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LA PHYSIQUE QUANTIQUE

 

LA PHYSIQUE QUANTIQUE (PHILIPPE GRANGIER)


Nous décrirons des expériences permettant de mettre en évidence des propriétés simples et fondamentales de la physique quantique, comme l'existence de superpositions linéaires d'états, ou celle d'états "enchevêtrés" ou "intriqués". Nous montrerons ensuite comment de tels états peuvent être utilisés dans le domaine très actif de "l'information quantique", pour réaliser des dispositifs de cryptographie parfaitement sûrs, ou pour effectuer certains calculs de manière potentiellement beaucoup plus efficace qu'avec des ordinateurs usuels.

 

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(si la video n'est pas accéssible,tapez le titre dans le moteur de recherche de CANAL U.)

 
 
 
 

UN SUPERCONDENSATEUR

 

Paris, 17 février 2013


Explorer la structure d'un supercondensateur… et l'améliorer !


En freinant, le bus le recharge et à l'arrêt, il peut fournir l'électricité permettant d'ouvrir les portes du bus : voilà une des utilisations du supercondensateur ! Bien qu'utilisé dans la vie courante, cet appareil de stockage de l'électricité a une organisation et un fonctionnement moléculaires qui n'avaient jamais été observés jusqu'à aujourd'hui. Des chercheurs du CNRS et de l'Université d'Orléans ont exploré pour la première fois les réarrangements moléculaires à l'œuvre dans des supercondensateurs commerciaux en fonctionnement. Le procédé imaginé par les scientifiques offre une nouvelle clé pour optimiser et améliorer les supercondensateurs du futur. Ces résultats sont publiés le 17 février 2013 sur le site de la revue Nature Materials.
Les supercondensateurs sont des appareils de stockage de l'électricité différents des batteries. Contrairement à ces dernières, leur charge est beaucoup plus rapide (le plus souvent en quelques secondes) et ils ne subissent pas d'usures aussi rapides liées aux charges/décharges. En revanche, à taille égale et bien qu'offrant une plus grande puissance, ils ne peuvent pas stocker autant d'énergie électrique que les batteries (les supercondensateurs à base de carbone fournissent une densité d'énergie d'environ 5 Wh/Kg et les batteries lithium-ion de l'ordre de 100 Wh/kg). On retrouve les supercondensateurs dans la récupération de l'énergie de freinage de nombreux véhicules (voitures, bus, trains), ou encore pour assurer l'ouverture d'urgence de l'avion A380.

Un supercondensateur stocke l'électricité grâce à l'interaction entre des électrodes en carbone nanoporeux et des ions, porteurs des charges positives et négatives, qui se déplacent dans un liquide appelé électrolyte (voir schéma explicatif ci-dessous). Lors de la charge, les anions (ions chargés négativement) sont remplacés par des cations (ions chargés positivement) dans l'électrode négative et inversement. Plus cet échange est important et plus la surface de carbone disponible est élevée, plus la capacité du supercondensateur grandit.

Grâce à la spectroscopie par Résonance magnétique nucléaire (RMN), les chercheurs sont allés plus loin dans cette description et chose unique, ils ont pu quantifier dans quelle proportion se font les échanges de charges sur deux supercondensateurs utilisant des carbones commerciaux. En comparant deux carbones nanoporeux, ils ont pu ainsi mettre en avant que le supercondensateur comportant le carbone avec une structure la plus désordonnée offrait une meilleure capacité et une meilleure tolérance aux tensions les plus élevées. Ceci serait dû à une meilleure répartition des charges électroniques au contact des molécules de l'électrolyte.

Ces résultats sont le fruit de la collaboration de deux équipes orléanaises : l'une au CEMHTI1 du CNRS, spécialiste de la RMN et membre du Réseau français sur le stockage électrochimique de l'énergie (www.energie-rs2e.com), l'autre au Centre de recherche sur la matière divisée (CNRS/Université d'Orléans), qui est centrée sur l'étude de nouveaux matériaux carbonés pour les supercondensateurs. Cette complémentarité permet aujourd'hui la mise au point d'une technique qui offre tant aux laboratoires de recherche qu'aux entreprises un véritable outil pour l'optimisation des matériaux du supercondensateur.

 

DOCUMENT             CNRS              LIEN

 
 
 
 

L'ÉNERGIE OSMOTIQUE

 

Paris, 27 février 2013


Energie renouvelable : des nanotubes pour tirer le meilleur de l'énergie osmotique


La différence de salinité entre l'eau douce et l'eau de mer est l'une des voies explorées pour obtenir de l'énergie renouvelable. Néanmoins, les faibles rendements des techniques actuelles constituent un frein à son utilisation. Ce verrou pourrait être en train d'être levé. Une équipe menée par des physiciens de l'Institut Lumière Matière (CNRS / Université Claude Bernard Lyon 1), en collaboration avec l'Institut Néel (CNRS), a découvert une nouvelle piste pour récupérer cette énergie : l'écoulement osmotique à travers des nanotubes de Bore-Azote permet de générer un courant électrique géant avec une efficacité plus de 1 000 fois supérieure à celle atteinte jusqu'ici. Pour parvenir à ce résultat, les chercheurs ont développé un dispositif expérimental très original permettant, pour la première fois, d'étudier le transport osmotique des fluides à travers un nanotube unique. Leurs résultats sont publiés le 28 février dans la revue Nature.
Les phénomènes osmotiques se manifestent lorsque l'on met en contact un réservoir d'eau salée avec un réservoir d'eau douce par l'intermédiaire de membranes semi-perméables adaptées. Il est alors possible de produire de l'électricité à partir des gradients salins. Ceci, de deux façons différentes : d'un côté, la différence de pression osmotique entre les deux réservoirs peut faire tourner une turbine ; de l'autre, l'utilisation de membranes qui ne laissent passer que les ions permet de produire un courant électrique.

Concentrée au niveau des embouchures des fleuves, la capacité théorique de l'énergie osmotique au niveau mondial serait d'au moins 1 Térawatt, soit l'équivalent de 1000 réacteurs nucléaires. Cependant, les technologies permettant de récupérer cette énergie présentent d'assez faibles performances, de l'ordre de 3 Watts par mètre carré de membrane. Les physiciens de l'Institut Lumière Matière (CNRS / Université Claude Bernard Lyon 1), en collaboration avec l'Institut Néel (CNRS), pourraient être parvenus à lever ce verrou.

Leur but premier était d'étudier la dynamique de fluides confinés dans des espaces de taille nanométrique tels que l'intérieur de nanotubes. En s'inspirant de la biologie et des recherches sur les canaux cellulaires, ils sont parvenus, pour la première fois, à mesurer l'écoulement osmotique traversant un nanotube unique. Leur dispositif expérimental était composé d'une membrane imperméable et isolante électriquement. Cette membrane était percée d'un trou unique par lequel les chercheurs ont fait passer, à l'aide de la pointe d'un microscope à effet tunnel, un nanotube de Bore-Azote de quelques dizaines de nanomètres de diamètre extérieur. Deux électrodes plongées dans le liquide de part et d'autre du nanotube leur ont permis de mesurer le courant électrique traversant la membrane.

En séparant un réservoir d'eau salée et un réservoir d'eau douce avec cette membrane, ils ont généré un courant électrique géant à travers le nanotube. Celui-ci est dû à l'importante charge négative que présentent les nanotubes de Bore-Azote à leur surface, charge qui attire les cations contenus dans l'eau salée. L'intensité du courant traversant le nanotube de Bore-Azote est de l'ordre du nanoampère, soit plus de mille fois celui produit par les autres méthodes cherchant à récupérer l'énergie osmotique.

Les nanotubes de Bore-Azote permettent donc de réaliser une conversion extrêmement efficace de l'énergie contenue dans les gradients salins en énergie électrique directement utilisable. En extrapolant ces résultats à une plus grande échelle, une membrane de 1 mètre carré de nanotubes de Bore-Azote aurait une capacité d'environ 4 kW et serait capable de générer jusqu'à 30 MegaWatts.heure 1 par an. Ces performances sont trois ordres de grandeur au-dessus de celles des prototypes de centrales osmotiques en service aujourd'hui. Les chercheurs veulent à présent étudier la fabrication de membranes composées de nanotubes de Bore-Azote, et tester les performances de nanotubes de composition différente.

 

DOCUMENT               CNRS                  LIEN

 
 
 
 

TEMPÉRATURE EN ANTARTIQUE

 

Paris, 28 février 2013


Température en Antarctique et CO2 ont augmenté simultanément par le passé


L'augmentation de température en Antarctique durant la dernière déglaciation (il y a 20 000 à 10 000 ans) se serait produite en même temps que l'augmentation de la concentration en dioxyde de carbone (CO2). Cette découverte a été effectuée par une équipe européenne menée par des chercheurs français du CNRS, du CEA, des universités de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines et Joseph Fourier - Grenoble1 à partir de l'analyse de glaces issues de 5 forages en Antarctique. Elle vient contredire de précédents travaux qui indiquaient un retard de la hausse du CO2 par rapport à celle des températures antarctiques. Ces nouveaux résultats suggèrent donc que le CO2 pourrait être une cause possible de ce réchauffement. Ils sont publiés le 1er mars dans la revue Science.
Les calottes polaires forment une excellente archive des variations passées de l'atmosphère et du climat polaire. Les carottes extraites jusqu'à présent couvrent 800 000 ans d'histoire en Antarctique2 et permettent de mieux connaître les variations passées du climat. Un lien a été mis en évidence entre les températures antarctiques et la teneur en CO2 durant le passé : de manière générale, les températures étaient élevées durant les périodes à forte teneur en CO2 atmosphérique et vice versa. Mais, l'effet de serre dû au CO2 aurait-il provoqué un réchauffement ? Ou bien est-ce l'inverse ? 

Pour avancer sur cette problématique, les chercheurs ont tenté de déterminer qui du CO2 ou de la température variait en premier lors d'une hausse ou d'une baisse commune. La question est complexe car on ne lit pas la température et la teneur en CO2 d'un âge donné au même niveau dans une carotte de glace : la température est enregistrée à la surface des calottes polaires tandis que les gaz atmosphériques comme le CO2 sont piégés à environ 100 mètres de profondeur, là où les bulles se forment (cette profondeur étant dépendante des conditions climatiques). Autrement dit, les bulles de gaz sont toujours plus jeunes que la glace qui les entoure.

Jusqu'à présent, cette profondeur de piégeage ainsi que le décalage temporel entre CO2 et température étaient déterminés à partir de modèles de tassement de la neige. De précédents travaux avaient ainsi montré que la hausse du CO2 en Antarctique lors de la fin du dernier âge de glace (de -20 000 à -10 000 ans) avait commencé huit cent ans après celle de la température.
Une équipe de scientifiques pilotée par deux laboratoires français, le Laboratoire de glaciologie et de géophysique de l'environnement (LGGE3, CNRS/UJF) et le Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (IPSL/LSCE, CNRS/CEA/UVSQ), a mis en place une autre technique afin d'estimer ce décalage temporel : les scientifiques ont déduit la profondeur de piégeage des gaz à partir de l'isotope 15 de l'azote des bulles d'air. En effet, cet élément est enrichi par gravitation proportionnellement à la profondeur de piégeage. Ils ont également appliqué une méthode statistique innovante pour déterminer la température en Antarctique et son déphasage par rapport au CO2. 

Selon leurs résultats, le CO2 et la température antarctique ont varié en même temps à la fin du dernier âge glaciaire, à 200 ans près. Cette découverte rend maintenant probable l'hypothèse selon laquelle le CO2 ait été responsable, au moins en partie, du réchauffement en Antarctique à la fin du dernier âge glaciaire. Cependant, de nouvelles données et de nouvelles simulations seront nécessaires pour déterminer précisément les différentes contributions à ce réchauffement climatique passé naturel. Les scientifiques ont d'ailleurs prévu d'étudier d'autres périodes et d'analyser d'autres carottes avec ces mêmes méthodes.

 

DOCUMENT                CNRS                  LIEN

 
 
 
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