Twistron, cette étonnante fibre plus légère qu’une mouche capable de produire de l’électricité

C’est peut-être la fibre de la révolution : le projet « Twistron », un dispositif filaire composé de nanotube de carbone, présente la capacité de générer de l’électricité dès lors qu’il est étiré ou soumis à de simples torsions.

Et si la batterie électrique telle qu’on la connait devenait un lointain souvenir ? Une équipe scientifique – dirigée par des chercheurs de l’Université du Texas à Dallas et de l’Université Hanyang en Corée du Sud – a mis au point une étonnante invention capable de générer de l’électricité grâce à une simple torsion ou un banal étirement.

Nommé « Twistron », le matériau prend la forme d’une sorte de fil tressé. Selon l’étude publiée dans la revue Science, il se compose en réalité de nanotubes de carbone, des cylindres creux au diamètre 10.000 fois inférieur à celui d’un cheveu. Pour concevoir leur dispositif, les chercheurs ont ainsi torsadé les nanotubes une première fois puis une seconde beaucoup plus fortement afin de rendre le fil élastique.

Pour qu’il puisse générer de l’électricité, ils ont ensuite exposé les fils à un matériau conducteur à base d’ions. « Lorsque vous plongez les fibres en nanotubes de carbone dans un bain d’électrolyte (Ndlr : une substance conductrice contenant des ions mobiles), les fibres sont chargées par l’électrolyte elle-même », a expliqué Na Li, chercheur à l’Université du Texas à Dallas.

Twistron

Twistron, une fibre qui produit de l’électricité.

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Des nanotubes de carbone pourraient permettre de dessaler l’eau de mer

Des chercheurs ont développé des nanotubes de carbone 50 000 fois plus fins qu’un cheveu humain qui peuvent séparer le sel de l’eau de mer à haut débit.

Laisser passer l’eau, retenir le sel… Un rêve pour des millions d’humains qui vivent au bord de l’océan ou se contentent d’eau saumâtre. Des chercheurs du Laboratoire national Lawrence Livermore (Livermore) et de la Northeastern University (Boston) aux États-Unis ont justement développé des nanotubes de carbone qui peuvent séparer les sels dissous de l’eau de mer. Ils ont présenté leurs résultats dans Science.

Leurs nanotubes, des structures creuses faites d’atomes de carbone assemblées sous forme de grillage (voir la vidéo), sont plus de 50 000 fois plus fins que les cheveux humains. La surface interne extrêmement lisse du nanotube est responsable de sa perméabilité remarquablement élevée à l’eau, tandis que la petite taille des pores bloque les ions de sel plus gros.

Ces tubes s’inspirent des aquaporines, des protéines membranaires qui favorisent le passage de l’eau à travers les cellules, tout en faisant barrage aux ions et protons. Cette « ingénieuse hydraulique », déployée au service d’organismes végétaux comme animaux a été découverte dans les années 1980 par l’Américain Peter Agre, récompensé par un Nobel de chimie.

Désalinisation eau de mer nanotubes de carbone

Cette vue d’artiste illustre les promesses de la découverte des chercheurs du Laboratoire National Lawrence Livermore (Source : R. Chen/LLNL)

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Un laser X ultra-puissant pour percer les secrets de la matière

Il va permettre aux chercheurs de sonder plus profondément les secrets de la matière à l’échelle atomique: le plus grand laser dans le domaine des rayons X au monde, European XFEL, sera inauguré vendredi en Allemagne, laissant espérer des avancées en biologie et en médecine notamment.

Cet équipement de pointe, soutenu par onze pays, plus particulièrement l’Allemagne et la Russie, mais aussi la France et la Suisse, s’étend sur 3,4 kilomètres dans les environs d’Hambourg. « C’est la plus grande et la plus puissante source de rayons X fabriquée par l’homme, au monde », déclare à l’AFP Olivier Napoly, du CEA (Commissariat à l’énergie atomique) français, qui a participé à la construction de l’équipement.

Le Laser Européen à Electrons Libres et à rayons X (X-Ray Free Electron Laser) comprend plusieurs tunnels souterrains dont l’un, qui s’enfonce jusqu’à 38 mètres sous terre, abrite un long accélérateur linéaire à électrons. Ce laser X pourra produire jusqu’à 27.000 flashs de rayons X par seconde. Un énorme bond comparé aux 120 flashs par seconde émis par un laser américain du même type (LCLS de Stanford) et aux 60 flashs générés par un autre au Japon (SACLA).

Le laser européen à électrons libres et à rayons X aura « la plus grande brillance moyenne au monde », déclare à l’AFP Robert Feidenhans’l, président du conseil d’administration de European XFEL. La brillance mesure le nombre de photons (particule de lumière) générés à une certaine longueur d’onde. « A son pic, celle du laser European XFEL sera 1 milliard de fois plus grande que celle des synchrotrons, les meilleures sources de rayons X conventionnelles », assurent ses concepteurs.

European XFEL

L’un des tunnels du Laser Européen à Electrons Libres et à rayons X, le 30 août 2017 dans les environs de Hambourg, en Allemagne (Source : European XFEL/AFP).

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Les supervolcans, une nouvelle source de lithium ?

L’essor de la propulsion électrique fait craindre des pénuries de lithium, ce métal actuellement indispensable aux batteries. Des scientifiques américains proposent d’aller en chercher dans les cratères d’anciens « supervolcans ».

Certes, les véhicules électriques polluent moins autour d’eux que les moteurs thermiques, mais leur fabrication n’est pas sans impact sur l’environnement. L’un des enjeux primordiaux réside dans le composant principal de ces véhicules, à savoir les batteries lithium-ion. Les plus grandes quantités de lithium se trouvent dans des mines du Chili et de l’Australie. Mais le minerai se raréfie et son extraction suppose parfois de recourir à des pratiques minières polluantes.

Il est donc crucial de découvrir de plus grandes réserves de lithium pour répondre à la demande croissante de l’industrie des nouvelles technologies susceptibles de réduire les émissions de carbone. Or, l’université américaine de Stanford vient de rendre publique une étude expliquant comment le lithium pouvait être extrait des cratères des supervolcans. D’après Thomas Benson, l’auteur principal de l’étude, « la demande en lithium a pris de vitesse la compréhension scientifique de cette ressource particulière. Il est donc indispensable que la science fondamentale rattrape son retard. À présent, nous savons comment obtenir un accès plus facile aux dépôts de lithium ».

Dôme Lankin Wyoming

Le dôme Lankin, au Wyoming (à l’ouest des États-Unis). Ce massif de granite a cristallisé il y a environ 2,62 milliards d’années et fait partie d’un « batholite ». Bien que l’hypothèse soit controversée, les batholites pourraient être des restes de chambres magmatiques de supervolcans. (Source : A. Carson)

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Dans Neptune, il pleut des diamants

Il y aurait bien des pluies de diamants dans les planètes géantes comme Neptune ou Uranus. C’est ce que confirment des expériences réalisées dans le domaine de la physique des hautes pressions.

es modèles actuels de la structure interne des planètes géantes de notre Système solaire sont des héritiers de ceux proposés par l’astrophysicien américain d’origine allemande Rupert Wildt durant les années 1940 et 1950. Il faut cependant préciser ces modèles grâce à des expériences relevant de la physique des hautes pressions et à des simulations numériques savantes sur ordinateur. Ces modèles se nourrissent aussi de travaux purement théoriques. Ainsi, au début des années 1980, des chercheurs états-uniens sont arrivés à la conclusion que les noyaux des planètes géantes, en particulier ceux de Neptune et d’Uranus, pouvaient contenir des quantités colossales de diamants sous forme solide. L’enjeu est à présent de tester cette prédiction en laboratoire, sur Terre, à l’aide d’expériences faisant intervenir des matériaux comprimés à très hautes pressions grâce à des faisceaux laser.

L’une des dernières expériences en la matière a été conduite à l’aide d’un laser émettant dans le visible et de l’instrument Matter in Extreme Conditions (MEC), associé au laser à électrons libres du SLAC, le Linac Coherent Light Source (LCLS). L’objectif était de créer des pressions intenses grâce à des ondes de choc provoquées par l’impact des impulsions laser sur un matériau plastique, en l’occurrence du polystyrène (celui-ci est constitué d’un mélange d’atomes d’hydrogène et de carbone qui se trouve en très grandes quantités dans les planètes géantes, notamment sous forme de méthane).

L’objectif des chercheurs états-uniens et allemands du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf n’était pas simplement de reproduire les conditions de pression et de température régnant à l’intérieur des planètes géantes, mais aussi de recréer les réactions chimiques qui s’y produisent. Mieux, ils ont voulu observer en direct ces réactions. C’est pourquoi, parallèlement à la formation et la propagation des ondes de choc dans le plastique, ce dernier a été soumis à des impulsions laser dans le domaine des rayons X durant quelques femtosecondes. Cela a permis aux physiciens de mettre en pratique une technique de diffraction des rayons X, dite « femtoseconde », qui permet, en quelque sorte, de prendre des instantanés des réactions produites. Cela leur a permis d’établir que des nanodiamants se forment bel et bien, mais aussi de déterminer leur taille et de les voir croître au cours du temps.

Neptune pluie diamants

À l’intérieur de planètes comme Neptune, le carbone se transforme en pluies de diamants. (Source : Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)

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Graphène : une conductivité miracle grâce à un fluide d’électrons turbulent

Dans le graphène, matériau prometteur pour l’électronique du futur, le courant électrique peut s’écouler en rencontrant une résistance étonnamment basse. C’est qu’il se comporte alors comme un fluide visqueux, ce qui, paradoxalement, améliore la conductivité, expliquent des scientifiques.

Il y a quatre ans, l’Union européenne a décidé d’octroyé un milliard d’euros pour des projets de recherches sur le graphène étalés sur une décennie. Le graphène est en effet censé catalyser plusieurs révolutions en nanotechnologie et en particulier en nanoélectronique où il autoriserait des dispositifs, plus petits, plus rapides et moins gourmands en énergie.

L’un des domaines de recherches est celui de sa conduction électrique. Le phénomène est faussement simple. Des résultats intéressants sont bien obtenus par la modélisation de la conduction électrique en considérant un gaz d’électrons classique, se déplaçant dans un réseau cristallin. Ils s’y trouvent des impuretés et des défauts, lesquels expliquent (en partie) la résistance électrique car ils constituent des obstacles. Mais pour aller plus loin, il faut avoir recours à la théorie quantique, notamment avec le concept d’ondes de Bloch.

Dans le cas des métaux normaux qui ne sont pas en phase supraconductrice, les électrons peuvent s’y déplacer selon plusieurs modes de transport, dont l’un, le plus rapide, est appelé balistique. En mode « diffusif », les électrons s’y déplacent comme des boules de billard entrant en collision avec de nombreux obstacles. En transport balistique, en revanche, ces obstacles sont peu nombreux et éloignés les uns des autres.

Graphène liquide

Dans les feuillets de graphène formés d’atomes de carbone constituant une sorte de réseau cristallin en deux dimensions pavé d’hexagones, les électrons du courant électrique peuvent entrer en collision pour adopter le comportement de l’écoulement d’un fluide visqueux, comme l’illustre ce dessin. (Source : The University of Manchester)

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Des fenêtres qui se teintent sur commande

Ce nouveau prototype est plus efficace et durable que les précédents. Il est encore limité par sa taille qui n’excède pas 25 centimètres carré.

Les ingénieurs de l’Université de Stanford ont développé des fenêtres dynamiques qui peuvent passer de transparentes à opaques, et inversement, en moins d’une minute. Ce ne sont pas les premiers dispositifs capables de faire varier leur transparence mais ces nouveaux verres affichent des performances bien meilleures qu’auparavant.

Il ont l’avantage de conserver leur transparence au fil des utilisations et, en mode « sombre », ils bloquent jusqu’à 95% de la luminosité naturelle. En mode « clair », les fenêtres laissent passer 80% des rayons lumineux sans leur donner une teinte bleutée comme c’est le cas avec d’autres modèles.

Opacité fenêtre électricité

Cette photo montre un prototype de fenêtre intelligente dont l’opacité varie en fonction de l’électricité (Source : Yue et al.).

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