La goutte qui fait recharger l’iPod.

Un exemple d'électromouillage pour l'US Air Force Academy

Une fois n’est pas coutume, j’ai choisi de parler d’un sujet assez proche de ce qui m’avait préoccupé pendant mes études. On va donc parler en partie de gouttes, de solide, d’étalement, en bref, de mouillage. Rien de sexuel, et je vais pouvoir reprendre par les bases.

Quand on dépose un peu de liquide sur une surface solide, il y a plusieurs scenarii : soit elle va s’étaler pour former un film (comme de l’eau sur du verre très propre, par exemple)- on parle alors de mouillage total, soit elle va faire une goutte (comme la même eau sur un K-way, sur une poêle neuve)- on parle de mouillage partiel. Pourquoi cette différence ? Il s’agit juste de savoir si former deux nouvelles interfaces, comme dans le cas du mouillage total (une interface solide/liquide et une interface liquide/gaz), permet d’abaisser l’énergie du système. On peut aussi faire changer ce bilan énergétique, en injectant de l’énergie électrique pour forcer le mouillage total- on parle alors d’électromouillage.

L’idée exposée par deux chercheurs de l’Université de Technologie d’Eindhoven (une région historiquement importante dans l’histoire du mouillage avec la présence de Phillips) est précisément l’inverse. Ils expliquent dans Nature Communications leur concept de rétro-electromouillage. Le principe est de forcer un démouillage d’un liquide sur une surface diélectrique par un moyen mécanique, pour récupérer l’énergie de surface sous forme électrique.

Et pour effectuer ce forçage mécanique, nous pouvons utiliser une source d’énergie disponible en quantité : l’homme. Et plus particulièrement le mouvement humain, répercuté sur de minuscules gouttelettes dans un dispositif microfluidique. Les scientifiques espèrent pouvoir tirer plus de 20 watts à partir de la marche du célèbre individu lambda.

On pourrait voir, si les grandes espérances se confirment, débarquer un nouveau type de chargeurs, convertissant énergie mécanique en énergie électrique pour recharger la pléthore de gadgets que nous emmenons chaque jour avec nous. C’est une petite révolution, puisque ce type de conversion n’existait jusqu’ici qu’à grande échelle (avec les éoliennes par exemple) ou à très petite (les fameuses calculatrices solaires).

À terme, outre nous permettre de réaliser des économies d’énergie en utilisant moins d’électricité d’origine fossile pour recharger nos batteries diverses, on peut envisager d’alimenter des appareils électroniques loin de toute source fixe d’électricité, comme en situation de combat (pour alimenter des lunettes de vision nocturne par exemple) ou en situation de détresse humanitaire.

Astronomie bling-bling

Un pulsar et son diamant qui lui sied comme un gant (Image Swinburne Astronomy Productions)

Dur dur d’éviter les poncifs sur l’infiniment grand lorsque l’on parle d’astronomie. C’est donc la tête dans les étoiles (j’avais prévenu, ne m’en voulez pas) que l’on va se pencher sur une découverte 24 carats. Évidemment, avant de venir à l’extraordinaire trouvaille, il va falloir se rafraîchir un peu la mémoire.

Tout commence au Max Planck Institute, où des chercheurs, bien assis derrière leurs télescopes, explorent le ciel systématiquement à la recherche de pulsars. Les pulsars, ce sont des étoiles d’une vingtaine de kilomètres de diamètre qui émettent un rayonnement électromagnétique dans la direction de leur axe magnétique. Comme ces étoiles tournent très rapidement sur elles-même, ce rayonnement nous arrive épisodiquement, comme par pulsations, d’où le nom (certains chercheurs sont doués pour l’étymologie). Et ce jour-là c’est vers J1719-1438 (certains chercheurs sont moins doués pour l’étymologie). Le rayonnement qui nous arrive de celui-ci est en effet non pas régulier, mais modulé. Cette modulation est un indice de la présence d’une planète en orbite.

C’est l’histoire de cette planète que nous racontent les astronomes dans un article de la prestigieuse revue Science. En effet, l’analyse de la modulation nous apprend trois choses : la distance qui sépare la planète du pulsar (environ 600 000 km), la taille de cette planète et son poids. Et c’est là que ça devient intéressant : si cette planète est relativement petite (environ cinq fois le diamètre de la terre), puisque toute masse supplémentaire serait arrachée par le pulsar, elle est plus lourde que Jupiter. En bref, cette planète est extrêmement dense.

Si elle est si dense, c’est parce que vraisemblablement, avant d’être une planète, l’astre était une étoile (et surement une naine blanche). Cette étoile, si proche du pulsar, a vu une partie de sa masse arrachée par le champ de gravité voisin. Et une grande partie : plus de 99.9%. Et ce qui reste, au vu de la fréquence de rotation du pulsar, est surement un mélange de carbone et d’oxygène. Au vu de la densité de la planète, ces éléments doivent se trouver sous une forme cristalline, en partie donc similaire à du diamant. Le plus gros solitaire connu du monde en quelque sorte, le meilleur ami des astronomes.

La cape d’invisibilité, le retour.

On comprend que certains veuillent se rendre invisible.

Certaines mauvaises langues diront qu’il ne s’agit pas que du retour de la cape, mais aussi d’un petit pic sur un encéphalogramme bien plat ces derniers mois. Rien d’étonnant pour ceux qui se sont aperçus que ça m’arrivait régulièrement, avec cette fois une vraie excuse : j’ai un peu passé mon temps à faire de la diffusion scientifique en vrai, devant des vrais gens, pendant un bon moment. Bref, ce n’est pas si intéressant que ça, mais je me sentais obligé.

Donc, je parlais cape d’invisibilité. Un sujet qui tombe aussi bien qu’une vieille acariâtre pendant la canicule du mois de Juillet que nous avions tant souhaité, puisqu’outre mon invisibilité électronique, c’est le retour annuel d’Harry le Potier, qui use et abuse de l’artefact. Dans un précédent article (qui fait lui aussi référence au magicien, c’est dire si je me renouvelle), j’évoquais une approche nouvelle pour cacher au regard un objet.

Résumons donc, il existe deux grandes voies pour atteindre l’invisibilité pour le moment, en dehors bien sur de toute magie ou technologie extraterrestre. Ces deux approches reposent toutes les deux sur l’utilisation de métamatériaux, des matériaux qui réagissent de façon un peu particulière à la lumière :

• tout d’abord, certains de ces matériaux peuvent courber la lumière d’une façon inhabituelle ( avec par exemple un indice de réfraction négatif ou variable). On peut ainsi penser les utiliser pour détourner la lumière d’un objet, de sorte qu’aucun rayon lumineux ne touche l’objet.
  

  Un bon schéma vaut mieux que de grands discours, surtout quand on parle d'optiques. Ici, une illustration prise à l'université d'Helsinki.

• Ces métamatériaux permettent aussi d’influer sur la vitesse de propagation de la lumière. Ainsi, on peut reprendre l’image de la téléportation “Star Trek”, comme l’ont baptisée les chercheurs anglais à son origine (voilà qui n’aidera pas les clichés sur les scientifiques, mais les références à la téléportation sont relativement rares dans les milieux moins geek- mais je préfère Code Quantum-) : il suffit alors de ralentir la lumière le temps de laisser l’objet à cacher passer, puis de la réaccélérer derrière afin de donner l’illusion que rien ne s’est produit.

Ces deux techniques présentent chacune leurs inconvénients : si la seconde demande l’installation d’un corridor de métamatériaux et des conditions très strictes en terme d’illumination, quasi-impossible à obtenir dans le monde réel (confinant Prédator au laboratoire, Schwarzi devra mettre une blouse et des lunettes de sécurité avant de le voir saigner), le premier ne marchait jusqu’à présent que dans l’infrarouge. Jusqu’à présent, puisque dans Nano Letters est narrée le petit bond en avant réalisé par des chercheurs de l’Université de Californie à Berkeley.

En effet, en fabriquant un guide d’onde (qui, comme son nom l’indique, sert à guider les ondes) en nitrure de silicium déposé sur une couche d’oxyde de silicium nanoporeux spécialement conçue. Ensuite, on creuse des trous dans ce guide à toute petite échelle (plus petite que la longueur d’onde de la lumière), ce qui va permettre de moduler l’indice de réfraction. On peut alors cacher des objets, pour le moment de la taille d’un globule rouge (même si, dans leur enthousiasme légendaire quand il s’agit de parler de leur travail, les chercheurs en questions indiquent que l’on pourrait cacher de plus gros objets), en les glissant entre le guide et l’oxyde de silicium. L’avancée réside dans le fait que l’on peut cacher des objets non plus dans l’infrarouge, mais bien dans le visible. On obtient alors le rêve de la ménagère : un tapis sous lequel la poussière disparaît de sa vue.

L’étrange comportement du Lithium.

Pour continuer sur les brèves cette semaine, parlons du Lithium. Cet élément, le métal dont l’atome est le plus petit, est connu pour son utilisation dans les batteries (mais également pour lutter contre les troubles bipolaires). On apprend en lisant Nature Physics que le lithium a également des propriétés de changement de phase un peu particulières.

En effet, on connaît déjà sa supraconductivité à 17K et sa transition métal/semi-conducteur. À température ambiante le lithium est un solide, mais devient liquide lorsque la pression dépasse 40 GPa, et reste dans cet état jusqu’à une température de 200K. Il ne redeviendra liquide qu’après 60 GPa. Voilà son diagramme de phase, donné dans la publication :

D’après les auteurs, cette bizarrerie tiendrait à la masse même des atomes de lithium. En effet, même lorsqu’on est face à un solide à basse température, les atomes continuent à bouger, et l’importance de ses mouvements augmente lorsque la masse des atomes diminue. Les atomes ont donc une certaine énergie résiduelle (l’énergie du point zéro), et cette énergie pourrait, d’après l’article, augmenter avec la pression, pour dépasser ainsi le seuil de liquéfaction.

Le bon cholestérol, celui du laser.

Structure périodique des cristaux liquides (Optics Express)

Les fêtes approchant, il est de bon ton d’évoquer la ripaille traditionnelle et ses effets sur la santé. Mais comme tout le monde va s’accrocher au marronnier, je vais tenter d’évoquer les bienfaits du cholestérol sans parler de dinde (l’animal, pas la fille exaspérante), de bûche (le gâteau, pas la fille désespérante), ou de foie gras (le pâté, pas la fille écœurante). En effet, c’est grâce au cholestérol que l’on peut envisager de produire des lasers à trois dimensions (par opposition aux pointeurs laser, qui n’ont qu’une seule dimension) petits, abordables et réglables en fréquence, en un mot pratiques.

En effet, on connait depuis bien longtemps la capacité du cholestérol à s’organiser en cristal liquide, puisque ces cristaux ont été l’objet des premières études dès 1888. C’est cette faculté qui a été mise à profit dans une université Slovène, dont les résultats sont publiés dans Optics Express. Ainsi, dans une gouttelette de polymère rendue sphérique par la tension de surface, les cristaux de cholestérol vont s’organiser de façon périodique créant une sorte de structure en oignon.

Pour faire un laser, on a besoin de deux éléments : un amplificateur optique, qui va servir à transformer l’énergie reçue en lumière, et une cavité réfléchissante. Pour obtenir l’amplificateur, on greffe sur le cholestérol des molécules fluorescentes. La cavité, elle, est formée par cette structure en oignon formée par les cristaux liquides hélicoïdaux dont la période est variable (ce qui va permettre de régler la fréquence du laser), dont chaque couche aura un indice de réfraction différent. On aura donc un rayonnement partant dans toutes les directions de l’espace.

Cela permet de créer un dispositif laser facilement, et à peu de frais : il suffit de mélanger le polymère et les cristaux liquides (qui s’organiseront alors d’eux-même) dans des gouttes de petite taille (15 microns environ). Avec un rayonnement laser dont la fréquence (la couleur) sera changeable facilement, en modifiant la température. Ces sources lasers pourraient être employées pour fabriquer facilement des ensembles lumineux, mais peuvent être également injectées dans des objets que l’on souhaiterait observer, pour pouvoir faire de l’holographie par exemple.

Les recettes de Mamie Supernova

L'expérience de M. Rogers

Hier, j’évoquais une expérience que je trouvais amusante à monter, avec son ubuesque RoboGator. Mais apparemment, il est possible d’exciter encore plus l’enthousiasme du nerd qui sommeille (plus ou moins profondément, suivant que vos fantasmes vont vers Félicien ou Jamy- voire Jamie pour les plus irrécupérables d’entre nous). Comment? En proposant de reproduire chez soi les plus formidables explosions de l’univers, les Supernovæ, ou en tout cas, une certaine forme de supernova (de type Ia).

En effet, il peut arriver qu’au cœur d’une naine blanche naisse une boule de flammes qui grandit très rapidement et forme un panache sur lequel se trouve un  anneau de fumée qui monte de plus en plus vite. Dans Physical Review E, on peut lire la recette pour recréer le même phénomène chez soi (ou pas, si quelqu’un est blessé suite à cet article, je nierai en bloc et accuserai un complot reptilien), par des “cuisiniers” américains et canadiens, qu’on ne retrouvera vraisemblablement aux ordres de Carole Rousseau dans le prochain Masterchef. Pour cela, dans un récipient cylindrique d’une trentaine de centimètres de rayon, déposez vos ions iodates IO3- et de la poudre d’oxyde arsénieux. Ces deux composés réagissent ensemble pour former l’acide iodo-arsenique (en fait, on va l’appeler comme ça, mes souvenirs de nomenclature chimique sont loin -et je ne tiens pas tant que ça à les raviver-, je suis sur que quelqu’un corrigera dans les commentaires). Cette réaction est auto-catalytique, c’est à dire qu’elle se produit d’autant plus rapidement que l’acide est déjà présent. Une goutte d’acide au fond de votre récipient devrait donc vous permettre de voir apparaître le panache, et éventuellement un anneau.

Il faut savoir que cette réaction est exothermique, c’est-à-dire qu’elle dégage de la chaleur, et donc que l’acide, plus chaud, va avoir tendance à remonter. Le panache est ainsi créé et son extrémité va pouvoir ou non se détacher, suivant la viscosité de la solution, pour former un anneau d’acide.

Il est évident qu’aller observer de près les mouvements à l’intérieur des étoiles est très difficile, le dispositif proposé permet d’extrapoler ce qu’il pourrait s’y passer, même si les convergences et différences méritent d’être plus étudiées. Les auteurs vont jusqu’à prétendre que l’expérience permettrait de mieux comprendre la taille et l’évolution de l’univers. En tous les cas, avec une boule de glace vanille, cela fait un dessert passe-partout.

De belles images…

La semaine est compliquée par un emploi du temps un peu chargé, suivi du traditionnel pont de thanksgiving. Cet article sera donc essentiellement composé de jolies vidéos vues lors du 63e congrès de l’American Physical Society- Division of Fluid Dynamics.

Historiquement, la mécanique des fluides est une science expérimentale (même si bien entendu, le volet théorique est loin d’être absent), et basée sur l’observation. On se rend d’ailleurs compte, en regardant un peu ses progrès, que les grandes avancées des techniques d’imagerie, l’apparition de la photographie, des caméras numériques puis le développement des caméras rapides, ont permis la découverte et l’exploration de nouveaux phénomènes.

Comment les chats lapent :

Impact d’une goutte sur un matériau granulaire :

La vaisselle au ralenti :

Comment boivent les mouches :

Gouttes d’oxygène liquide et Effet Leidenfrost :

Des chiens et des souris qui s’ébrouent :

Vous avez froid ? Maudissez le réchauffement climatique.

Entre les débats à l’Académie des Sciences et les différentes controverses autour du GIEC et des autres organismes officiels, et notamment l’affaire des e-mails du Climate Research Unit rendus publics, la communication scientifique autour du réchauffement climatique est de plus en plus brouillée par les climato-sceptiques. Si les polémiques entre scientifiques peuvent être saines, les conséquences politiques sont grandes (les dissensions devenant prétexte à ne rien faire). Du point de vue du grand public, les observations quotidiennes sèment encore plus le doute : les années précédentes ont été marquées par des hivers très rudes, notamment l’hiver dernier ou l’hiver 2005-2006. Il fait plus froid qu’avant, et l’on veut nous vendre un réchauffement global ?

Et pourtant, bien que cela paraisse aussi illogique que l’arrêt de la Star Academy, des hivers particulièrement froids ne sont pas incompatibles avec un réchauffement global. Déjà parce que lorsque l’on parle de réchauffement, on pense à un réchauffement moyen, ce qui n’exclut pas que les anomalies climatiques (ici, des hivers très froids) puissent être de plus en plus fréquentes. Mais surtout parce que l’on peut proposer des explications qui rentrent très bien dans le cadre d’un réchauffement global. Par exemple, certains plaident pour une réduction temporaire de l’activité solaire, ou l’influence du gulf stream ou des oscillations Nord-Atlantique, mais les corrélations établies entre ces évènements et les hivers les plus froids restent faibles. En revanche, deux Vladimir, Vladimir Petoukhov et Vladimir Semenov, proposent une autre explication qui apparaît plus crédible.

Dans le Journal of Geophysical Research, ils publient un article sur l’influence des glaces en mer de Barents sur le climat européen. En effet, l’un des effets du réchauffement climatique est de diminuer la glaciation de la mer de Barents et de la mer de Kara. Et l’effet de la couverture de ces mers arctiques par la glace est drastique à la fois sur la température de l’air et sur les vents polaires. Ainsi, les scientifiques ont observé l’effet des variations de cette couverture sur les résultats de la simulation numérique du climat européen. On se rend alors compte qu’à mesure que l’on diminue la surface gelée de la mer, les hivers se radoucissent, puis se rafraichissent, et se radoucissent à nouveau, probablement en raison de transitions abruptes dans la circulation de l’air polaire.

Ce genre d’études montre à quel point le climat de notre planète est globalisé, puisque des perturbations aux pôles peuvent entraîner des conséquences bien plus larges géographiquement. Mais on s’aperçoit aussi à quel point le climat terrestre est un équilibre délicat, dont les aléas peuvent paraître illogiques à première vue.

La science ne tient qu’à un fil.

La recherche ayant repris ces droits (et il faudra un jour que j’explique ce que je fais depuis une année, jouer avec des bulles de savon), je n’ai pas pu tenir à jour ce blog comme je le souhaitais. Néanmoins, je ne pouvais pas ne pas rendre hommage à un grand monsieur de la physique, et du monde de la science: Georges Charpak, décédé aujourd’hui.

Bien sur, si il est connu, c’est d’abord pour sa contribution à la physique des hautes énergies et à la physique des particules.  D’un point de vue personnel, le nom de Charpak a toujours été pour moi associé à la “chambre à fils“, qui lui a valu son prix Nobel en 1992. Ce dispositif consiste, comme son nom l’indique, en un chambre contenant de l’argon, et traversé de nombreux fils sous tension électrique. Si une particule chargée pénètre dans la chambre, elle va ioniser le gaz, c’est à dire qu’elle va arracher des électrons, ou en apporter, aux atomes d’argon. Ces électrons vont ensuite être attirés par les fils sous tension. Au contact du fil et de l’électron, on pourra ainsi détecter un signal électrique, et savoir à proximité de quel fil est passé la particule, ce qui permettra de retracer sa trajectoire.

Mais George Charpak était plus qu’un grand scientifique, c’était aussi un passionné de vulgarisation. Convaincu que la science ne devait pas se confiner au laboratoire, il profita de l’attention des médias que lui procurait la distinction suédoise pour l’amener d’abord dans les écoles, à travers son association “la main à la pâte“. Celle-ci emmenait le chercheur et ses expériences dans des classes de primaire et collège, pour montrer à quel point la science pouvait être étonnante, amusante et parfois merveilleuse, grâce à des expériences simples. Si vous avez lu plusieurs articles écrits ici, vous pouvez aussi vous douter que sa lutte contre les pseudos-sciences ne pouvait me laisser insensible. Au contraire, même, car si j’étais déjà bien engagé dans le cursus scientifique, c’est son livre, écrit avec le Pr Henri Broch, “Devenez sorciers, devenez savants” qui m’a convaincu de l’importance qu’il y avait à diffuser la méthode scientifique le plus possible, pour éviter au maximum que des gens plus ou moins bien intentionnés ne tirent parti de l’ignorance d’une partie de la population.

Adieu donc à ce grand scientifique, à ce grand homme.

Flower power et changement climatique.

Les premières voitures vertes de l'histoire.

Il est déjà difficile pour les climatologues de tomber d’accord alors que les données peuvent être recueillies facilement, imaginons un peu le problème qui se pose pour les paléoclimatologues: pour avoir une idée du temps qu’il pouvait faire à une époque où les températures étaient plus chaudes, les continents disposés autrement et les concentration en dioxyde de carbone différentes, mieux vaut ne pas être né de la dernière pluie. Une des façons de revivre la météo du crétacé, c’est de s’en remettre a des simulations informatiques telles que celle utilisée au National Center for Atmospheric Research Community Climate Model de l’Université de Chicago.

Grâce à ces simulations, nous pouvons mieux comprendre quel est le rôle des différents facteurs sur le climat, ce qui réserve parfois des surprises. Par exemple, on peut se rendre compte en lisant les Proceedings of the Royal Society B de l’impact des angiospermes sur le climat, que l’on sous estimait jusqu’à présent. Ces végétaux qui se distingue par leur capacité à produire des fleurs ont en effet la particularité d’avoir des feuilles avec une densité de nervures plus élevée. Et plus de veines, cela veut dire une plus grande transpiration et en retour une captation de CO2 plus importante. Et c’est seulement pendant le crétacé, il y a environ 120 millions d’années, que sont apparues les premières fleurs, et ont commencé à prendre de l’importance environ 20 millions d’années plus tard, pour devenir désormais les plantes terrestres les plus répandues. Le changement fut tel que certains leur attribuent même l’extinction des dinosaures (sans toutefois apporter de preuves formelles).

La simulation permet ainsi de se rendre compte de l’importance de la transpiration par les angiospermes, qui permet a l’eau enfouie dans le sol de repartir dans l’atmosphère, permettant de nouvelles précipitations : si dans le modèle, on remplace toutes les plantes à fleurs d’Amérique du Nord par des plantes sans fleurs, on prédît alors une diminution de 40% des précipitations. De la même façon,  faire cette substitution dans le bassin amazonien décale le début de la mousson du 26 octobre au 10 janvier. Cela permet de se rendre compte des effets que pourrait avoir une déforestation totale.

Ce que l’on sait également c’est qu’il existe un lien entre la diversité des êtres vivants, l’abondance des précipitations et la taille des forets. Ainsi, en prospérant, les fleurs assurent leur pérennité et leur avenir. Un bon exemple de développement durable.