs de qualité optique des microcavités à miroirs de Bragg diélectriques. Les chercheurs ont gravé un cristal massif de ZnO jusqu’à une épaisseur de quelques centaines de nanomètres puis ont déposé de part et d’autre des miroirs de Bragg diélectriques. Dans ce dispositif, le couplage entre les excitons, c’est-à-dire les paires électron-trou, crées dans le ZnO, et les photons stockés dans la microcavité donne naissance à des excitations hybrides, les polaritons. En modifiant la température et l’épaisseur de la microcavité, les chercheurs ont pu modifier l’intensité du couplage et pu ajuster la proportion lumière-matière des excitons de manière continue entre un état presque purement excitonique et un état presque purement photonique. En choisissant les paramètres, ils ont abouti à la démonstration du premier condensat de polaritons depuis 4K jusqu’à 300K avec une grande richesse de proportion matière versus lumière. La mesure expérimentale et la modélisation du diagramme de phases de la transition de condensation a révélé la nature souvent hors d’équilibre du mécanisme de génération des condensats. Ces travaux ouvrent la porte à la réalisation de portes logiques quantiques, à base de condensats de polaritons, fonctionnant à température ambiante.

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Paris, 23 mars 2014

Un matériau innovant inspiré de la nacre dix fois plus tenace qu'une céramique classique

Les céramiques, qu'elles soient traditionnelles ou de haute technologie, présentent toutes un défaut : leur fragilité. Ce côté cassant pourrait bientôt disparaître : une équipe de chercheurs, menée par le Laboratoire de synthèse et fonctionnalisation des céramiques (CNRS/Saint-Gobain), en collaboration avec le Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (CNRS/ENS de Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1) et le laboratoire Matériaux : ingénierie et science (CNRS/INSA Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1) vient de présenter un nouveau matériau céramique inspiré de la nacre des ormeaux, petits mollusques marins à coquille unique. Ce matériau, près de dix fois plus tenace qu'une céramique classique, est issu d'un procédé de fabrication innovant qui passe par une étape de congélation. Cette méthode semble compatible avec une industrialisation à échelle plus importante, à priori sans surcoût notable par rapport à celles déjà employées. Conservant ses propriétés à des températures d'au moins 600°C, cette nacre artificielle pourrait trouver une foule d'applications dans l'industrie et permettre d'alléger ou de réduire en taille des éléments céramiques des moteurs ou des dispositifs de génération d'énergie. Ces travaux sont publiés le 23 mars 2014 sur le site internet de la revue Nature Materials.
La ténacité, capacité d'un matériau à résister à la rupture en présence d'une fissure, est considérée comme le talon d'Achille des céramiques. Pour pallier leur fragilité intrinsèque, celles-ci sont parfois combinées à d'autres matériaux plus tenaces, métalliques ou polymères. L'adjonction de tels matériaux s'accompagne généralement de limitations plus ou moins sévères. Par exemple, les polymères ne résistent pas à des températures supérieures à 300°C, ce qui limite leur utilisation dans les moteurs ou les fours.

Dans la nature, il existe un matériau proche de la céramique qui est extrêmement tenace : la nacre qui recouvre la coquille des ormeaux et autres bivalves. La nacre est composée à 95 % d'un matériau intrinsèquement fragile, le carbonate de calcium (l'aragonite). Pourtant, sa ténacité est forte. La nacre peut être vue comme un empilement de briques de petite taille, soudées entre elles par un mortier composé de protéines. Sa ténacité tient à sa structure complexe et hiérarchique. La propagation de fissures dans ce type d'architecture est rendue difficile par le chemin tortueux que celles-ci doivent parcourir pour se propager. C'est cette structure qui a inspiré les chercheurs.

Comme ingrédient de base, l'équipe du Laboratoire de synthèse et fonctionnalisation des céramiques (CNRS/Saint-Gobain) a pris une poudre céramique courante, l'alumine, qui se présente sous la forme de plaquettes microscopiques. Pour obtenir la structure lamellée de la nacre, ils ont mis cette poudre en suspension dans de l'eau. Cette suspension colloïdale (1) a été refroidie de manière à obtenir une croissance contrôlée de cristaux de glace. Ceci conduit à un auto-assemblage de l'alumine sous forme d'un empilement de plaquettes. Finalement, le matériau final a été obtenu grâce à une étape de densification à haute température.

Cette nacre artificielle est dix fois plus tenace qu'une céramique classique composée d'alumine. Ceci est dû au fait qu'une fissure, pour se propager, doit contourner une à une les « briques » d'alumine. Ce chemin en zigzag l'empêche de traverser facilement le volume du matériau.

L'un des avantages du procédé est qu'il n'est pas exclusif à l'alumine. N'importe quelle poudre céramique, pour peu qu'elle se présente sous la forme de plaquettes, peut subir le même processus d'auto-assemblage. De plus, l'industrialisation de ce procédé ne devrait pas présenter de difficultés. L'obtention de pièces composées avec ce matériau bio-inspiré ne devrait pas entraîner de grands surcoûts. Sa forte ténacité pour une densité équivalente pourrait permettre de fabriquer des pièces plus petites et légères. Il pourrait devenir un matériau de choix pour les applications soumises à des contraintes sévères dans des domaines allant de l'énergie au blindage.

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