La première feuille d’or de l’épaisseur d’un atome, baptisée Goldene, produite par des chercheurs suédois

L’or est un métal noble qui a tendance à s’agglutiner, une caractéristique le rendant difficile à aplatir tout en conservant une structure viable. Récemment, des chercheurs de l’Université de Linköping (Suède) ont réussi un véritable exploit : ils ont créé la toute première feuille d’or de l’épaisseur d’un atome. Baptisé Goldene, ce nouveau matériau bidimensionnel doté de propriétés semi-conductrices aurait un vaste potentiel applicatif dans diverses technologies.

« Si vous fabriquez un matériau extrêmement fin, quelque chose d’extraordinaire se produit – comme avec le graphène. C’est la même chose avec l’or. Comme vous le savez, l’or est généralement un métal, mais s’il ne contient qu’un seul atome, il peut devenir un semi-conducteur », explique Shun Kashiwaya, chercheur en matériaux, dans un communiqué de l’Université de Linköping. Kashiwaya est l’un des chercheurs principaux ayant participé à la mise au point du Goldene, un matériau constitué d’une seule couche d’atomes d’or. Ainsi, il ne peut littéralement pas être plus mince.

Il n’y a pas si longtemps, le graphène (matériau extrêmement solide, fin, flexible et excellent conducteur thermique et électrique) a été reproduit en laboratoire pour la première fois. Avec ses propriétés étonnantes, il n’aura pas fallu attendre longtemps pour qu’il soit utilisé en électronique, dans les panneaux solaires, les avions et même dans le prêt-à-porter. Aujourd’hui, le Goldene suscite une attention particulièrement similaire d’un point de vue applicatif, car à l’instar du graphène, il pourrait bien avoir de nombreux débouchés technologiques.

Kashiwaya et ses collègues n’avaient initialement pas pour but de créer le Goldene. Tout a commencé avec un matériau à trois dimensions, où l’or était incrusté entre des couches de carbone et de titane. L’objectif premier était d’exfolier cet or et l’étaler. « Nous avions créé le matériau de base en pensant à des applications complètement différentes », explique Lars Hultman, physicien en matériaux à l’Université de Linköping.

Le Goldene, matériau bidimensionnel doté de propriétés semi-conductrices, aurait un vaste potentiel applicatif dans diverses technologies.

Aperçu inédit des lignes de champ magnétique entourant le trou noir au centre de notre galaxie

Un groupe international d’astronomes dévoile l’aperçu le plus détaillé à ce jour des lignes de champ magnétique entourant Sagittarius A* (Sgr A*), le trou noir supermassif au centre de notre galaxie. Obtenue par le biais d’une technique d’imagerie basée sur la lumière polarisée, l’image révèle une structure de champ magnétique étonnamment similaire à celle de M87* — un trou noir plusieurs milliers de fois plus massif. Cette similitude suggère qu’à l’instar de ce dernier, Sgr A* pourrait aussi émettre d’immenses jets de particules sans que l’on ne s’en aperçoive.

La polarisation est une caractéristique des ondes vectorielles (qui peuvent se déplacer dans différentes directions), impliquant une diffusion selon une orientation privilégiée. Les ondes électromagnétiques, telles que les ondes gravitationnelles et la lumière, possèdent toutes deux des propriétés de polarisation.

Lorsque les ondes électromagnétiques sont polarisées, le champ électrique et le champ magnétique oscillent simultanément dans des directions perpendiculaires. Au niveau du plasma lumineux entourant les trous noirs, les particules autour des lignes de champ magnétique peuvent conférer un motif de polarisation perpendiculaire à ce champ. Cet effet permet aux astronomes d’observer des détails qui seraient autrement invisibles avec la lumière non polarisée et de cartographier les lignes du champ magnétique du trou noir.

« En observant la lumière polarisée d’un gaz chaud et incandescent à proximité des trous noirs, nous déduisons directement la structure et la force des champs magnétiques qui guident le flux de gaz et de matière dont le trou noir se nourrit et éjecte », explique dans un communiqué du consortium Event Horizon Telescope (EHT), Angelo Ricarte, du Black Hole Initiative de l’Université Harvard et du Centre d’Astrophysique Harvard & Smithonian. « La lumière polarisée nous en apprend beaucoup plus sur l’astrophysique, les propriétés du gaz et les mécanismes qui se produisent lorsqu’un trou noir se nourrit », ajoute-t-il.

Aperçu polarisé du trou noir au centre de la Voie lactée (Sgr A*). Les lignes marquent l’orientation de la polarisation, liée au champ magnétique englobant le trou noir (Source : EHT).

Découverte d’étranges particules se comportant comme des gravitons, les hypothétiques « particules de gravité »

Des chercheurs apportent la première preuve expérimentale de particules semblables à des gravitons, des particules hypothétiques censées « transporter » la gravité. Appelées « modes gravitoniques chiraux (CGM) », il s’agit (dans le cas de cette expérience) d’excitations collectives, dans un matériau semi-conducteur, se comportant comme des particules et montrant des caractéristiques typiques des gravitons. Cette découverte pourrait contribuer à améliorer notre compréhension de l’Univers, en aidant notamment aux travaux « d’unification » potentielle de la relativité générale et de la mécanique quantique.

Le graviton est une hypothétique particule élémentaire qui véhiculerait la gravité. Proposé dans les années 1930, il est principalement théorisé dans les systèmes de gravité quantique. Pour l’analogie, il est comparable à l’élastique d’une fronde qui tient la pierre et qui transporte la force de poussée nécessaire à cette dernière pour l’orienter dans la direction souhaitée. Ainsi, plus il y a de gravitons dans un champ gravitationnel, plus celui-ci est puissant.

Cependant, malgré des décennies de recherches, ces fameuses particules n’ont jamais été détectées. Publiés en 1993, les travaux du physicien Aron Pinczuk (décédé en 2022) ont permis de découvrir celles qui s’en rapprocheraient le plus. En poursuivant ses travaux, son équipe et d’anciens élèves apportent la première preuve expérimentale qui pourrait enfin permettre de découvrir ces insaisissables particules (autrement dit, des indices).

« Notre expérience marque la première justification expérimentale de ce concept de graviton, postulé par des travaux pionniers en gravité quantique depuis les années 1930, dans un système de matière condensée », explique dans un communiqué Lingjie Du, ancien postdoctorant à l’Université de Columbia, aujourd’hui affilié à l’Université chinoise de Nanjing. Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue Nature.

Première preuve expérimentale de particules semblables à des gravitons, des particules hypothétiques censées « transporter » la gravité.

Un grand pas vers la communication quantique ultrasécurisée grâce à une nouvelle source d’intrication

Des chercheurs ont fait un grand pas vers la communication quantique ultrasécurisée en fusionnant avec succès deux concepts lauréats du prix Nobel : l’intrication et les points quantiques. En intégrant des points quantiques dans un nanofil, les experts ont pu créer une source de photons intriqués presque parfaite, soit une intrication presque 65 fois plus efficace qu’avec les techniques précédentes. Cela a permis de simuler une « distribution quantique de clés », une technique de communication quasi inviolable.

L’intrication quantique (ou enchevêtrement quantique) est un phénomène au cours duquel une ou plusieurs paires de particules forment un système lié et présentent des états quantiques interdépendants, quelle que soit la distance qui les sépare. Il existe ainsi une constante corrélation entre les propriétés physiques de ces particules. Ce principe a été démontré expérimentalement pour la première fois par Alain Aspect, John Clauser et Anton Zeilinger, leur valant le prix Nobel de physique en 2022.

Depuis, le phénomène est largement étudié pour ses possibilités d’application dans les technologies de communication et d’imagerie avancées. Cependant, un défi majeur subsiste quant à l’obtention d’intrications suffisamment stables pour de telles applications. « La combinaison d’un degré élevé d’intrication et d’une efficacité élevée est nécessaire pour des applications passionnantes telles que la distribution de clés quantiques ou les répéteurs quantiques, qui devraient étendre la distance de communication quantique sécurisée à l’échelle mondiale ou relier des ordinateurs quantiques distants », explique Michael Reimer dans un communiqué de l’Institut d’informatique quantique (IQC) de l’Université de Waterloo (en Belgique).

Afin de surmonter ce défi, les points quantiques sont depuis peu explorés. Expérimentés pour la première fois par Moungi Bawendi, Louis Brus et Alexeï Iekimov, les prix Nobel 2023 de chimie, il s’agit de nanostructures cristallines de semiconducteurs, contenant entre quelques centaines et quelques milliers d’atomes. Il est suggéré que leur structure offrirait un niveau de confinement suffisamment élevé pour générer efficacement des photons parfaitement intriqués.

Des chercheurs ont fait un grand pas vers la communication quantique ultrasécurisée en fusionnant avec succès l’intrication et les points quantiques.

Bertrand Piccard relève le défi vertigineux d’un tour du monde sans escale avec un avion à hydrogène vert

Bertrand Piccard, fortement engagé dans la lutte contre le réchauffement climatique et la transition énergétique, présente Climate Impulse, son nouveau projet de réaliser un tour du monde sans escale à bord d’un avion propulsé à l’hydrogène vert. La conception et la fabrication de cet avion représenteront un défi technologique majeur.

Bertrand Piccard, récemment interviewé au sujet de la transition énergétique, annonce son nouveau projet : Climate Impulse. Ce projet ambitieux vise à réaliser un tour du monde sans escale de neuf jours et sans émission à bord d’un avion propulsé à l’hydrogène vert, démontrant ainsi que des solutions concrètes peuvent contribuer à un monde plus propre et efficient. Climate Impulse se donne pour mission de développer et promouvoir des technologies révolutionnaires pour l’industrie aéronautique et le secteur de la mobilité en général.

Après avoir réalisé le premier tour du monde en ballon et, plus récemment en avion solaire avec Solar Impulse, Bertrand Piccard s’attaque à un nouveau défi mêlant technologie, aventure environnementale et humaine. Ce projet s’inscrit donc dans la lignée des précédentes explorations environnementales de l’explorateur suisse. Reste toutefois à construire cet avion qui tentera de faire le tour de l’équateur sans escale, un challenge de taille. Pour cela, Bertrand Piccard s’est associé à l’entreprise scientifique Syensqo, partenaire principal de Climate Impulse. La construction de l’avion, dirigée par l’ingénieur et navigateur Raphaël Dinelli, débutera cette année pour un vol prévu en 2028, après deux ans de tests.

Prochain défi de Bertrand Piccard : réaliser un tour du monde (de l’équateur) en neuf jours à bord d’un avion volant à l’hydrogène vert. Décollage en 2028 (Source : XD)..

Thermodynamique : le chauffage et le refroidissement seraient asymétriques et ainsi fondamentalement différents

Des physiciens suggèrent dans une nouvelle étude que plutôt que d’être parfaitement symétriques, le chauffage et le refroidissement se manifestent de façon asymétrique et ainsi fondamentalement différente — contrairement à ce que nos modèles avancent. Leurs expériences ont notamment montré qu’un système chauffe toujours plus vite qu’il ne refroidit, selon un processus appelé « relaxation thermique » — ce qui est en contradiction avec les lois de la thermodynamique. Selon les chercheurs, cet effet pourrait potentiellement être considéré comme une loi supplémentaire de la thermodynamique.

Selon les lois conventionnelles de la thermodynamique, tout système en contact avec son environnement se détend pour correspondre à la température de celui-ci et ainsi atteindre ce que l’on appelle « l’équilibre thermodynamique ». Ce processus d’adaptation, connu sous le nom de « relaxation thermique », est dû aux flux de chaleur irréversibles résultant des différences de température entre le système et son environnement. Par exemple, si l’on extrait une pièce de monnaie d’un bain d’eau glacée, celle-ci se réchauffe progressivement pour atteindre la température de l’air ambiant. À l’inverse, si cette pièce sort d’un bain d’eau bouillante, elle se refroidit jusqu’à atteindre également la température ambiante.

Si la différence de température initiale entre le système et l’environnement est mineure (c’est-à-dire que le système est proche de l’équilibre), la relaxation se produit de façon quasi linéaire. La relaxation thermique s’effectuerait également de façon symétrique, conformément à la théorie de la « thermodynamique linéaire irréversible ». Cela implique, selon nos théories actuelles, que deux systèmes chauffés et refroidis se trouvant à « équidistance » de l’équilibre thermodynamique devraient se relaxer exactement au même rythme.

Cependant, la relaxation thermique est beaucoup plus complexe lorsque les systèmes sont amenés loin de l’équilibre thermodynamique, par exemple en cas d’ébullition ou de congélation. S’ils sont loin de l’équilibre, l’hypothèse de la thermodynamique linéaire irréversible n’est pas cohérente. Des phénomènes contre-intuitifs peuvent notamment survenir selon les conditions thermiques initiales, telles qu’une relaxation anormale (ou effet Mpemba). Cette dernière se manifeste par exemple lorsque l’eau chaude gèle plus rapidement que l’eau froide, notamment dans un environnement externe extrêmement froid.

Le chauffage et le refroidissement se manifesteraient de façon asymétrique et ainsi fondamentalement différente

Un prototype de batterie fonctionnant avec de l’hémoglobine

De l’hémoglobine, présente chez presque tous les mammifères, a récemment été utilisée dans un prototype innovant de batterie zinc-air. Dans ce nouveau système, cette dernière facilite la réaction de réduction de l’oxygène. Dans les batteries zinc-air conventionnelles, ce rôle est généralement assuré par des métaux précieux ou des composés à base de métaux précieux, tels que le platine ou les alliages de platine. L’hémoglobine pourrait ainsi offrir une alternative potentiellement plus écologique. Cependant, l’une des applications les plus prometteuses de cette batterie zinc-air à hémoglobine est son utilisation dans des dispositifs médicaux implantables.

L’hémoglobine, une protéine clé présente dans les globules rouges, remplit deux fonctions biologiques essentielles. Premièrement, elle facilite le transport du dioxyde de carbone des tissus vers les poumons, d’où ce dernier est ensuite expiré. Deuxièmement, elle est responsable du transport de l’oxygène depuis les poumons jusqu’aux différents tissus du corps.

C’est la capacité de cette protéine à se lier efficacement avec l’oxygène qui a suscité l’intérêt des chercheurs. Des scientifiques de l’Université de Cordoue et de l’Université polytechnique de Carthagène ont ainsi exploité cette propriété pour le développement d’un prototype de batterie zinc-air innovant fonctionnant avec de l’hémoglobine. Les détails ont été publiés dans la revue Energy & Fuels.

L’hémoglobine pourrait ainsi offrir une alternative potentiellement plus écologique aux batteries zinc-air (Source : Trust My Science).

Panneaux solaires : de nouvelles cellules permettraient de réduire leur coût d’un facteur 4

Des chercheurs ont développé des additifs moléculaires permettant de prolonger la durée de vie des cellules solaires en pérovskite et de réduire jusqu’à quatre fois leur coût par rapport à celles à couche mince (actuelles). Ces additifs, dits « passivateurs de défauts », permettent notamment de ralentir considérablement la dégradation des films semi-conducteurs en pérovskite. Cela pourrait contribuer à améliorer la durabilité des panneaux photovoltaïques tout en améliorant leur compétitivité sur le marché des technologies énergétiques.

En vue des objectifs mondiaux de neutralité carbone, la demande en matière de technologies énergétiques vertes ne cesse de croître. Parmi les plus utilisées figurent les panneaux photovoltaïques, dont l’apport énergétique mondial devrait atteindre 4500 gigawattheures d’ici 2050.

Actuellement, les panneaux photovoltaïques disponibles sur le marché sont majoritairement composés de cellules solaires en silicium cristallin. Cependant, « les cellules solaires au silicium sont excellentes, car elles sont très efficaces et peuvent durer très longtemps, mais leur rendement a un coût élevé », indique Xiwen Gong, de l’Université du Michigan. En effet, « pour fabriquer du silicium de haute pureté, il faut des températures supérieures à 1000 °C. Sinon, l’efficacité n’est pas bonne », ajoute-t-il. Cela génère des coûts financiers et environnementaux considérables.

Afin de surmonter ces défis, les matériaux photovoltaïques alternatifs tels que les pérovskites aux halogénures métalliques (un sous-ensemble de pérovskites hybrides organiques-inorganiques contenant des ions halogénures comme l’iodure ou le bromure) sont désormais explorés pour leur meilleur rapport coût/performance. Ces matériaux sont notamment dotés d’excellentes propriétés optiques et électriques, tout en étant environ deux fois moins coûteux à produire que les semi-conducteurs en silicium cristallin. Ils peuvent également être combinés avec des semi-conducteurs à base de silicium et permettraient ainsi de dépasser l’efficacité théorique maximale des cellules solaires en silicium.

Des scientifiques transforment du CO2 en ressource précieuse !

Au temps des alchimistes, on rêvait de transformer le plomb en or. Au temps du réchauffement climatique anthropique, c’est le dioxyde de carbone (CO₂) que l’on rêve de transformer en or. Et c’est presque ce que sont parvenus à faire des chercheurs. Ils en ont fait des nanofibres de carbone qui pourraient servir à renforcer le ciment.

L’idée d’éliminer le dioxyde de carbone (CO₂) présent en excès dans notre atmosphère n’est pas nouvelle. Elle est même de plus en plus à la mode. Parce que cela nous aiderait à lutter contre le réchauffement climatique anthropique. Mais elle reste difficile à mettre en œuvre. Et on ne sait pas tout à fait quoi faire du CO₂ ainsi capté. Le stocker nous expose à des risques de fuites. Alors peut-être pourrions-nous le convertir en des produits utiles…

C’est le pari qu’ont fait des chercheurs du Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie (DOE) et de l’Université de Columbia (États-Unis). Réussir à transformer le CO₂ non pas en un carburant qui serait presque immédiatement brûlé pour renvoyer du CO₂ dans l’atmosphère, mais en « quelque chose à valeur ajoutée, en un produit solide et utile ». En l’occurrence, en des nanofibres de carbone (CNF) qu’ils imaginent déjà pouvoir renforcer le ciment pour stocker le carbone pendant plusieurs décennies.

Le processus mis au point par des scientifiques américains utilise des réactions électrocatalytiques (anneau bleu) et thermocatalytiques (anneau orange) en tandem pour convertir le CO₂ (molécules bleues et argent) de l’atmosphère, plus de l’eau (violet et bleu) en nanofibres de carbone (argent), produisant au passage de l’hydrogène gazeux (H₂, violet). (Source : Zhenhua Xie/Erwei Huang/Brookhaven National Laboratory/Columbia University)

Des atomes d’hydrogène se dissociant observés en direct grâce à un nouveau type de caméra ultra-rapide

Des chercheurs du SLAC et de Stanford ont mis au point une technique innovante pour observer les mouvements des atomes d’hydrogène dans les molécules d’ammoniac, exploitant la diffraction électronique ultra-rapide. Cette exploration détaillée des transferts de protons et des réactions de dissociation atomique ouvre la voie à une compréhension plus approfondie des réactions chimiques et biologiques. Les implications de cette recherche s’étendent de la biologie structurale à la chimie, en fournissant des indices sur les mécanismes réactionnels fondamentaux.

La compréhension des mécanismes moléculaires joue un rôle central dans notre capacité à déchiffrer les processus complexes qui sous-tendent les réactions chimiques et biologiques. Ces processus, omniprésents dans notre environnement, influencent tout, des fonctions corporelles aux innovations technologiques. Au centre de cette complexité se trouve l’atome d’hydrogène. Sa dynamique, en particulier sa capacité à se lier et à se séparer d’autres atomes, est cruciale pour de nombreuses réactions.

Des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory et de l’Université Stanford ont récemment mis en lumière les mouvements de ces atomes dans les molécules d’ammoniac, offrant une vision inédite des transferts de protons. L’étude est disponible dans la revue Physical Review Letters.

Les transferts de protons, qui impliquent le déplacement d’un proton d’une molécule à une autre, sont un élément fondamental de nombreuses réactions chimiques et biologiques, influençant des processus vitaux tels que la catalyse enzymatique. Dans ce cas, les enzymes accélèrent les réactions chimiques et le fonctionnement des pompes à protons dans les cellules, qui jouent un rôle crucial dans le maintien de l’équilibre acido-basique et de la production d’énergie. La rapidité avec laquelle ces transferts de protons se produisent, souvent de l’ordre de la femtoseconde (10^-15 secondes), rend leur observation et leur compréhension détaillée particulièrement complexe et délicate.

L’irradiation de l’ammoniac – composé d’un azote et de trois hydrogènes – avec de la lumière ultraviolette provoque la dissociation d’un hydrogène de l’ammoniac (Source : Nanna H. List/KTH Royal Institute of Technology).