Paris, 29 AVRIL 2013

Un nouveau colorant ultra-brillant pour mieux sonder le cerveau
Pour obtenir des images en 3D de très haute résolution du système vasculaire cérébral, on utilise un colorant qui fluoresce dans le proche infra-rouge, lumière que la peau laisse passer. Un nouveau colorant, le chromophore Lem-PHEA, qui surclasse sensiblement les meilleurs colorants actuellement utilisés, vient d'être synthétisé par une équipe du Laboratoire de chimie (CNRS / ENS de Lyon / Université Claude Bernard Lyon 1). Menés en collaboration avec des chercheurs de l'Institut des neurosciences (Université Joseph Fourier - Grenoble / CEA / Inserm / CHU) et du Laboratoire Chimie et interdisciplinarité : synthèse, analyse, modélisation (CNRS / Université de Nantes), ces travaux viennent de paraître en ligne dans la revue Chemical Science. Ils ouvrent d'importantes perspectives pour mieux observer le cerveau et comprendre son fonctionnement.
Différentes techniques d'imagerie cérébrale, comme la microscopie biphotonique ou l'IRM, contribuent à comprendre le fonctionnement du cerveau sain ou malade. Une de leurs caractéristiques essentielles est leur résolution spatiale, c'est-à-dire la dimension des plus petits détails observables par chacune d'elles. Typiquement, pour l'imagerie par résonance magnétique (IRM), cette résolution est limitée à quelques millimètres, ce qui ne permet pas d'obtenir des images comme celle ci-dessous dont la résolution est cette fois de l'ordre du micromètre.

Pour obtenir de telles images du système vasculaire d'un cerveau de souris, il est nécessaire de disposer d'un colorant fluorescent qui doit réunir plusieurs propriétés : luminescence dans le proche infrarouge, solubilité dans les milieux biologiques, faible coût, non toxicité et qui permette l'imagerie 3D (absorption à deux photons). Les chercheurs viennent de mettre au point un nouveau colorant, le Lem-PHEA, qui réunit ces propriétés, et est facilement synthétisé. Injecté dans les vaisseaux sanguins d'une souris, il a révélé les détails du système vasculaire de cet animal avec une précision qui n'avait encore jamais été atteinte, grâce à une fluorescence nettement amplifiée par rapport aux colorants « classiques » (tels que les dérivés de la Rhodamin-B et des cyanines). Avec le Lem-PHEA, les chercheurs ont obtenu des images plus contrastées (en termes de brillance) qu'avec ces colorants usuels. Enfin, il est facilement éliminable par les reins et aucun résidu toxique n'a été retrouvé dans le foie. Ces résultats ouvrent d'importantes perspectives pour mieux comprendre le fonctionnement du cerveau.

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Paris, 3 octobre 2011

Recycler le CO2 : une nouvelle approche

Convertir du dioxyde de carbone (CO2) pour obtenir une classe de molécules à la base de la fabrication de textiles, médicaments, et colles : c'est le défi d'une équipe de chercheurs du CEA et du CNRS (1), dont les travaux mis en ligne ces jours-ci, font l'objet d'une publication qualifiée de « Very Important Paper » (VIP) par les experts de la revue Angewandte Chemie de janvier 2012. Alors que nos ressources pétrolières deviennent insuffisantes et que nous souhaitons limiter les émissions de CO2 associées à leur usage, l'utilisation de ce déchet pour produire des composés chimiques réutilisables, est une alternative prometteuse à la pétrochimie. L'approche scientifique présentée est une démarche innovante qui satisfait les exigences de la "chimie verte".
Le CO2 est le déchet ultime de la combustion des hydrocarbures, tels que le pétrole ou le gaz naturel, mais aussi de toute autre activité industrielle utilisant des ressources carbonées fossiles. Ce produit, de basse énergie, est faiblement réactif. Il s'accumule dans l'atmosphère et, en tant que gaz à effet de serre, participe au réchauffement climatique. Réduire nos émissions de CO2 et utiliser le CO2 existant sont donc deux défis actuels majeurs. Une voie audacieuse pour répondre d'un coup à ce double défi est de trouver le bon procédé capable d'apporter suffisamment d'énergie pour fonctionnaliser la molécule de CO2 et la convertir en carburant ou en consommable chimique, issus aujourd'hui des produits pétroliers.

Une nouvelle façon de recycler le CO2
Jusqu'à présent, deux approches étaient régulièrement privilégiées pour recycler le CO2 : la première consistait à incorporer le CO2 dans des matériaux sans valeur énergétique (comme les plastiques à base de polycarbonate par exemple). La deuxième approche visait, quant à elle, à utiliser le CO2 comme vecteur énergétique, pour produire de nouveaux carburants (l'acide formique et le méthanol). L'inconvénient de ces deux procédés, bien distincts, est qu'ils permettent de produire un nombre très limité de molécules et que la majorité des produits de base de l'industrie chimique reste issue de la pétrochimie.
Aujourd'hui, grâce aux recherches menées par l'équipe du CEA / CNRS du SIS2M (1), une approche alternative est possible. Selon un procédé chimique original, la voie proposée vise à incorporer des molécules de CO2 dans des matériaux, tout en lui fournissant de l'énergie. A noter que la réaction mise au point repose sur une source d'énergie d'origine chimique. Cette démarche, qui permet dans le principe de produire une grande diversité de molécules, a été validée par les expériences conduites cette année dans les laboratoires de l'unité mixte de recherche CEA / CNRS. Ainsi, il est désormais possible de convertir du CO2 en formamides, c'est-à-dire en molécules issues habituellement de la pétrochimie. Ces molécules sont à la base de la production de colles, de peintures ou encore de produits textiles.

Une voie conforme aux exigences de la chimie verte
La synthèse industrielle des formamides repose généralement sur des méthodes pétrochimiques, en plusieurs étapes, mettant en jeu un gaz toxique (le monoxyde de carbone) utilisé à haute température et haute pression. A contrario, la méthode de conversion du CO2 employée par les chercheurs du CEA / CNRS répond aux exigences de la chimie verte, du fait qu'elle s'effectue en une seule étape et que l'utilisation d'un catalyseur (2) permet à la réaction d'avoir lieu à basse température et à basse pression. De plus, le catalyseur utilisé par l'équipe du CEA/CNRS est purement organique, ce qui évite le recours à des matières métalliques toxiques et coûteuses, comme l'or, le platine ou le cobalt. Enfin et grâce à ce procédé, la réaction peut s'effectuer sans solvant et limiter ainsi le rejet de déchets.

Cette nouvelle voie pour le recyclage du CO2 pourrait contribuer à résoudre le problème de la raréfaction des ressources pétrochimiques et à la réduction des gaz à effet de serre. La réaction mise au point reposant actuellement sur une source d'énergie d'origine chimique, le prochain travail des chercheurs vise à réussir la conversion du CO2 à partir d'une source d'énergie électrique décarbonée telle que l'énergie nucléaire ou photovoltaïque. Validé en laboratoire, ce procédé ouvre la voie à de nombreux développements technologiques et industriels, indispensables pour répondre aux contraintes économiques et écologiques auxquels doivent faire face les sociétés industrialisées.

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La catalyse

La plupart des réactions biologiques qui forment le corps humain sont des réactions catalytiques. La catalyse joue un rôle également déterminant dans des processus industriels majeurs comme la synthèse de l'ammoniac, le raffinage du pétrole ou la réduction des oxydes d'azote dans les pots catalytiques. Un catalyseur est un composé qui rend possible une réaction chimique mais qui sort indemne de la transformation. Un catalyseur peut agir sur un acte élémentaire ou sur le bilan d'une réaction complexe ; enfin il peut orienter vers une réaction plutôt qu'une autre. La catalyse concerne tous les domaines de la chimie. La catalyse acido-basique concerne le domaine de la chimie organique. Les catalyseurs dans le domaine de la biochimie sont les enzymes qui doivent épouser une forme complémentaire du substrat pour s'adapter à lui, puis présenter un site actif où la réactivité est modifiée. La catalyse homogène est le domaine de la chimie organométallique ; elle concerne un centre métallique dont l'environnement électronique et géométrique est bien défini, ce qui permet de bien contrôler la réaction. La catalyse hétérogène concerne la science des surfaces et des interfaces. Du point de vue industriel, ces catalyseurs sont les plus employés car ils présentent de nombreux sites actifs qui sont utilisés de nombreuses fois de façon consécutive. Comprendre un processus catalytique, c'est aller au delà d'un simple bilan, cela nécessite de décrire les étapes du voyage partant des réactifs et allant vers les produits. Comprendre la catalyse, c'est décrire la réaction dans son environnement. Cela devrait être de plus en plus le cas durant le prochain siècle et cela devrait permettre d'améliorer les performances des catalyseurs déjà connus.

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Analyse de gaz par spectrométrie de masse

Il s'agit de montrer comment analyser les constituants d'un gaz en utilisant un spectromètre de masse. Le système est bien décomposé pour expliquer le fonctionnement et les utilisations possibles.

Vidéo issue du projet VideoManip dont l'objectif est la réalisation de courtes séquences filmées, montrant des expériences réelles, qui seraient à la fois trop complexes pour être montées et montrées en amphi, et pas assez riches d'enseignement pour justifier un TP de plusieurs heures. Les sciences de l'ingénieur consistent à utiliser un phénomène physique pour construire un objet répondant à un besoin donné. Cela suppose de la part des scientifiques, des (futurs) ingénieurs et des (futurs) enseignants qui les forme(ro)nt une connaissance assez intime des phénomènes physiques exploitables. Dans le processus d'acquisition de cette connaissance, rien ne remplace la confrontation directe au phénomène étudié au travers de l'expérimentation. La "manip de cours" ou "manip d'amphi" (expérimentation par le professeur pendant le cours magistral) permet de confronter immédiatement les étudiants au phénomène étudié sans avoir à attendre qu'ils aient acquis suffisamment de compétence pour pouvoir manipuler eux-mêmes. Ce genre d'illustration représente un investissement important, tant pour la mise en place de l'expérimentation elle-même que pour celle des dispositifs annexes permettant de la faire visualiser par un grand auditoire.

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