Comment transformer un coquillage en cellule photovoltaïque

Prenez pour commencer un oursin plat (genre Mellita) communément appelé « dollar des sables ». Il est essentiellement composé de calcite, c’est-à-dire de carbonate de calcium. A l’état naturel, le calcium peut être en partie remplacé par d’autres ions métalliques chargés positivement comme le magnésium, le zinc ou encore le baryum.

Choisissez ensuite une équipe de chercheurs, par exemple Willem Noorduin et ses collègues de l’AMOLF (un institut de recherche situé aux Pays-Bas). Faites-leur échanger dans la structure de l’oursin le baryum et le carbonate par des éléments bien précis, typiques de certains matériaux synthétiques utilisés pour la fabrication de cellules photovoltaïques. (Pour ceux qui ont quelques souvenirs de chimie, ces éléments sont d’une part le plomb sous sa forme d’ion : Pb2+ et d’autre part un halogénure, c’est-à-dire un ion dérivé d’un halogène comme par exemple le chlore ou le fluor.)

Pour le dire plus simplement peut-être, c’est exactement comme dans certains  commentaires des recettes de Marmiton : tel internaute a trouvé « délicieux » le gratin de courgettes à la feta mais comme il n’aime ni l’une ni les autres, il a mis des tomates à la place des courgettes et de la mozarella au lieu de la feta et franchement, « c’était super, les enfants ont adoré »…

Ici c’est pareil : après avoir substitué chaque ingrédient, les chercheurs ont obtenu une « perovskite » plomb-halogénure, connue comme matériau photovoltaïque à haut rendement, tout en conservant exactement la forme initiale, celle de l’oursin !

La perovskite ainsi obtenue a démontré la même efficacité dans l’absorption et la ré-émission de lumière que les perovksites sous forme de film, suggérant que cette méthode d’obtention pourrait être utilisée pour produire des composants optiques et électroniques en trois dimensions au lieu de deux, ouvrant ainsi la voie à de nouveaux développements.

Photo : Noorduin lab, AMOLF

Pour en savoir plus : Glow-in-the-dark semiconductor seashells

L’ours, le lapin et le militaire

L’ours polaire est blanc pour mieux se fondre dans le décor de glaces qu’il habite et sa fourrure épaisse lui tient chaud. Certes. Mais pas seulement. Comme d’habitude, le sujet n’est pas tant la quantité que la qualité : un poil d’ours (à gauche sur la photo) observé de -très- près est en fait plein de trous en son centre et cette structure poreuse en fait un fantastique isolant.

Sous la houlette de Hao Bai, une équipe de recherche chinoise s’est inspirée des poils de l’ours pour créer un textile synthétique « intelligent » alliant d’excellentes propriétés d’isolation thermique à une parfaite respirabilité. Elle a conçu un dispositif lui permettant de produire une fibre à base de molécules de soie et d’eau. Puis, l’eau contenue dans la fibre est refroidie, ce qui provoque l’apparition de cristaux de glace entre les molécules de soie. La glace est ensuite éliminée, créant une multitude de « vides » dans la fibre (à droite sur la photo).

Les chercheurs ont tissé des couvertures à partir de cette fibre et en ont enveloppé des lapins : l’isolation thermique était si parfaite que des capteurs de température n’ont pas pu détecter la chaleur des corps des lapins ! En somme, ils ont inventé la cape d’invisibilité… thermique. Les applications pourraient être industrielles et militaires.

 

Photo : Y. Cui et al./Adv. Mater.

Pour en savoir plus :

A thermal-invisibility cloak spun from silk and ice

A Thermally Insulating Textile Inspired by Polar Bear Hair

 

Un béton bio-inspiré (un sujet qui ne manque pas de piquant)

Avant d’être un blog, Métamorphoses était une publication « papier ». Début 2012, j’y relatais qu’une équipe internationale de scientifiques avait proposé une interprétation de la structure des épines d’oursin ouvrant selon eux des perspectives pour la fabrication de bétons plus performants.

Les épines d’oursin sont en effet essentiellement constituées de carbonate de calcium. Si je vous dis « craie » vous voyez mieux de quoi il s’agit… En principe, ce matériau est très fragile. Marcher sur un oursin ne devrait donc pas être un problème : les épines devraient casser sous le pied de l’imprudent. Mais chacun sait, par expérience ou par instinct, que ce n’est pas le cas et qu’il vaut mieux faire un détour. Pourquoi les épines d’oursin ne sont-elles pas friables comme de la craie ?

L’équipe en question indiquait qu’à l’échelle nanométrique, ces épines sont en fait organisées comme un mur de « briques » reliées entre elles par un « mortier ». Briques et mortier sont également constitués de carbonate de calcium, mais organisé de deux façons différentes. Les briques sont de la calcite, une forme cristalline et cassante de ce minéral, tandis que le mortier est une forme amorphe présentant une certaine élasticité. Lorsqu’une force est appliquée sur la calcite, le bloc cristallin se fend. Mais l’énergie est transférée au mortier qui la dissipe, empêchant la casse.

Six ans plus tard, un « ciment inspiré de la structure cristalline de la calcite qui compose les épines d’oursins a été synthétisé par une équipe de scientifiques allemands« . L’article publié dans Materials Science rappelle que le béton, s’il présente une grande résistance à la compression, a l’inconvénient de manquer d’élasticité et de n’offrir qu’une faible résistance à la torsion. C’est pourquoi il est souvent renforcé avec des barres d’acier.

Pour améliorer ses propriétés, les scientifiques se sont inspiré des oursins. En organisant de façon très fine des zones minérales rigides et des zones polymères élastiques dans un ciment, ils ont obtenu un béton dont la résistance à la flexion serait quarante à cent fois supérieure à celle de bétons traditionnels.

Renversant !

Vincent Nijman (1), Professeur d’Anthropologie  à Oxford Brookes University, pense qu’il y a un lien entre la saga Harry Potter et l’augmentation du commerce illégal de hiboux en Indonésie. Le nombre de ces animaux vendus sur les îles de Java et de Bali serait en effet passé de quelques centaines par an avant 2001 à 13 000 en 2016. Le premier tome de la saga a été traduit en indonésien en 2000 et le premier film y est sorti en 2001. Bien que le lien direct ne soit pas prouvé, la présomption est forte selon le chercheur pour qui « Harry Potter a banalisé le hibou comme animal de compagnie ».

Harry Potter se voit en effet offrir une chouette blanche pour son onzième anniversaire, qu’il baptise Hedwig (en français Hedwige). Notez qu’Hedwige est une chouette et que je vous parle de hibou, l’article de Nature auquel je me réfère utilisant le vocable « owl », qui se traduit également par chouette et hibou en français. Comment savoir alors auquel de ces deux rapaces j’ai affaire ? Je me suis fiée d’une part à la photo qui accompagne l’article, laquelle est bien celle d’un hibou (reconnaissable à ses aigrettes sur la tête, tandis que j’ai fait pour ma part le choix de vous montrer une chouette) et d’autre part au texte, qui précise le genre Otus lequel renvoie bien lui aussi au hibou, plus exactement au Petit-duc. Comme quoi le latin reste fort utile !

Mais revenons à nos moutons (si j’ose dire) : en malais, hibou se dit traditionnellement « burung hantu ». Désormais, dans le langage populaire il est devenu « burung Harry Potter ». Un hibou coûte entre 6 et 30 dollars américains en Indonésie, ce qui le rend accessible à la plupart des Indonésiens qui ont un salaire. Les animaux ainsi vendus ont été capturés dans leur milieu naturel, ce qui pose le problème de la conservation de l’espèce. La loi indonésienne interdit la capture d’animaux sauvages pour lesquels il n’existe pas de quota de chasse, ce qui est bien le cas pour les hiboux. Mais les autorités n’ont pas pris de mesure dans ce cas et, sollicité par Nature, le gouvernement n’a pas fait de commentaire.

Si ce n’est pas renversant, a minima ce n’est pas chouette…

 

(1) : The Harry Potter effect: The rise in trade of owls as pets in Java and Bali, Indonesia

Bonne année… avec un « latte »

Comment commencer l’année ? Avec un café « latte » !

C’est peut-être ce qu’a pensé Howard Stone en observant les couches horizontales bien distinctes obtenues par son « barista » habituel. Avec ses collègues de l’Université de Princeton dans le New Jersey, il a effectué des simulations sur ordinateur ainsi que quelques expériences à l’aide d’eau teintée injectée dans une eau salée plus dense pour comprendre la formation des fameuses couches.

Il en résulte que si un espresso est injecté suffisamment rapidement dans un verre de lait chaud, le mélange café-lait à proximité de la paroi du verre se refroidit, se densifie et coule jusqu’à atteindre une couche de même densité. Arrivé à ce stade, il cesse de couler pour commencer à circuler horizontalement, formant des « cellules de convection » qui peuvent conserver leur structure des dizaines de minutes voire jusqu’à plusieurs heures, donc probablement bien plus longtemps que vous n’en mettrez à boire votre « latte ».

Créer de jolies couches dans un café latte est donc une question de procédé, plus que de matières premières.

Selon les auteurs, ce principe pourrait en outre être utilisé pour créer des gels en couches pour les cultures cellulaires et connaître des applications en ingénierie tissulaire.

Très bonne année à tous !

 

Pour en savoir plus : Laboratory layered latte

Comment je m’habille aujourd’hui ?

Nous devons « Comment je m’habille aujourd’hui ? Le style de la Parisienne », paru en 2016, à Inès de la Fressange et Sophie Gachet. Voilà un guide sans doute fort utile – a minima pour les Parisiennes- mais un peu court quand il s’agit d’aller, non pas au bureau ou en soirée mais bien sur Mars.

En soumettant des souris à un rayonnement comparable à celui auquel s’exposent les astronautes dans l’espace, Charles Limoli, chercheur à l’Université de Californie à Irvine et ses collègues ont observé des troubles cognitifs importants et durables, qui se retrouveraient probablement chez les humains et compromettraient potentiellement le succès des missions spatiales. Si les astronautes de la Station spatiale internationale, en orbite relativement basse (à environ 400 km d’altitude) sont protégés par le champ magnétique terrestre, le voyage vers Mars et au-delà est une autre paire… de manches comme diraient les modeuses.

En clair, le style de la Martienne, c’est la combinaison intégrale en plomb. Avouez que ce n’est pas très élégant et surtout, c’est bien trop lourd pour être transporté en orbite. Un sacré challenge en perspective pour les spécialistes des matériaux !

 

Pour en savoir plus : Pour la science n°482, décembre 2017

Qu’est-ce qu’un MOF ?

Il faut se méfier des acronymes. Par « MOF », vous entendez sans doute « Meilleur Ouvrier de France » mais connaissez-vous les « Metal Organic Fameworks » ou réseaux métallo-organiques ?

Leur nom l’indique : les réseaux métallo-organiques sont constitués d’ions métalliques (tels que le fer, le titane, l’aluminium, le cuivre, …) reliés entre eux par des groupes « organiques », donc à base de carbone et leur intérêt réside dans leur exceptionnelle porosité.

Ils sont en effet « nanoporeux », comme le charbon actif, les zéolithes ou les silices, donc plein de pores minuscules ce qui fait que leur surface réelle est très supérieure à leur surface « apparente ». Si vous avez du mal à me suivre, imaginez deux feuilles de papier de la même aire apparente (par exemple, deux carrés de 10 par 10 cm) : l’une est lisse et l’autre est plissée comme un éventail. Si vous aplanissez la feuille plissée, alors son aire ne sera plus de 10 par 10 mais (par exemple) de 20 par 10… L’image pourrait aussi être fromagère : la surface réelle d’un morceau d’emmental est supérieure à la surface réelle d’un morceau de gruyère de même taille. En conséquence, plus il y a de trous dans l’emmental, plus il y a en fait… de surface !

A quoi servent les matériaux nanoporeux ? A piéger ou transporter une grande variété de molécules. Le charbon actif est par exemple utilisé pour filtrer l’eau depuis l’Antiquité ou dans les masques à gaz depuis le 19ème siècle. Un gramme de charbon actif a une surface de l’ordre de 1 000 m² (1). Ses petits cousins les MOF, observés pour la première fois en 1992, ont une surface de l’ordre de 10 000 m² par gramme… C’est plus qu’un terrain de football ! Ils sont extrêmement prometteurs car ils permettent de stocker des gaz à effet de serre comme le CO2 ou le méthane, ou encore de l’hydrogène afin de produire de l’électricité renouvelable. Autre exemple : des chercheurs de l’université de Berkeley et du MIT ont uni leurs efforts et présenté début 2017 une preuve de concept combinant l’énergie solaire et un MOF à base de zirconium pour collecter l’eau présente dans l’air, même dans un environnement désertique (2).

Par contre, jusqu’à présent les MOF étaient disponibles sous forme de poudres, lesquelles ne sont pas faciles à mettre en oeuvre à l’échelle industrielle. Mais une équipe internationale menée par des chercheurs de l’Institut de recherche de Chimie Paris a récemment fait la couverture de Nature Materials avec une étude qui met en évidence la capacité d’un MOF à base de zinc à garder ses propriétés de porosité à l’état liquide, puis à l’état vitreux. C’est surprenant car, comme le dit joliment le CNRS (3), « l’état liquide n’est pas celui qui favorise la porosité » ! C’est vrai : on peut faire des ronds dans l’eau mais on y voit au final assez rarement des trous… « Ces résultats ouvrent la voie à de nouvelles applications industrielles » : on ne peut que l’espérer, quand il vient d’être annoncé que les émissions mondiales de COsont reparties à la hausse après trois ans d’accalmie.

 

(1) Les réseaux métallo-organiques : des matériaux prometteurs aux nombreuses applications industrielles

(2) This new solar-powered device can pull water straight from the desert air

(3) Quand un solide poreux garde ses propriétés à l’état liquide

Après mystère et boule de gomme…

Après « mystère et boule de gomme », voici « polymère et boule de poils » :

La polymérisation en chaîne permet de synthétiser de longues molécules par addition d’éléments dits « monomères », ces monomères s’ajoutant progressivement au bout de la chaîne moléculaire, comme des perles qu’on enfilerait les unes après les autres pour en faire un collier.

Des chercheurs de l’Université Cornell aux Etats-Unis ont étudié la croissance individuelle de polymères et, surprise, ont mis en évidence que le collier ne se fabriquait pas en enfilant les perles une à une mais par « bonds » successifs correspondant à l’ajout de plusieurs perles en même temps. Leurs observations montrent que ce comportement est lié au fait que les monomères (les « perles ») s’emmêlent entre eux et sont maintenus par des interactions faibles, formant selon ces scientifiques une « boule de poils » qui se déroule soudainement.

A quoi cela nous avance-t-il de le savoir, direz-vous ? A rien je suppose, mais l’idée de la « boule de poils » me plaisait suffisamment pour que je vous en parle !

 

Pour en savoir plus : Polymers grow by adding « hairballs »

Premier millésime du Prix Etudiant SFIP : déjà un grand cru !

PLEXIGLAS, NYLON, TEFLON… des noms commerciaux de polymères qui ont tellement changé nos modes de vie qu’ils en sont passés dans le langage courant ! Mais tous ont désormais plus de 50 ans. Même le polycarbonate a marché sur la lune, avec Neil Armstrong. Alors, quoi de neuf aujourd’hui dans le domaine des plastiques ?

A cette question, Adrien DEMONGEOT (recevant, à droite sur la photo, son prix des mains de Gérard Liraut, Président de la SFIP), Ingénieur de l’ESPCI (Ecole Supérieure de Physique et de Chimie Industrielles de Paris) et Docteur de l’Université Pierre et Marie Curie répond : les vitrimères !

Voici donc une nouvelle classe de polymères dont nous avons entendu parler pour la première fois en 2011, lorsque Ludwik Leibler, Directeur du laboratoire Matière molle et Chimie à l’ESCPI Paris Tech a mis au point ce concept avec son équipe. Les vitrimères sont aussi résistants et insolubles que les thermodurcissables mais ils sont façonnables à chaud comme les thermoplastiques.  Cependant, contrairement aux thermoplastiques qui présentent une forte chute de viscosité à la fusion ou à la transition vitreuse, la diminution de viscosité des vitrimères se fait en douceur avec la température, comme dans le verre, d’où leur nom rappelant la nature polymère du matériau et la racine latine du mot verre, vitrum.

Devant un concept aussi innovant, le plasturgiste a les yeux qui brillent car il comprend qu’un jour, il n’aura plus à choisir entre la résistance des thermodurs d’une part et la recyclabilité et la réparabilité des thermoplastiques d’autre part. Mais il se demande combien de temps encore il devra patienter pour disposer de ces petites merveilles…

C’est là que se positionne le travail de thèse d’Adrien DEMONGEOT, qui a précisément consisté à transformer un polyester commercial en vitrimère, en utilisant un outil de mise en œuvre classique des thermoplastiques industriels et des additifs tous commerciaux. Plus précisément, il a modifié un PBT par des résines époxy en présence d’un catalyseur de transestérification, directement en extrudeuse, ouvrant ainsi de nouveaux domaines applicatifs au PBT, notamment dans la connectique.

Pour sa toute première édition, le Prix Etudiant SFIP a donc été attribué à l’unanimité à Adrien DEMONGEOT. Les membres du jury ont été séduits par une double ambition de recherche d’une rupture technologique alliée à une vision applicative et industrielle, le tout présenté avec rigueur, clarté et une belle maîtrise.

Bravo à Adrien DEMONGEOT et… longue vie au Prix Etudiant SFIP !

 

Cet article est également publié sur LINKEDIN : Première édition du Prix Etudiant SFIP

Serions-nous plus malins que les humains ?

C’est la question que semble se poser ce macaque crabier ou macaque à longue queue (Macaca fascicularis).

Ses congénères, qui habitent le parc national de Sam Roi Yot en Thaïlande, ont l’habitude d’utiliser des outils pour pêcher les huîtres et coquillages qui composent leur alimentation. Des chercheurs de l’Université d’Oxford (1) ont mis en évidence que la taille et l’abondance des proies avaient tendance à diminuer sur deux îles du parc, avec un impact plus marqué sur l’île de Koram, dont la population de macaques est plus importante que celle de NomSao. C’est le « plus on est de fous, moins il y a de riz » de Coluche revisité : « plus on est de macaques, moins il y a de fruits de mer ».

Là où cela devient intéressant, c’est que ces mêmes chercheurs ont constaté que, bien que visant les mêmes proies que leurs cousins de NomSao, les macaques de Koram choisissent des outils plus petits pour la pêche. Selon Lydia Luncz et ses collègues d’Oxford, les macaques pourraient avoir ainsi réduit la taille de leurs outils en réponse à la raréfaction des proies.

Peut-on en conclure que le macaque pratique instinctivement la pêche durable tandis que l’homme continue de surexploiter les ressources halieutiques ?

 

(1) NATURE, Vol 549, 21 septembre 2017