Une avancée majeure en microélectronique : production de nano-rubans de graphène semi-conducteurs
Le graphène, cristal bidimensionnel composé d'une couche unique d'atomes de carbone, possède des propriétés très prometteuses pour l'électronique. Cependant, pour que ces applications potentielles se concrétisent, il était nécessaire d'obtenir une forme semi-conductrice de ce matériau. Huit ans après sa découverte, c'est chose faite, grâce aux travaux d'une équipe franco-américaine menée par le Georgia Institute of Technology (USA), et incluant des scientifiques du CNRS, du synchrotron SOLEIL, de l'Institut Jean Lamour (CNRS/Université de Lorraine, Nancy) et de l'Institut Néel (Grenoble). Les chercheurs sont parvenus à mettre au point une technique de production de bandes de graphène semi-conductrices basée sur le contrôle du substrat sur lequel se produit la croissance du graphène. Leurs résultats, publiés dans Nature Physics le 18 novembre 2012, ouvrent la voie à une électronique de très haute fréquence.
Le graphène se présente comme une monocouche d'atomes de carbone dont l'empilement constitue le graphite. De très nombreuses recherches sont menées depuis une dizaine d'années sur ce matériau. En effet, ses propriétés hors-normes, mobilités électroniques élevées, forte conductivité thermique, stabilité chimique et possibilité de moduler sa conductance électrique par un champ électrique, le rendent particulièrement attrayant pour l'électronique. En particulier, sa mobilité électronique, c'est-à-dire la vitesse à laquelle se déplacent les électrons en son sein, lui promettent des applications dans l'électronique de très haute fréquence, ou térahertz.
Mais voilà, sous sa forme naturelle, le graphène possède une structure métallique. Il est par conséquent conducteur de courant. Or, pour que ce matériau soit utilisable en microélectronique, il est nécessaire de l'obtenir sous une forme semi-conductrice. C'est ce que sont parvenus à obtenir les chercheurs de l'équipe franco-américaine.
En s'appuyant notamment sur les résultats de la ligne de lumière CASSIOPEE du synchrotron SOLEIL, les scientifiques sont parvenus à mettre au point une technique de production de bandes de graphène semi-conductrices. Basée sur le contrôle de la géométrie du substrat sur lequel a lieu la croissance du graphène, elle consiste à graver des nano-sillons sur une surface en carbure de silicium (SiC). Sur ce substrat, le graphène croît sous forme d'un ruban dont le bord, semi-conducteur, est lié à du graphène métallique. Cette bande semi-conductrice ne mesure que quelques nanomètres de largeur.
La Commission européenne sélectionne le projet phare de recherche Graphène
Le projet Graphène a été retenu le 28 janvier 2013 par la Commission européenne comme l'un des deux premiers « FET Flagships » lancés à ce jour : d'une ampleur sans précédent, ces projets phare européens de recherche devraient bénéficier chacun d'une dotation d'un milliard d'euros au cours des dix prochaines années. L'objectif de ce projet est de développer les applications du graphène, et plus largement de la famille des matériaux bidimensionnels, de révolutionner ainsi de nombreuses industries et de générer à la fois croissance économique et emploi en Europe. La France sera, par le volume des activités de recherche conduites, le premier contributeur scientifique du projet durant sa phase de lancement.
Le graphène fait l'objet de toutes les attentions depuis les expériences capitales réalisées sur ce nouveau matériau il y a moins de dix ans et qui ont valu le Prix Nobel de physique 2010 à Andre Geim et Kostya Novoselov de l'Université de Manchester. Cristal bidimensionnel d'un seul plan atomique de carbone, le graphène possède des propriétés extraordinaires, notamment électriques (plus conducteur que le cuivre) et mécaniques (100 à 300 fois plus résistant à la rupture que l'acier) ; il est de plus imperméable à tous les gaz.
Les technologies à base de graphène permettent d'envisager à court terme des applications comme de nouveaux produits électroniques à la fois rapides, flexibles et résistants comme le papier électronique, et des dispositifs de communication enroulables. À plus long terme, elles pourraient déboucher sur des applications révolutionnaires dans le domaine médical, comme des rétines artificielles. Les systèmes électroniques et optiques rapides, l'électronique flexible, les composants légers et les batteries avancées comptent parmi les plus importantes applications potentielles de ce cristal. Permettre le développement de ces applications, en Europe, sera l'objectif du projet Graphène : les recherches menées iront de la production des matériaux, aux composants et à l'intégration des systèmes, et cibleront un certain nombre d'objectifs spécifiques exploitant les propriétés uniques de ce cristal.
A l'issue d'un processus de sélection de deux années, le projet Graphène a été retenu par la Commission européenne parmi trente-cinq projets initialement en compétition. Il est mené par un consortium de 74 partenaires académiques et industriels issus de 17 pays. Il réunit ainsi 126 groupes de recherche et disposera d'un budget initial de 54 millions d'euros sur 30 mois. Le projet est coordonné par le Professeur Jari Kinaret, de l'Université de technologie de Chalmers à Gothenburg, en Suède. Le Professeur, Jari Kinaret conduira les activités de recherche conjointement avec les responsables des quinze axes du projet : onze axes scientifiques et technologiques (Matériaux – Santé et environnement – Recherche fondamentale sur le graphène et les matériaux bidimensionnels (au-delà du graphène) – Electronique haute-fréquence – Optoélectronique – Spintronique – Capteurs – Electronique flexible – Applications à l'énergie – Nanocomposites – Technologies de production) et 4 axes associés à la gestion du projet et à l'innovation.
L'équipe dirigeante sera assistée par un conseil consultatif d'orientation stratégique composé notamment de quatre Prix Nobel de Physique (Andre Geim (Royaume-Uni), Albert Fert (France), Klaus von Klitzing (Allemagne) et Kostya Novoselov (Royaume-Uni)) et des représentants d'industriels majeurs, Nokia (Finlande) et Airbus (France).
Les abeilles domestiques et sauvages contribuent à la pollinisation de 80 % des espèces de plantes à fleurs. Les travaux des chercheurs de l'Inra visent notamment à mieux connaître l'état des populations des insectes pollinisateurs et à évaluer les risques que fait peser leur déclin sur la faune et la flore des milieux cultivés et naturels.
Par Patricia Léveillé Mis à jour le 08/02/2013Publié le 06/02/2013Mots-clés : Biodiversité - Abeilles - déclin - pesticides - pollinisateurs Apis mellifera, l’abeille domestique des apiculteurs est l’espèce la plus répandue et la plus connue. Près de 1 000 espèces d’abeilles différentes sont recensées en France. Soit plus que le nombre de mammifères, oiseaux et reptiles réunis ! Dans le monde, on ne dénombre pas moins de 20 000 espèces d’abeilles.
Les pollinisateurs pèsent 153 milliards d’euros
C’est le chiffre auquel sont parvenus des chercheurs de l’Inra pour estimer la valeur économique de l’activité pollinisatrice des insectes, essentiellement des abeilles (programme Alarm, 2006-2009). Soit 9,5 % en valeur de l'ensemble de la production alimentaire mondiale. Les cultures qui dépendent des pollinisateurs assurent plus d’un tiers, en tonnes, de la production mondiale de nourriture. L'étude a aussi mis en évidence que les cultures les plus dépendantes de la pollinisation par les insectes sont aussi celles qui ont la valeur économique la plus importante.
Biodiversité et abeille : l’une ne va pas sans l’autre
Pollen et nectar des fleurs sont les fondamentaux de l’alimentation des abeilles. La disparition des espèces ordinaires de fleurs liée à l’artificialisation des paysages provoque de longues périodes de disette pour les pollinisateurs. Pour assurer leur protection et leur survie, il faut donc préserver la diversité des sources de pollen en recourant à des jachères florales en zones de grande culture, sur les bordures des routes, dans les jardins des particuliers... et mettre en place des stratégies de diversification des productions agricoles.
À leur tour, les abeilles contribuent à la biodiversité. Une étude publiée en 2006 s’intéressant aux populations d’abeilles sauvages solitaires et de syrphes (mouches qui ressemblent à des abeilles ou à des guêpes) a mis en évidence un déclin à la fois de l’abondance et de la diversité des abeilles sauvages depuis 1980 dans deux tiers des zones répertoriées au Royaume-Uni, ainsi que le déclin des plantes associées à ces pollinisateurs. Les scientifiques s’accordent à constater la diminution des pollinisateurs sauvages dans le monde et redoutent la disparition en cascade de la flore et de la faune associées. Les conséquences sur les écosystèmes naturels sont plus difficiles à évaluer que sur les écosystèmes agricoles.
Environ 225 000 espèces de plantes à fleurs sont pollinisées par 200 000 espèces d’animaux parmi lesquelles en premier lieu des insectes, de l’ordre des hyménoptères (abeilles et guêpes principalement), des diptères (mouches syrphes en particulier), des lépidoptères (papillons) ou des coléoptères (charançons), et aussi en milieu tropical, des oiseaux et des chauves-souris.
La pollinisation par les insectes, dénommée entomophile, est indispensable à la fécondation d’une majorité d’espèces de plantes à fleurs que l’on cultive pour leur graine (colza, tournesol, sarrasin), leur fruit (pomme, poire, kiwi, melon), leur racine ou leur bulbe (carotte, radis, oignon), leur feuillage (chou, salade)...
Le vent est le vecteur principal pour 10 % des plantes à fleurs dont la plupart des céréales (riz, maïs, orge, seigle).
Comment l'ovocyte fécondé se débarrasse des mitochondries paternelles
Lors de la fécondation, l'ensemble du spermatozoïde pénètre dans l'ovocyte. Pourtant, la plupart des organites apportés par celui-ci, et notamment ses mitochondries, ne sont pas transmis à la descendance. Pour la première fois, une étude franco-américaine impliquant des chercheurs du CNRS, de l'Inserm, de l'Institut Pasteur, de l'Université Paris-Sud et de l'UPMC (1), a révélé comment les organites du spermatozoïde sont digérés par l'ovocyte juste après la fécondation. Ces travaux, publiés dans Science le 28 octobre 2011, pourraient permettre d'améliorer les techniques de clonage et de fécondation médicalement assistée, ainsi que de mieux comprendre les raisons évolutives de l'élimination des mitochondries paternelles.
Les mitochondries, organites cellulaires spécialisés dans la production d'énergie, possèdent leur propre génome. Or, chez la plupart des organismes, parmi lesquels les mammifères, l'ADN mitochondrial du père ne se transmet pas à la descendance : seules subsistent les mitochondries de la mère, contenues dans l'ovocyte. On ne savait pas, jusqu'à présent, comment ni à quel moment les mitochondries paternelles étaient dégradées. Les chercheurs sont parvenus à élucider cette question en utilisant comme organisme modèle le nématode C. elegans, un ver transparent de 1 millimètre de long, bien connu des laboratoires de biologie.
Les chercheurs ont montré que, quelques minutes après la fécondation, l'ovocyte enclenche un processus d'autophagie : les éléments du spermatozoïde sont séquestrés dans des vésicules puis éliminés par voie de dégradation enzymatique. Grâce à la PCR (2), technique d'analyse de l'ADN, les chercheurs ont pu confirmer que peu de temps après la fécondation, tout le matériel génétique issu des mitochondries paternelles est détruit.
Ils ont ensuite inactivé la mécanique cellulaire permettant l'autophagie et observé que, dans ces conditions, les mitochondries paternelles subsistent dans l'embryon. Puis, afin de savoir si ce processus de spermatophagie est conservé chez les mammifères, ils ont cherché dans des ovocytes de souris tout juste fécondés, les marqueurs qui indiquent le début d'une autophagie. Effectivement, ils ont observé que les protéines d'autophagie de l'ovocyte se concentrent autour de la pièce intermédiaire du spermatozoïde, là où se situent les mitochondries. Ceci laisse penser que le mécanisme de dégradation découvert chez C. elegans opère de façon analogue chez les mammifères.
Le métabolisme très actif des spermatozoïdes pourrait conduire à l'apparition fréquente de mutations dans leur ADN mitochondrial. L'ovocyte éliminerait les mitochondries paternelles afin d'éviter que ces mutations ne se perpétuent et affectent la descendance. Ces travaux ouvrent la voie à des expériences permettant de tester cette hypothèse. En effet, en inactivant la spermatophagie, on pourrait créer des organismes héritant des deux jeux de mitochondries et observer l'effet produit sur eux. Par ailleurs, ces travaux posent la question du destin des mitochondries paternelles lorsque des embryons sont créés par clonage ou grâce à des techniques avancées de fécondation médicalement assistée. Ces techniques autorisent-elles la réponse autophagique de l'ovocyte et la destruction des mitochondries paternelles qui pourraient induire des maladies ? La question est à présent ouverte.
