Paris, 19 octobre 2012

Un assemblage de nano-machines pour mimer le muscle

Pour la première fois, un assemblage de milliers de nano-machines capables de produire un mouvement de contraction coordonné s'étendant jusqu'à une dizaine de micromètres, à l'instar des mouvements des fibres musculaires, a été réalisé par une équipe de l'Institut Charles Sadron du CNRS. Ces travaux novateurs menés par Nicolas Giuseppone, professeur à l'Université de Strasbourg, et impliquant des chercheurs du Laboratoire de matière et systèmes complexes (CNRS/Université Paris Diderot), valident expérimentalement une approche biomimétique conceptualisée depuis plusieurs années dans le domaine des nanosciences. Ils permettent d'envisager de très nombreuses applications en robotique, en nanotechnologie pour le stockage d'information, dans le domaine médical comme la réalisation de muscles artificiels ou pour concevoir d'autres matériaux incorporant des nano-machines (dotés de nouvelles propriétés mécaniques). Ces travaux viennent de paraître sur le site de la revue Angewandte Chemie International Edition.
La nature fabrique de nombreuses machines dites « moléculaires ». Assemblages de protéines très complexes, elles sont à l'origine de fonctions essentielles du vivant comme le transport d'ions, la synthèse de l'ATP (molécule énergétique) ou la division cellulaire. Nos muscles sont ainsi contrôlés par le mouvement coordonné de ces milliers de nano-machines protéiques qui ne fonctionnent individuellement que sur des distances de l'ordre du nanomètre. Mais en s'associant par milliers, elles amplifient le même mouvement télescopique jusqu'à atteindre notre échelle et ce, de manière parfaitement coordonnée. Même si des progrès fulgurants ont été accomplis ces dernières années par les chimistes de synthèse pour la fabrication de nano-machines artificielles (dont les propriétés mécaniques intéressent de plus en plus chercheurs et industriels), restait le problème de la coordination de plusieurs de ces machines dans l'espace et dans le temps.

C'est désormais chose faite puisque, pour la première fois, l'équipe de Nicolas Giuseppone a réussi à synthétiser de longues chaînes polymères incorporant par liaisons supramoléculaires (1) des milliers de nano-machines capables de produire chacune des mouvements télescopiques linéaires d'un nanomètre. Sous l'influence du pH, leurs mouvements simultanés permettent à l'ensemble de la chaîne polymère de se contracter ou de s'étendre sur une dizaine de micromètres, amplifiant ainsi le mouvement par un facteur 10 000, selon les mêmes principes que ceux utilisés par les tissus musculaires. Les mesures précises de cette prouesse expérimentale ont été effectuées en collaboration avec l'équipe d'Eric Buhler, physicien spécialiste de la diffusion du rayonnement au laboratoire Matière et Systèmes Complexes (CNRS/Université Paris Diderot).

Ces résultats obtenus par une approche biomimétique permettent d'envisager de très nombreuses applications pour la réalisation de muscles artificiels, de micro-robots ou pour la conception de nouveaux matériaux incorporant des nano-machines dotées de nouvelles propriétés mécaniques multi-échelles.

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DE L’ÉLECTRONIQUE QUANTIQUE À L’OPTIQUE QUANTIQUE

L’avènement du laser est l’aboutissement d’un long processus de maturation des concepts relatifs à l’interaction entre la lumière et la matière, qui a commencé il y a plus de cent ans avec les travaux de Lorentz. A la suite des travaux d’Einstein, on s’est rendu compte qu’il était indispensable de traiter quantiquement la matière pour caractériser précisément cette interaction, d’où le nom d’ « électronique quantique » donné dans les années 50-60 à ce domaine de recherche. Mais l’avènement du laser a relancé la problématique et les interrogations : comment concilier la nature manifestement ondulatoire de la lumière produite par un laser avec son caractère non moins manifestement quantique et corpusculaire, puisque ce sont bien des photons qui sont produits par le mécanisme d’émission stimulée à l’origine du fonctionnement du laser ? Sous l’impulsion de R. Glauber et d’autres chercheurs, une théorie complètement quantique s’est mise progressivement en place, capable de rendre compte de manière unifiée de ces deux aspects de la lumière laser. On s’est alors rendu compte qu’il était envisageable de produire une lumière aux propriétés spécifiquement quantiques, notamment en ce qui concerne ses fluctuations et de ses corrélations. L’électronique quantique a ainsi progressivement cédé la place à l’optique quantique. Les techniques laser ont ainsi permis de produire et d’étudier des états aux propriétés quantiques de plus en plus étranges : photons uniques, états comprimés, états intriqués, chats de Schrödinger… L’exposé retracera les grandes lignes de cette évolution, poursuivie sur plus d’un siècle, et ses perspectives.

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LA GRAVITATION : HISTOIRE ET PROBLÈMES ACTUELS

Conférence donnée le 4 novembre 2003 par Luc Blanchet, physicien théoricien au GReCO-IAP. La relativité générale, créée en 1915 par Einstein, est issue d'une combinaison remarquable du principe de relativité, qui stipule l'invariance des lois de la physique dans les changements de repères inertiels (les lois sont les mêmes dans le train à grande vitesse et sur le talus immobile le long des rails), et le principe d'équivalence exprimant la fameuse égalité de la chute des corps (une plume tombe à la même accélération qu'une bille de plomb dans le champ de gravitation). Le pulsar binaire PSR 1913+16, un pulsar en orbite autour d'une autre étoile à neutrons, a montré l'existence d'une prédiction de cette théorie : les ondes gravitationnelles, que forme le champ de gravitation en se déplacant à la vitesse de la lumière. Les expériences VIRGO et LIGO vont permettre d'observer directement ces ondes, émises par des systèmes d'étoiles à neutrons ou de trous noirs doubles, au moment de leur fusion finale pour former un trou noir. La dynamique de ces systèmes se déduira de la comparaison avec la théorie dans ce qu'elle a de plus "pur" : le problème du mouvement gravitationnel de deux corps.

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Paris, 13 mars 2008

Nanoélectronique : les chercheurs observent en direct la compression de la lumière

Une équipe de chercheurs du CEA(1) et de l'Université de Technologie de Troyes associée au CNRS(2) a visualisé, au microscope, des plasmons à la surface de conducteurs mesurant 30 nanomètres. L'utilisation de ces plasmons, signaux à la limite de l'électronique et de l'optique, devient, à cette échelle, un enjeu important pour la miniaturisation recherchée des circuits électroniques.
C'est la première fois que des images d'une telle résolution sont obtenues pour ces phénomènes étudiés depuis une dizaine d'années. Cette observation fait l'objet d'une publication dans Nano Letters du 12 mars 2008.
En électronique, les efforts technologiques se poursuivent pour réaliser des circuits de plus en plus fins et permettant de traiter l'information à des fréquences de plus en plus élevées. Si les dispositifs électroniques deviennent plus petits et plus complexes (les micro-processeurs des ordinateurs), ils restent limités à des fréquences usuelles de l'ordre du gigahertz. Les fréquences optiques sont un million de fois plus élevées (1015 Hz), mais les limites spatiales imposées par la longueur d'onde de la lumière (de l'ordre du micron) empêchent une miniaturisation plus poussée.
Pour réduire encore la longueur d’onde, et en quelque sorte comprimer la lumière, une solution consiste à convertir le signal lumineux en « plasmon ». Le plasmon est un phénomène ayant tous les caractères d’une onde lumineuse, sauf qu’il reste bloqué aux parois d’un métal conducteur. Lorsque le diamètre de l’objet métallique est réduit à 30 nm, le plasmon développe un mode dit « lent » (on parle de plasmon lent). Or ce mode lent a la propriété d’osciller à la fréquence de l’onde lumineuse tout en ayant une longueur d’onde très inférieure à celle de  la lumière !
Les chercheurs s’y intéressent car c’est à cette même échelle approchant les 30 nm que se poseront bientôt les limites de miniaturisation en électronique.

Ces principes étaient connus, mais il restait à les observer concrètement. Lorsque le plasmon excité par la lumière se propage sur le conducteur, différents effets secondaires apparaissent, parmi lesquels l’émission d’électrons. Les chercheurs ont donc utilisé un microscope PEEM (Photo Emission Electron Microscopy) pour obtenir ces images.

La première figure montre l'émission issue d'un fil d'or. Les modulations d'intensité résultent des interférences entre le plasmon lent et l'onde lumineuse d'excitation.
L’image à très haute résolution (fig.2) montre un mode lent d'excitation plasmon d'un « bâtonnet » de 100 nm de long par de la lumière de longueur d'onde 807 nm. Ici on peut comprimer par 3 la longueur d’onde par rapport à la longueur d’onde de la lumière (entre 250 et 300 nm).
En convertissant l'information d'un signal optique vers un plasmon lent, on peut ainsi envisager, pour des structures voisines de 30 nm, de concilier les hautes fréquences optiques et les dimensions « classiques » de l’électronique silicium.

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