Le calcium de nos os est né d’une explosion stellaire rare

Le calcium est le constituant principal de nos os et de nos dents. Produit par les étoiles, il est ensuite dispersé dans l’Univers. Et notamment lors d’explosions stellaires rares. Tellement rares qu’elles restaient, pour les astronomes, extrêmement mystérieuses. Mais, aujourd’hui, une équipe dévoile quelques-uns des secrets de ces supernovae riches en calcium.

L’oxygène, le carbone ou encore l’azote qui entrent dans la composition de nos cellules sont nés au cœur des étoiles. Et même le calcium essentiel à nos os. Tous ces éléments ont ensuite été éjectés dans l’espace par de violentes explosions d’étoiles en supernovae. Certaines d’entre elles sont qualifiées par les astronomes de supernovae riches en calcium. Mais elles restent rares. D’où la difficulté jusqu’alors pour les chercheurs à expliquer l’abondance en calcium observée dans notre Voie lactée, par exemple.

Aujourd’hui, des travaux menés dans plusieurs observatoires à travers le monde par une équipe de 70 scientifiques pourraient bien éclairer le problème d’une lumière nouvelle. Car, pour la première fois, des chercheurs ont pu observer aux rayons X une supernova riche en calcium, baptisée SN 2019ehk. « Aucune théorie n’avait imaginé que ces phénomènes pourraient s’accompagner d’une émission X », note Raffaella Margutti, astronome à l’université Northwestern (États-Unis), dans un communiqué de l’université de Californie.

Supernova riche en calcium

Des chercheurs expliquent comment l’explosion d’une étoile en supernova peut produire le calcium essentiel à nos os. Sur cette vue d’artiste, la supernova SN 2019ehk. Le matériau riche en calcium apparaît en orange. En violet, une couche de gaz rejetée par l’étoile juste avant son explosion. (Source : Aaron M. Geller/Université Northwestern)

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Des chercheurs modélisent un pentadiamant, plus solide que le diamant

Un nouveau “pentadiamant”, plus solide que le diamant ? C’est en tout cas ce qu’une équipe de chercheurs japonais promet, après avoir réussi à modéliser un nouveau matériau de carbone. Celui-ci serait théoriquement plus solide que le diamant et à peine plus dense que le graphite d’un crayon de papier.

Lorsqu’il est solide, le carbone est un élément qui peut prendre bien des apparences. Du graphite de la mine d’un crayon au matériau le plus solide connu, le diamant, les conditions de formation sont différentes mais l’unique élément qui les compose est le même. On appelle ces matériaux des variétés allotropiques du carbone. Dans le cas du diamant, les atomes de carbone forment des liaisons avec un nombre maximum d’autres atomes : quatre. C’est l’hybridation du carbone (notée ici sp3). De plus, le diamant, formé dans des conditions de pression et de température extrêmes, possède une structure tridimensionnelle. C’est cette structure et cette hybridation qui lui confèrent sa solidité inégalée.

Des chercheurs de l’Université de Tsukuba au Japon ont souhaité explorer la possibilité d’intégrer des atomes de carbone d’hybridations différentes à une structure déjà existante telle que celle d’un diamant, la rendant plus complexe. Dans leur étude, publiée dans le journal Physical Review Letters, l’équipe du professeur Yasumaru Fujii a utilisé des modélisations informatiques pour proposer un réarrangement des atomes de carbone en un tout nouveau matériau, qu’ils ont baptisé le “pentadiamant”.

Pentadiamant

Structure des atomes de carbones formant le pentadiamant. Ce dernier porte ce nom du fait de la forme pentagonale que prennent les carbones (Source : University of Tsukuba).

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Une expérience de chimie vieille de 100 ans enfin explicitée !

En ajoutant des électrons à de l’ammoniac liquide, celui-ci passe du bleu vif à un aspect bronze métallique brillant. Les détails de cette transformation, qui traduit le passage d’un non-métal à un métal, n’avaient jusqu’à présent pas été véritablement éclaircis. Une nouvelle étude parue dans Science vient aujourd’hui lever le voile sur cette réaction chimique centenaire…

Pour comprendre les mécanismes de cette réaction, les chercheurs ont utilisé la technique du microjet, qui consiste à projeter de minces flux de solution (aussi fins qu’un cheveu) à travers un faisceau de rayons X. Les résultats de leurs expérimentations pourraient notamment ouvrir la voie à de nouveaux types de réactions en chimie organique.

Les métaux regroupent des éléments très diversifiés, aux propriétés physiques et chimiques différentes. Leur point commun est qu’ils sont tous conducteurs d’électricité. Pourquoi ? Car les atomes métalliques possèdent des électrons libres, qui sont faiblement liés au noyau et qui peuvent se déplacer comme bon leur semble. Dans un métal, les atomes partagent leurs électrons libres jusqu’à former une sorte de gaz électronique global. Si on applique un champ électrique, celui-ci entraînera le déplacement des électrons, donc un courant électrique.

Comment certains non-métaux peuvent-ils se transformer en métaux ? Les études expérimentales destinées à analyser le comportement des électrons en excès (donc libres) dans les liquides se sont pour la plupart limitées à des concentrations d’électrons très faibles. Une équipe de chercheurs s’est intéressée cette fois-ci à ce qu’il se passait en cas de plus fortes concentrations d’électrons dans de l’ammoniac liquide.

Expérience ammonic métal alcalin

Les scientifiques ont transformé l’ammoniac liquide en un métal de couleur bronze (Source : Phil Mason).

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Le LHCb détecte un tout nouveau type de particule !

Les hadrons sont des particules composites constituées de deux (mésons) ou trois quarks (baryons), tels que les protons et neutrons composant les noyaux atomiques. Néanmoins, le Modèle Standard prédit également l’existence de hadrons plus massifs composés de quatre ou cinq quarks, appelés respectivement tétraquarks et pentaquarks. De telles particules ont été détectées auparavant, mais jamais composées des quatre ou cinq mêmes quarks. Récemment, l’expérience LHCb a observé pour la toute première fois un tétraquark composé de quatre quarks (et antiquarks) charm. Ce résultat extrêmement important devrait permettre aux physiciens d’étudier plus en détail les interactions entre quarks dans le cadre de la chromodynamique quantique, la théorie quantique de l’interaction forte.

La collaboration LHCb a observé un type de particule à quatre quarks jamais vu auparavant. La découverte, présentée lors d’un récent séminaire au CERN et décrite dans un article publié sur arXiv, est probablement la première d’une classe de particules inconnue jusqu’alors et jamais vue par les physiciens.

Cette découverte aidera les physiciens à mieux comprendre les quarks, un type de particule élémentaire qui est un élément fondamental de toute matière. Les quarks se lient ensemble pour former des particules composites appelées hadrons, qui comprennent les protons et les neutrons. Cette nouvelle découverte peut maintenant aider les physiciens à comprendre les façons complexes dont les quarks se lient entre eux pour former ces composites.

Les quarks se combinent généralement en groupes de deux (mésons) et de trois (baryons) pour former des hadrons. Pendant des décennies, cependant, les théoriciens ont prédit l’existence de hadrons à quatre et cinq quarks, qui sont parfois décrits comme des tétraquarks et des pentaquarks et au cours des dernières années, des expériences incluant le LHCb ont confirmé l’existence de plusieurs de ces hadrons exotiques.

Tétraquark

Une expérience LHCb a observé pour la toute première fois un tétraquark composé de quatre quarks (et antiquarks) charm (Source : CERN).

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Les Airbus de demain voleront-ils à l’hydrogène ?

Parmi les mesures du plan de soutien à l’aéronautique du gouvernement francais, figure l’objectif de lancer dès 2035 un avion volant à l’hydrogène sans émettre de CO2. Luis Le Moyne, directeur de l’Institut supérieur de l’automobile et des transports, nous explique la difficulté de la tâche.

Il y a quelques jours, lors de l’annonce du plan gouvernemental de relance de l’aéronautique, la France a indiqué vouloir un avion zéro émission carbone à l’hydrogène dès 2035. En annonçant l’octroi d’un financement d’1,5 milliard d’euros sur 3 ans au Conseil pour la Recherche Aéronautique Civile (CORAC), l’État souhaite amorcer un programme de Recherche et Développement dans les technologies de réduction de la consommation de carburant, les technologies d’électrification des avions et les expérimentations de carburants neutres en carbone comme l’hydrogène.

Ce financement a aussi pour but d’éviter aux industriels concernés tout risque de retard, voire d’être dépassés par leur concurrents si les compagnies aériennes, poussées par leurs clients, se faisaient plus insistantes et réclamaient un avion zéro émission carbone dès le début de la décennie 2030.

Si Elisabeth Borne, ministre de la Transition écologique et solidaire s’est dite confiante dans la réalisation d’un tel avion à cet horizon, des spécialistes de l’aviation commerciale et du secteur des transports sont plus nuancés. C’est le cas de Luis Le Moyne, directeur de l’Institut supérieur de l’automobile et des transports.

Voilà à quoi devrait ressembler l’avion électrique à hydrogène Element One (Source : HES Energy Systems).

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Observation d’une source de sursauts radio rapides possédant un cycle d’activité de 157 jours

Les sursauts radio rapides (FRB) sont des événements cosmiques caractérisés par l’émission extrêmement brève d’un rayonnement radio. Observés depuis plus d’une décennie maintenant, leur origine et leur dynamique sont encore très incertaines, bien que certaines hypothèses impliquant des blitzars ou des trous noirs aient été avancées. L’une des sources de FRB les plus notables est 121102, en raison de sa récurrence. Découverte en 2012 par le radiotélescope Arecibo, cette source de FRB intrigue particulièrement les astrophysiciens. Et récemment, une équipe de chercheurs a découvert que 121102 arborait un cycle d’activité de 157 jours, faisant d’elle la seconde source de FRB connue à montrer une périodicité.

En utilisant les capacités d’observation sur le long terme du télescope Lovell, une équipe internationale d’astrophysiciens dirigée par Jodrell Bank a étudié un phénomène connu sous le nom de sursaut radio rapide (FRB). En utilisant les FRB découvertes au cours de l’étude, conjointement avec les données des observations publiées précédemment, l’équipe a découvert que la source du FRB connue sous le nom de 121102 suit un schéma cyclique, avec des sursauts radio observés dans une fenêtre d’environ 90 jours suivie d’un silence de 67 jours.

Le même comportement se répète ensuite tous les 157 jours. Cette découverte fournit un indice important pour identifier l’origine de ces phénomènes. La présence d’une séquence régulière dans l’activité pourrait impliquer que les sursauts sont liés au mouvement orbital d’une étoile massive, d’une étoile à neutrons ou d’un trou noir.

Sursauts radio rapides

Sursauts radio rapides (Source : Swinburne Astronomy Productions).

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Microscopie : des atomes individuels observés pour la première fois

Grâce à la cryo-microscopie électronique (cryo-ME) et à des logiciels d’amélioration d’image avancés, deux équipes de chercheurs sont parvenues à observer les atomes d’une protéine avec un niveau de détail inégalé. Ils ont ainsi pu observer des structures inédites des molécules, ouvrant la voie à la conception de médicaments ciblés.

Jamais une protéine n’avait été observée avec un tel niveau de détails. Deux équipes de chercheurs de l’Institut Max-Planck de chimie biophysique de Göttingen (Allemagne) et du Laboratoire de biologie moléculaire du Medical Research Council (MRC-LMB) à Cambridge (Royaume-Uni), ont pu discerner des atomes individuellement dans une protéine avec une précision d’environ 1,25 angström (0,125 nanomètre).

« C’est une étape décisive : nous avons franchi la dernière barrière de résolution », s’est félicité Holger Stark, chercheur à l’Institut Max Planck et auteur principal d’une des deux études décrivant la prouesse et toutes deux mises en ligne sur le site de pré-publication BioRxiv. « C’était comme si on avait enlevé la poussière sur nos yeux», a renchéri son collègue Radu Aricescu du MRC-LMB.

Apoferritine cryo-microscopie électronique

La molécule d’apoferritine vue à la cryo-microscopie électronique (Source : Paul Emsley).

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Une batterie sodium-ion aussi performante qu’une batterie lithium-ion

Alternative prometteuse mais encore problématique à bien des égards, la batterie sodium-ion pourrait enfin commencer à rivaliser avec la batterie au lithium : une équipe de chercheurs américains est enfin parvenue à un niveau de performances égal pour les deux dispositif. Reste maintenant à transformer l’essai au niveau industriel.

En 2019, le prix Nobel de chimie récompensait l’Américain John B. Goodenough, le Britannique Stanley Whittingham et le Japonais Akira Yoshino pour leurs travaux sur les batteries lithium-ion. C’est peu dire que l’invention cette technologie, dans les années 1970, fut une véritable révolution. Présente dans les smartphones, les ordinateurs portables, les montres connectées, les consoles de jeux, les deux roues ou encore les voitures électriques, la batterie lithium a offert à nos appareils une autonomie presque aussi bouleversante d’un point de vue sociétal que l’invention de l’électricité.

Pourtant, ce petit réceptacle à énergie pose encore plusieurs problèmes, à commencer par les matériaux qu’il requiert pour sa conception : le lithium et le cobalt, des matières premières rares et chères, et qui devraient le devenir encore plus face à l’augmentation constante de la demande (notamment dans le secteur l’industrie automobile électrique). Pour ces raisons, des chercheurs s’activent constamment en laboratoire pour tenter de développer une alternative viable à la batterie lithium-ion. L’une d’entre elles s’appuie sur les sels de sodium, bien plus bon marché et surtout, présent en abondance dans les océans et la croûte terrestre.

Batterie sodium-ion

Jusqu’ici, les batteries aux sels de sodium n’étaient pas en mesure d’égaler les batteries lithium-ion en termes de performance et de durée de vie. Ici, le chimiste Juanhua Song, membre de l’équipe à l’origine de la publication. (Source : WSU)

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L’une des constantes fondamentales de la physique pourrait finalement varier dans l’Univers

Parmi les 29 paramètres libres du Modèle Standard, se trouvent plusieurs constantes fondamentales, dont la constante de structure fine notée α. Il s’agit d’une constante de couplage qui rend compte de l’intensité de l’interaction électromagnétique entre les électrons et les photons. Sa valeur ne peut être déterminée qu’expérimentalement, étant donné qu’il n’existe actuellement aucun moyen théorique de la calculer. De récentes mesures de cette constante ont cependant montré des variations de sa valeur. Si ces résultats sont réitérés et confirmés, ils pourraient signifier une inconstance du couplage électromagnétique, et donc avoir d’importantes conséquences sur la physique.

Les physiciens ont trouvé des indices qu’une constante physique fondamentale utilisée pour mesurer la force de l’électromagnétisme entre les particules élémentaires pourrait en fait être plutôt inconstante, selon des mesures prises à partir d’un quasar situé à environ 13 milliards d’années-lumière de la Terre. L’étude a été publiée dans la revue Science Advances.

L’électromagnétisme est l’une des quatre interactions fondamentales de l’Univers, aux côtés de la gravité, de la force nucléaire faible et de la force nucléaire forte. L’intensité de l’interaction électromagnétique entre les particules élémentaires est calculée à l’aide de ce que l’on appelle la constante de structure fine. Cependant, les nouvelles données indiquent de minuscules variations de cette constante, ce qui pourrait avoir d’énormes implications sur la physique actuelle. Les dernières données montrent également que l’Univers pourrait ne pas être si isotrope que prévu.

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Énergie solaire : des chercheurs atteignent un rendement proche de 50% en laboratoire

Les énergies renouvelables représentent aujourd’hui 19% de l’énergie consommée dans le monde ; la proportion d’énergie solaire n’est que de 0,7 %. Une part relativement minime, mais qui connaît une forte progression depuis quelques années. D’autant plus que les progrès techniques dans le secteur permettent de concevoir des panneaux solaires de plus en plus performants. Pour preuve, en matière d’efficacité, de nouveaux records viennent d’être battus : des scientifiques américains du National Renewable Energy Laboratory (NREL) ont atteint un rendement de 47,1%, tandis que des chercheurs du centre Helmholtz de Berlin ont conçu un nouveau type de cellule tandem affichant une efficacité de 24,16 %.

En 2016, près de 75 GW de panneaux photovoltaïques ont été installés dans le monde. La puissance mondiale du solaire photovoltaïque représentait alors 303 GW. En 2017, la capacité du parc solaire photovoltaïque français – dont les deux tiers se situent dans la moitié sud du pays – atteignait 7660 MW. La filière thermique est la plus exploitée : à l’échelle mondiale, elle représente 70,7% de l’énergie solaire consommée. Cette technologie convertit le rayonnement solaire en énergie thermique permettant de produire de l’électricité, mais aussi de la chaleur ou du froid. Le photovoltaïque – qui transforme directement le rayonnement solaire en électricité – représente quant à lui 28,6%. Enfin, le solaire thermodynamique à concentration compte pour 0,7% du total.

Aujourd’hui, les cellules solaires traditionnelles, à base de silicium et à jonction unique, sont limitées à 30% de rendement. Des rendements plus élevés sont toutefois possibles en multipliant les jonctions et en concentrant la lumière : des chercheurs du National Renewable Energy Laboratory (NREL), situé à Golden dans le Colorado, sont en effet parvenus à un rendement proche de 50%.

L’équipe du NREL a développé une cellule solaire à six jonctions. Chacune de ces six jonctions est conçue pour capturer une gamme spécifique de la lumière du spectre solaire. Ainsi, ils sont parvenus à un taux de conversion d’énergie sans précédent : 47,1% !

Panneaux solaires Lire la suite