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Archive de la catégorie ‘Physique’

Jeudi 18 juin 2015 | Mise en ligne à 10h37 | Commenter Commentaires (24)

Le graphène : un miracle qui attend son problème ?

Le graphène est un cristal de carbone en 2 dimensions, c'est-à-dire qu'il ne fait qu'un seul atome d'épaisseur. (Photo : archives Le Soleil)

Le graphène est un cristal de carbone en 2 dimensions, c'est-à-dire qu'il ne fait qu'un seul atome d'épaisseur. (Photo : archives Le Soleil)

De tous les nouveaux matériaux qui ont été mis au point ces 20 dernières années, aucune n’a été autant porté aux nues que le graphène — qui est essentiellement une feuille de cristaux de carbone si mince qu’elle ne fait qu’un seul atome d’épaisseur. Fabriqué pour la première fois en 2003 et qualifié par plusieurs de nouvel or noir, le graphène a valu le prix Nobel de physique à ses découvreurs dès en 2010, un délai extraordinairement court justifié par ses propriétés extraordinaires, qui laissent entrevoir une révolution technologique comparable celle que le laser a mis en branle : 200 fois plus fort que l’acier, léger, meilleur conducteur électrique et thermique que le cuivre, etc.

Mais voilà, lit-on dans ce papier paru sur le site de Nature, en 2013 les ventes de ce matériau-miracle se sont élevés à… 12 millions $. Pas milliards, millions. En en 2025, on projette que le marché mondial sera d’à peine 350 millions $.

Ce ne sont pourtant pas les applications envisagées qui manquent, lit-on dans l’article. Le graphène, par exemple, a la faculté de transformer presque tous les photons qui le frappent en courant électrique, ce qui pourrait en principe en faire le Saint-Graal des panneaux solaires, sans compter un potentiel énorme pour emmagasiner l’énergie. Mais pour l’heure, il n’a trouvé que bien peu d’applications, notamment dans des alliages pour renforcer des matériaux.

Son amalgame de solidité, de souplesse et de conductibilité en ferait un candidat absolument rêvé pour les écrans tactiles, mais il n’a jusqu’à maintenant été utilisé que dans une infime poignée («pincée» serait même plus approprié) de modèles, parce qu’il reste deux fois plus cher que les matériaux actuels. Et peut-être aussi parce que ces derniers font très bien l’affaire…

Bref, l’article de Nature décrit (implicitement) le graphène comme une solution qui se cherche un problème, et trace (explicitement) un parallèle avec les nanotubes de carbone — un autre matériau remplis de belles promesses, mais qui ne «lève» pas. Le texte est fort intéressant et rudement bien documenté, je vous en recommande sincèrement la lecture. Mais je trouve aussi qu’il est un-peu-pas-mal tôt pour déplorer que le graphène n’a toujours pas trouvé de «killer application» qui fait vraiment décoller la production. Seulement 12 ans ont passé depuis la première fabrication du graphène ; à vue de nez, cela peut sans doute paraître bien long avant de trouver quelque chose à faire avec une découverte, mais quiconque connaît un peu son histoire des sciences sait que c’est, au contraire, très court.

Reprenons l’exemple du laser, sans doute la révolution technologique la plus importantes des 50 dernières années — avec l’informatique. Il a été mis au point pour la première fois en 1960 dans les célèbres laboratoires Bell, aux États-Unis. Ses pionniers n’entrevoyaient pas, au début, à quel point leur trouvaille allait chambouler la «planète techno», mais il ne lui a fallu que quelques années pour commencer à faire boule de neige.

Les premières applications du laser furent faites en science, car il était évident dès le départ qu’une nouvelle forme de lumière allait permettre de sonder la matière de façon inédite. Des applications de mesure de distance apparurent relativement rapidement aussi, mais je ne crois pas me tromper ou déformer beaucoup la réalité en disant que le laser a connu une première décennie à peu près aussi «humble» que le graphène.

Et il faut aussi garder un autre point important à l’esprit : non seulement est-il normal qu’il se passe facilement 10 ans avant que l’on mette au point les premières applications d’une découverte, mais on doit aussi s’attendre à ce que l’application, si révolutionnaire et utile soit-elle, prenne une autre bonne décennie avant de se diffuser pour la peine. Toujours dans le cas du laser, mentionnons que les lecteurs de code-barre sont apparus en 1974, mais que leur usage ne s’est vraiment généralisé que 10 à 15 ans plus tard. De même, la première imprimante laser a été fabriquée en 1971 (!), mais elle n’a pris le pas sur les autres technologies d’impression que dans les années 90 — encore que cela a pu varier selon les domaines, bien entendu.

Bref, et vous me direz ce que vous en pensez, je ne doute absolument pas que le graphène trouvera une multitude d’applications, dont certaines pourraient bien changer nos vies. Mais il faut simplement réaliser que cela prend du temps. C’est une chose que de faire une découverte dans un labo. C’en est une tout autre (et une très complexe) pour une société que d’apprendre à s’en servir.

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Mercredi 13 mai 2015 | Mise en ligne à 11h05 | Commenter Un commentaire

Qu’est-ce qui se cache dans les nuages d’orage ?

(Image : photothèque Le Soleil)

(Image : photothèque Le Soleil)

Je vous parlais la semaine dernière d’un projet qui avait consisté à provoquer la foudre afin d’en capter la signature sonore, et ainsi comprendre de quelle partie des éclairs vient le tonnerre. Or l’un des chercheurs impliqués, le physicien de l’atmosphère Joseph Dwyer, de l’Institut technique de Floride, ne s’est pas contenté de lancer des fusées dans les nuages noirs. Il s’y est lui-même carrément aventuré en avion, à la suite d’une erreur de pilotage, et en est revenu avec une bonne frousse — et un beau petit mystère sur les bras.

On sait depuis un certain temps que les orages produisent des rayons gamma (une forme de «lumière» extrêmement énergétique provenant souvent, par exemple, de la radioactivité) et des positrons (l’antiparticule de l’électron). Mais «ce qui se passe à l’intérieur d’un orage électrique est un sorte de terrain bizarre que l’on commence à peine à explorer», dit M. Dwyer. C’est pour ce faire qu’en 2009, lit-on dans ce compte-rendu de Nature, il  s’est envolé à bord d’un petit appareil muni d’un détecteur de particules afin d’étudier à distance un orage qui naissait. Mais il s’est adonné que sur les radars, le profil des nuages imitait à ce moment-là la côte de la Georgie, et le pilote a pénétré dans l’orage par inadvertance.

C’est alors que le détecteur de particules a enregistré trois pics de rayons gamma d’environ 0,2 seconde chacun. Le rayonnement avait une énergie de 511 kiloélectronvolts — keV, l’électronvolt étant une mesure d’énergie en physique des particules, équivalant à l’énergie (minuscule) qu’acquiert un électron en passant dans un potentiel électrique de 1 volt. Or c’est là une signature énergétique bien connue des physiciens : quand un particule rencontre son antiparticule, les deux s’annihilent en produisant un «flash» de lumière très énergétique, et quand il s’agit d’un électron et d’un positron, le flash a une énergie de 511 keV. (Remarquez, et cela sera utile pour la suite, que le chemin inverse est également possible : un rayon gamma qui contiendrait suffisamment d’énergie peut «donner naissance» à un couple positron-électron.)

D’autres rayons gamma ayant légèrement moins d’énergie furent également détectés lors des trois «pics». De là, M. Dwyer et son équipe ont conclu qu’une partie des gammas avait dû perdre de l’énergie en parcourant une certaine distance, et que l’avion avait dû traverser de grands nuages de positrons de 1 à 2 kilomètres de long.

Et c’est depuis ce temps que M. Dwyer tente de comprendre ce qui a bien pu généré de tels nuages de positrons. En principe, ce pourrait être les éclairs eux-mêmes. Quand on accélère une charge électrique, en effet, on produit une onde électromagnétique — de la «lumière», comme celle que l’on voit avec les yeux ou comme les rayons gamma. Et comme les électrons d’un éclair sont accélérés à des vitesses proches de la lumière, ils peut y en avoir qui ont suffisamment d’énergie pour générer des couples électrons-positrons, qui ensuite se seraient heurtés et annihilés pour produire les pics à 511 keV.

Mais voilà, le détecteur de M. Dwyer n’a pas enregistré suffisamment de gammas d’assez haute énergie pour que cette explication tienne la route. On peut alors imaginer que les positrons viennent de l’espace (c’est fréquent) et qu’ils ont momentanément été attirés par l’avion, par un mécanisme qu’il resterait à élucider. Mais si tel était le cas, alors le mouvement des positrons aurait engendré d’autres types de radiation, que le détecteur aurait «vu» — mais cela n’a pas été le cas.

Certains physiciens, remarquez, contestent la taille des nuages de positrons calculée par l’équipe de M. Dwyer, et suggèrent que les ailes de l’avion peuvent avoir pris une telle charge électrique qu’elles sont elles-mêmes devenues des sources de positrons/électrons. Mais dans tous les cas, cela reste une très belle «colle»…

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Mardi 24 mars 2015 | Mise en ligne à 11h40 | Commenter Commentaires (25)

LHC : le «party de bosons» reprend cette semaine

Un technicien travaille sur une partie du LHC lors de la pause de 2013-2015. (Photo : CERN)

Un technicien travaille sur une partie du LHC lors de la pause de 2013-2015. (Photo : CERN)

On n’en a pas encore beaucoup entendu parler, mais c’est cette semaine que doit redémarrer le Large Hadron Collider (LHC), auquel on doit la découverte du boson de Higgs, en 2012. Après deux ans de pause et de mise à niveau, les premiers faisceaux de protons devraient recommencer à circuler dans les 27 km de tunnels du LHC dès demain ou jeudi — encore qu’il y a tellement de ficelles à attacher avec cette immense machine que cela pourrait aussi aller à la semaine prochaine.

Les faisceaux circuleront d’abord dans un sens, puis dans l’autre, puis le «party» recommencera pour de bon : on lancera les protons dans les deux sens (le circuit du LHC forme un cercle) afin de les faire se heurter à 99,999999 % de la vitesse de la lumière — ce qui devrait nous donner des énergies de collision telles que de nouvelles particules élémentaires très massives seront créées, et étudiées.

Ceux qui veulent plus de détails pourront lire mon papier paru ce matin dans Le Soleil. J’aimerais simplement, ici, faire ressortir deux choses.

Primo, qu’au moins d’un certain point de vue les enjeux pourraient, si ça se trouve, être encore plus grands que lors de la «run 1», dont la priorité était le boson de Higgs. Ce qui n’est pas peu dire, car ne pas trouver le boson, ou en trouver un très différent de ce à quoi on s’attendait, aurait entraîné de profondes remises en questions. Avant sa découverte officielle, en 2012, ce fameux boson était la dernière particule du Modèle standard (MS, la somme de ce qu’on connait en physique des particule, grosso modo) dont l’existence n’avait toujours pas été vérifiée empiriquement. Son existence était prédite depuis des décennies et l’on n’avait pas tant de raison que cela d’en douter, mais on ne pouvait pas en être certain avant de l’avoir dûment «palpé», si je puis dire.

Maintenant que c’est chose faite, il reste encore, bien sûr, beaucoup de travail à faire sur le Higgs, me disait Brigitte Vachon, physicienne de McGill qui analyse les données du LHC — caractériser la bestiole est une tâche très importante, car ces mesures rendront impossibles certaines versions et théories en physique des particules, mais cela prendra beaucoup plus de données qu’il n’en a fallu pour simplement détecter le fameux boson. Mais Mme Vachon et ses collègues espèrent aussi lever un petit bout de voile, après des décennies de mystère, sur la nature de la matière sombre, qui constituerait environ 85 % de la matière dans l’Univers et dont on ne sait à peu près rien — à part qu’on en voit les effets gravitationnels dans l’espace.

Deuxio : j’ai manqué de place dans mon texte, mais je m’en voudrais de ne pas dire au moins un petit mot sur une partie fondamentale du travail qui est fait au LHC, mais qui passe complètement sous les radars, soit tout une entreprise de (re)vérification des bases de la physique des particules dans des conditions nouvelles, d’amélioration de mesures déjà prises, etc. «C’est sûr que pendant la «run 1», un des buts principaux était de découvrir le Higgs, m’a dit Mme Vachon. Et on a bien trouvé une nouvelle particule dont les caractéristiques sont compatibles avec le Higgs du Modèle standard. Mais on a aussi fait un tas de mesures très précises sur d’autres paramètres du MS. On en entend moins parler, mais c’était une première pour nous de mesurer certaines interactions entre particules à des énergies aussi élevées. On n’a pas trouvé de surprises là-dedans, mais c’était très important de faire ces mesures-là.»

Et hormis la perspective, certes extraordinairement excitante, de finalement sortir un peu du MS, la «run 2» va aussi produire des montagnes sans précédent de données qui permettront d’étudier ledit modèle encore plus en détail, «de faire des recherches pour essayer de découvrir si, indépendamment du Higgs, il y a des réactions rares qu’on n’avait jamais observées auparavant», explique Mme Vachon.

AJOUT (14h05) : Comme me le disait la physicienne Pauline Gagnon, le LHC est une machine formidablement complexe et il y a beaucoup de ficelles à attacher avant de pouvoir le redémarrer. La preuve : le CERN vient d’annoncer que le jour J était reporté de quelques jours, voire quelques semaines, à cause d’un court-circuit. L’incident n’est pas grave mais, étant survenu dans une section refroidie (les aimants qui accélèrent les protons fonctionnent à –271 °C), il faudra réchauffer la section, faire la réparation, puis de nouveau tout refroidir — ce qui allonge les délais.

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