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2 mn POUR RECHARGER

 


2 minutes pour recharger son smartphone ? Possible, avec les quantum dots

Une start-up israélienne fait sensation au Congrès mondial de la téléphonie de Barcelone avec une nouvelle génération de batterie à base de nanoparticules biologiques aux propriétés quantiques.

DÉMO. Après l'Ara de Google, c'est un nouveau temps fort du Congrès mondial de la téléphonie de Barcelone : la présentation d’une nouvelle génération de batterie fabriquée par la société StoreDot. Il y a plusieurs mois, une vidéo de démonstration avait fait le buzz sur la toile. Pas étonnant : on y voit un smartphone se recharger en 30 secondes chrono. Un exploit quand on sait qu’aujourd’hui il faut parfois attendre plusieurs heures avant d’atteindre une charge complète, un pensum.

La vidéo ci-dessous met en scène un prototype, encore trop encombrant pour se fixer à l’intérieur du smartphone et dont la capacité ne permettrait pas de tenir une journée. À Barcelone, cette techno a été adaptée à un Samsung Galaxy S5, qu'on voit passer d'un taux de charge de 15% à un taux de 100% en moins de 15 minutes (voir la vidéo du site Cnet.com).
BOÎTES QUANTIQUES. À l’origine des étonnantes prouesses de cette nouvelle batterie se trouvent des cristaux nanométriques nommés quantum dots. Fabriqués à partir de composés semi-conducteurs, ces "boîtes quantiques" parviennent à confiner des électrons et des trous (emplacement des électrons ayant été délogés auparavant) dans un espace restreint en 3 dimensions, de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres. Cet assemblage leur vaut parfois le nom "d'atomes artificiels". Leurs propriétés optiques et électroniques sont déjà utilisées dans de nombreuses applications (transistor, LED, imagerie médicale, capteurs solaires…).
C’est la 1ère fois qu’on utilise des peptides pour fabriquer des quantum dots
PEPTIDES. Habituellement, les quantum dots sont synthétisés à partir de matériaux inorganiques souvent à base d’arsenic, de gallium et de sélénium. Or la société StoreDot propose pour la première fois d’utiliser des peptides - ces molécules organiques formées d’acides aminés, briques élémentaires des protéines. Une révolution ! D’après Gil Rosenman, directeur de recherche de StoreDot, ces peptides s’assemblent spontanément pour former des quantum dots dans certaines conditions.

Les peptides s’organisent spontanément sous forme de quantum dots dans certaines conditions. Source : Nature
Personne n’avait envisagé que des peptides puissent se comporter comme des semi-conducteurs
SEMI-CONDUCTEURS. L’avantage des chaînes peptidiques, c’est qu’elles sont faciles et peu chères à synthétiser. De plus, comme le soulignaient Charlotte Hauser et Shuguang Zhang dans la revue Nature en 2010, ces quantum dots sont fabriqués "à partir d’acides aminés produits naturellement par les plantes et les animaux, ils ne devraient donc pas être trop nocifs pour l’environnement [….]. Cela contrairement à la plupart des quantum dots inorganiques, particulièrement ceux fabriqués à partir de métaux lourds". "C’est une découverte remarquable, ajoutent-ils, car bien que les grosses molécules organiques conductrices d’électricité soient bien connues (leur découverte a été récompensée par le prix Nobel de Chimie en l’an 2000), personne n’avait envisagé que des peptides biologiques puissent se comporter comme des semi-conducteurs". D’après StoreDot, les nouvelles batteries boostées aux nanoparticules biologiques pourraient, à terme, tenir cinq jours au lieu d'un pour les batteries classiques. Et 7 minutes de charge suffiraient pour pouvoir utiliser votre smartphone pendant 24 heures. Sans compter que, selon Gil Rosenman, la durée de vie de la batterie serait significativement prolongée. "Grâce à leur forme cristalline, les quantum dots pourraient se maintenir pendant des milliers de cycles de charge".


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PARTICULES ÉLÉMENTAIRES

 

Quark, méson, kaon... d’où vient le nom des particules ?


Anatomie d'un atome avec ses électrons (en rouge) qui orbitent autour du noyau (bleu). Le premier zoom montre le noyau fait d'un ensemble de protons et de neutrons. ©BSIP/AFP



PARTICULES. Pion, Kaon, Quark, J/Ψ (prononcez Ji/psy)… Les noms de gangs de rue ? De héros de mangas ? D’activistes de confréries secrètes ? Rien de tout cela ! Ces minus ignorés du grand public constituent le "vrai peuple" de l’Univers, les ingrédients ultimes du Cosmos, autrement dit les particules élémentaires de la matière.
Leurs noms étranges remplissent les livres de science du 20e siècle et inspireront sans doute un jour les historiens et sociologues qui se pencheront dans le futur sur cette période ultra faste de l’histoire de la physique. Car c’est durant ces décennies –entre les années 1910 et 1980- que les chercheurs dénichaient une nouvelle particule tous les quatre ou cinq ans. Les ingrédients ultimes du Cosmos datent tous en effet du siècle dernier. A l’exception du boson BEH, du nom de ceux qui ont formulé la première fois l’hypothèse de son existence (Brout, Englert et Higgs) - alias le boson de Higgs - qui a fini par pointer le bout de son nez au grand collisionneur à Hadrons, au Cern (Genève) en 2012.


L'épineux choix du nom
Mais comment a-t-on choisi leur nom, alors qu’ils auraient pu être simplement désignés par des chiffres et des lettres ? Le monde étant constitué de trois familles de quatre particules, les esprits savants du siècle dernier auraient très bien pu les nommer selon des "matrices", ces objets mathématiques en forme de tableau, constitués de lignes et de colonnes : A1, A2, A3 pour la première famille, jusqu’à C1,C2… C4 pour la dernière. Toute entreprise humaine étant empreinte de culture, les scientifiques ont choisi une autre voie, et l’on peut comprendre l’esprit de l’époque à travers les noms ainsi retenus. Un premier tour de piste montre l’attachement des physiciens du XXe siècle, ces pères fondateurs de la discipline, à ce que l’on appelait jadis les Humanités (littérature, philosophie, culture grecque et latine) et dont on peut déplorer l’absence de la scène scientifique actuelle.
Electron. Commençons ainsi par l’électron, cette particule élémentaire de matière, porteur d’une charge électrique négative. "Électron" vient du grec Elektros qui signifie "ambre jaune". Son découvreur Joseph Thompson (Nobel 1906 de physique) a pris comme référence l’expérience de Thalès de Milet, philosophe et mathématicien grec (VIème siècle avant JC) qui avait remarqué une des propriétés inexpliquée de l’ambre jaune. Frottée avec une peau de chat, cette résine naturelle attire d'autres objets… Nous le savons aujourd’hui, cette étrange propriété est due à la présence des électrons porteurs de charges électrostatiques.


Quark. Cette particule élémentaire qui compose le noyau de l’atome, et dont des associations forment les protons et les neutrons du noyau, fait référence au roman "Finnegans Wake" de l’Irlandais James Joyce.  L’ouvrage paru en 1939 est écrit dans une langue qui mélange le gaélique et l’anglais avec des mots inventés. Difficile à lire, il aurait cependant beaucoup inspiré des écrivains comme Beckett et Queneau. Le découvreur du Quark, le physicien américain Murray Gell-Mann –prix Nobel de Physique en 1969– s’est inspiré d’une phrase du livre : "Trois quarks pour Muster Mark". Cette onomatopée était ici utilisée pour rimer avec Mark ! Elle est devenue un mot courant de la physique… et un des ingrédients de base de l’Univers. Car c’est l’association de plusieurs quarks qui forme les particules composites appelées mésons, très éphémères.


Méson. Il existe toute une variété de mésons en fonction des différentes associations de quarks. Leur découvreur, le physicien japonais Hideki Yukawa - prix Nobel 1949-, les avait nommés en premier des mésotrons… du grec meso (médian) et électron. Mais un des pères de la mécanique quantique, le physicien allemand Werner Heisenberg, prix Nobel 1932, arguant que le terme grec mesos ne possédait pas de tr, les mésotrons furent baptisés finalement "méson". Il est vrai que le père de Heisenberg était professeur de grec à l’université de Munich !


Pion et Kaon. Ces autres types de méson doivent leur nom à la notation grec et à la prononciation de la lettre, tout comme upsilon, un autre méson dont le nom correspond à la 20e lettre de l’alphabet grec…
J/ψ (ji/psy). Les néophytes ont tendance à écrire le nom bizarroïde de cette particule  Gypsy, l’enveloppant ainsi dans des effluves exotiques. Or la double identité de ce méson provient du fait qu’il a été conjointement découvert en 1974 par Burton Richter, de l’accélérateur linéaire de l’université de Stanford (SLAC) et Samuel Ting, Américain d’origine Chinoise, qui travaillait alors au Laboratoire National Brookhaven. Ce dernier est devenu très médiatique aujourd’hui en raison de ses déclarations chocs. En mars 2013, il avait ainsi annoncé dans la presse avoir résolu un des grands mystères de l’Univers : celui de la matière noire ! Ting et Richter partagèrent par la suite le Nobel 1976 de physique… Mais tandis que Richter commença par nommer la particule par la lettre grecque ψ, son collègue rajouta la lettre J. Pourquoi J ? Aucune raison officielle n’a été avancée, mais quelques rumeurs circulent : le sinogramme?, se prononçant "ting" en mandarin ressemble à un J. Une manière de signer avec élégance…


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COOPÉRATION ENTRE ROBOTS

 

La coopération entre robots progresse


De nouveaux programmes et des robots interactifs prouvent que les robots peuvent, après tout, travailler ensemble sans aucune supervision humaine.                                                                                                      COOPERATION. Cette année des progrès substantiels ont été réalisés dans la coopération robotique. Plusieurs équipes ont démontré que les robots peuvent coopérer pour réaliser des taches simples sans surveillance humaine. C'est l'une des avancées scientifiques de 2014 mis en avant par la revue Science.

Règles locales et interactions
Les termites peuvent édifier des structures de plusieurs mètres de hauteur sans recourir à une stratégie coordonnée. Ils utilisent plutôt des consignes simples fournies par leurs congénères et l'environnement pour savoir où poser le prochain morceau du monticule et finalement édifier une termitière adaptée à leur milieu. Ce recours à une information locale s'appelle la stigmergie.
C'est ce même principe qui permet aux robots de coopérer ensemble. Imaginons un essaim composé de dizaines de robots chargés d'édifier une structure donnée. Chacun des robots ne connaît que quelques règles simples : des consignes qui sont les mêmes pour toute structure construite par des robots et des lois de trafic qui correspondent à la structure spécifique. Pour réguler le tout, les robots communiquent avec leurs voisins par le biais de capteurs infrarouges : il obtiennent ainsi des informations sur l'organisation globale de l'essaim et peuvent corriger leurs actions.
C'est en se basant sur cette démarche que des tests impliquant plusieurs dizaines voire centaines de robots ont été menés en 2014. Une équipe de l'Institut Wyss pour l'ingénierie inspirée par la biologie à Cambridge a calqué le mode de fonctionnement des termites pour fabriquer des robots capables d'assembler des briques pour édifier une structure cohérente, comme le montre la vidéo ci-dessous.

Autre exemple, à l'Université d'Harvard. Les chercheurs y ont fait fonctionner 1024 petits robots, appelés kilobots, capables de s'organiser pour former des figures géométriques. Là aussi, ils s'inspirent des systèmes biologiques dans lesquels de la complexité est générée à partir d'ordres simples. Trois règles algorithmiques simples et un contrôle des actions du voisinages ont suffit à les faire fonctionner ensemble.

DIGUES. Selon les chercheurs, il est possible d’envisager d’utiliser ce type de robots pour construire des structures pour un usage humain dans un contexte dangereux ou difficile comme la construction d’abris après un séisme, sous l’eau ou même sur une autre planète.

 

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LES MÉTAMATÉRIAUX

 

Phononique et métamatériaux acoustiques


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Propagation d’ondes en milieux complexes : approches théorique et expérimentale
Animateur : Badreddine ASSOUAR
Participant : Badreddine ASSOUAR,Mourad OUDICH
Les cristaux phononiques et métamatériaux acoustiques constituent une thématique qui a été lancée en 2006 au laboratoire. Il s’agit de structures ou matériaux artificiels présentant des bandes fréquentielles interdites pour toute propagation d’ondes élastiques ou acoustiques appelées : bandes interdites. L’idée est d’abord de proposer puis d’étudier de nouveaux concepts et structures par des approches à la fois théoriques/numériques et expérimentales. Nous nous intéressons aux cristaux phononiques à résonance locale (LRPC) opérant dans les régimes soniques et hypersoniques. Il s’agit d’exploiter le régime sub-longueur d’onde inhérents aux LRPC pour développer des applications en basses fréquences (isolation sonique, isolation dans les systèmes aérospatiaux et aéronautiques…), et des applications en hautes fréquences (filtrage très sélectif, guides d’onde, démultiplexage, capteurs…). Ces structures peuvent être micro ou nanostructurées pour les applications hautes fréquences, ou macroscopiques (millimétriques) pour les basses fréquences. Cette homothétie sur les dimensions permet d’étudier les phénomènes et mécanismes physiques sous-jacents à ces matériaux artificiels dans des régimes fréquentiels différents et d’exploiter leurs propriétés uniques qu’on ne peut trouver dans la nature (indice de réfraction négatif, densité de masse effective négative, module élastique négatif …).

Nos études se déclinent sur deux volets. Premièrement, nous étudions des LRPC ou métamatériaux acoustiques bidimensionnels en plaque à base de cylindres ou d’inclusions sur ou incorporés dans des plaques minces. La figure 1 en montre un exemple composé d’une plaque mince d’aluminium sur laquelle sont arrangés des cylindres composés de silicone rubber et de tungstène. Ces structures macroscopiques présentent des bandes interdites allant de 600 Hz à 3kHz en fonction des paramètres géométriques. La figure 2 illustre un exemple de mesures expérimentales par vibrométrie Doppler dans des guides d’ondes créés dans ces métamatériaux où nous exploitons le régime sub-longueur d’onde pour confiner et guider des ondes élastiques de très basses fréquences.

 

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