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Univ. Paris-Saclay

Faits marquants 2018

10 décembre 2018

Le développement de l’énergie solaire, en compétition avec les autres sources d’énergie décarbonées, demande une recherche continue d’amélioration de l'efficacité de conversion énergétique et une réduction des coûts de production. La technologie silicium, majoritaire dans ce secteur, a ainsi vu les performances de conversion des cellules dépasser les 20% en production industrielle et 26% en laboratoire. Une des principales limitations de ces cellules solaires vient de l’imparfaite adaptation de la sensibilité spectrale de la jonction photovoltaïque avec le spectre solaire. Ainsi, une partie des porteurs de charge photo-générés présentent un excès d’énergie par rapport à l’énergie du gap du silicium, qui est converti en chaleur. Perte supplémentaire, l'échauffement résultant réduit l'efficacité de la cellule. Une solution  proposée pour limiter le phénomène consiste à convertir les photons de la partie la plus énergétique du spectre par absorption,  transfert d’énergie et émission secondaire de photons de moindre énergie.

Dans ce contexte l’équipe NIMPH du CIMAP, en collaboration avec une Université et un industriel de Taiwan, étudie l’intégration de couches minces pour la conversion de fréquence dans des cellules solaires à technologie silicium. Ces couches, à base de nitrure de silicium (SiNx) dopée Terbium/Ytterbium permettent d'obtenir jusqu'à 1.34 % d'efficacité de conversion photovoltaïque supplémentaire.

14 septembre 2018
Nous vivons dans un univers moléculaire avec plus de 200 petites molécules identifiées dans le milieu interstellaire et l'observation de molécules organiques complexes dans les atmosphères planétaires, comme les lunes de Saturne. Afin d'étudier les processus conduisant à la formation de ces molécules, une équipe du CIMAP a mené des études sur la complexification moléculaire au sein d'agrégats de molécules carbonées induite par la collision avec des ions. Les études expérimentales menées au GANIL à Caen ont été complétées par des simulations et des calculs théoriques menées dans le cadre du laboratoire collaboratif international DYNAMO. Ces études montrent le rôle particulier des collisions avec des ions et des atomes en raison de l'interaction singulière de ces particules massives avec la matière.

 

16 mars 2018

La forte augmentation de la demande de stockage, de capacité de calcul et de communication liée au numérique va rapidement rendre obsolète l'interconnexion électrique inter- et intra-puces. D'autres solutions doivent être envisagées, comme la photonique sur silicium. En effet, l'intégration de composants photoniques sur silicium permet de développer des liaisons toutes optiques offrant des débits d'information beaucoup plus importants avec une moindre consommation d'énergie.

C'est dans ce contexte qu'une collaboration franco-américaine, constituée de deux laboratoires français, (UMR Cimap (Caen)-UMS Placamat (Bordeaux)) et l'Université de l'Ohio aux États-Unis, a réussi à obtenir une source émissive bleue à l'aide du Cérium, fabriquée entièrement sur silicium. Sous excitation optique, cette lumière est même visible à l'œil nu ! Reste maintenant aux chercheurs à réussir à exciter électriquement ce nouveau composant pour une intégration à des fins applicatives, dans des circuits hybrides électrique / photonique.

 

17 avril 2018

Au cours de la mission "Jupiter Icy Moons Explorer" (JUICE 2022-2033) de l’agence spatiale Européenne (ESA), destinée à l'exploration des lunes glacées de Jupiter, des panneaux solaires assureront 100 % des apports énergétiques de la sonde. Le faible flux solaire reçu à ces distances du soleil nécessite d'utiliser des cellules photovoltaïques performantes de type triple-jonctions, permettant de capter une plus grande partie du spectre solaire. Au cours du voyage, ces cellules seront soumises à d’importantes doses d’irradiations (quelques 1016 e-.cm-2), en particulier par les particules de hautes énergies piégées par la magnétosphère géante de Jupiter. L’autre challenge de cette mission dans l’espace lointain est la très basse température (120 K) à laquelle les cellules solaires triple jonctions (GaInP/GaAs/Ge) devront fonctionner.

Pour le succès de la mission, il est ainsi de de première importance de connaitre et comprendre en détail les mécanismes spécifiques de dégradation sous irradiation aux protons et aux électrons à basse température de ces cellules complexes, à base de jonctions n/p de semi-conducteurs III-V et de germanium. Pour ceci, tout en respectant l’architecture de la cellule triple jonction, l'évolution des propriétés électriques de chacune des couches a été étudiée de façon indépendante. Cette étude est l'objet de la thèse de Seonyong Park, dont les premiers résultats, concernant la dégradation sous irradiation protonique, ont été publiés dans la revue "Progress in Photovoltaics Research and Applications" [1,2].

31 juillet 2018

De multiples recherches sont aujourd'hui orientées vers le développement de nouveaux colorants comme milieu actif de cellules solaires. Une famille de molécules, dites "push-pull", se révèle particulièrement intéressante car ces molécules associent un groupement donneur et un groupement accepteur d'électron. Le transfert de charge (CT) prononcé dans l'état photo-excité est un critère favorable à l'injection de charge dans la cellule photovoltaïque.

En solution, deux phénomènes opposés peuvent fortement influencer ce processus moléculaire : alors qu'un milieu polaire favorise la séparation de charge, la solvatation réduit l’énergie en excès de l’état excité et facilite son retour à l’état fondamental. La présente étude de la dynamique de l'état excité d'un colorant de type "push-pull" par fluorescence résolue en temps à l'échelle sub-picoseconde, permet de mieux maitriser ces comportements [1], et ouvre la voie à plusieurs pistes pour la conception de colorants actifs en cellule photovoltaïque aux propriétés améliorés.

27 mars 2018

Fort de l'expérience développées ces dernières années en simulation de la tranmission d'impulsions lumineuses ultra-courtes à travers des systèmes optiques simples ou relativement complexes, l'équipe PHI du Lidyl propose une méthode pour modifier à volonté et de façon conséquente la vitesse de propagation du maximum d'intensité d'une impulsion lumineuse, cette vitesse pouvant même devenir négative !

Le dispositif proposé est simple et consiste à jouer sur le large domaine spectral que présente une impulsion courte (femtoseconde : 10-15 s) et le chromatisme du dispositif. Les avancées dans ce domaine sont rapides puisqu'une équipe américaine a déjà réussi à mettre expérimentalement en évidence le phénomène. Cette nouvelle possibilité de façonner les impulsions lumineuses a de multiples applications potentielles : accélération de particules, physique des plasmas, expériences résolues en temps à l'échelle sub femtoseconde...

19 février 2018
Comme nos mains, certaines molécules ne sont pas superposables à leur image miroir. Identifier ces molécules droites ou gauches, qu’on dit" chirales", est une étape cruciale de nombreuses applications en chimie et en pharmaceutique. Une équipe de recherche internationale  (INRS/ MBI/CNRS/CEA/Université de Bordeaux) présente une nouvelle méthode très originale pour y parvenir. Les chercheurs font bouger les électrons des molécules dans une direction à l’aide d’impulsions laser ultracourtes, ce qui révèle cette caractéristique moléculaire. Les résultats de ces expériences , impliquant des chercheurs du LIDYL et réalisées à Bordeaux au Centre lasers intenses et applications-(CELIA, CNRS/Université de Bordeaux/CEA), sont publiés dans Nature Physics, le 19 février 2018.

 

08 septembre 2018
Lien avec leurs propriétés photovoltaïques et maitrise de la séparation e--trou

Les cellules solaires à base de pérovskites présentent de fort rendement car elles permettent d'élargir la fraction du spectre solaire qui peut être converti en électricité. Ces performances sont directement liées à leur structure cristalline bien particulière, dont les propriétés de vibrations ont été étudiées par diffusion de neutrons.

Cette étude permet d'atteindre l'ensemble des propriétés élastiques de ces matériaux, données indispensables pour progresser dans l'utilisation des pérovskites hybrides halogénées pour une utilisation en cellule photovoltaïque ou comme émetteur de lumière.

22 mai 2018

Les transitions de phase sont des phénomènes physiques bien connus, qui font partie de notre vie quotidienne : l’eau liquide gèle à 0°c, bout à 100 °C ; certains métaux comme l’étain (étain blanc et étain gris) changent de structure cristalline en fonction de la température... Mais certaines de ces transitions peuvent être de nature bien différente, en lien avec l'existence de défauts "topologiques", qui ne peuvent apparaitre ou disparaitre qu'accompagnés de leurs anti-défauts

Une collaboration de théoriciens et d'expérimentateurs, dont des spécialistes de diffusion de neutrons, s’est intéressée à un matériau quantique unidimensionnel : BaCo2V2O8 (BACOVO). L'étude montre qu’il s’agit d’un système modèle pour l’étude d’une nouvelle transition de phase topologique, gouvernée non pas par un seul, mais par deux types d’excitations topologiques, qui sont de plus quantiquement conjuguées : l'application d'un champ magnétique externe permet de piloter, le système que l'on peut placer dans chacune des phases où une des deux excitations est dominante.

 

12 avril 2018

La diffusion des macromolécules dans les cellules ne suit généralement pas des lois simples de diffusion du fait de la grande quantité et diversité de molécules présentes dans ce milieu. Les globules rouges présentent un cas particulier de cellules composées quasi-exclusivement d’une seule protéine presque sphérique : l’hémoglobine, reconnue depuis longtemps comme augmentant par sa diffusion le transport d’oxygène à travers une solution.

L'objectif de notre étude a été d’essayer de comprendre si la diffusion de l’hémoglobine au sein du globule rouge modifie la cinétique de capture d’oxygène par la cellule. Cette diffusion a été mesurée en solution pour plusieurs concentrations, par spectrométrie à écho de spin de neutrons. Par cette technique on observe que cette diffusion reste brownienne jusqu’à des concentrations physiologiques, et reste similaire pour une même concentration, au sein des globules rouges et en solution. Il est enfin remarquable de constater que la concentration en hémoglobine dans les globules rouges correspond à un optimum du transport d’oxygène.

21 août 2018

La convection thermique est à l'origine des écoulements turbulents au sein des atmosphères planétaires, des océans, des étoiles et des planètes. En astrophysique, un des objectifs est de déterminer les lois régissant le transport convectif de chaleur, afin de les inclure dans les modèles d'évolution stellaire.

En utilisant un forçage radiatif, les chercheurs du SPEC/SPHYNX sont parvenus à reproduire en laboratoire un régime de convection turbulente similaire à celui observé dans les milieux stellaires. Cette expérience constitue la première confirmation expérimentale d'idées théoriques datant de plus de 60 ans et doit contribuer à déterminer a priori les lois régissant la convection turbulente, afin de développer de meilleurs modèles astrophysiques prédictifs.

 

 

05 juin 2018

L’auto-assemblage de molécules optiquement actives sur des surfaces métalliques ouvre de nouvelles opportunités pour les sources de lumières organiques et les milieux amplificateurs de lumière. La surface d’un métal supporte des plasmons de surface (PPS), excitations électroniques sous forme d'ondes électromagnétiques se propageant le long de la surface. Une collaboration saclaysienne, entre le SPEC/LEPO et l'équipe de Sylvain Barbay du C2N, montre que l’auto-assemblage de molécules spécifiques optiquement actives, permet de maximiser leur couplage électromagnétique avec ces plasmons de surface.

Le milieu ainsi réalisé permet d'atteindre une forte densité de molécules fluorescentes. De plus, le moment dipolaire des molécules est idéalement orienté perpendiculairement à l’interface, selon la direction de polarisation prédominante des PPS. Enfin, cet assemblage des molécules donne naissance à un mode d’excitation collective (exciton ou formation de paires électron-trou) en interaction avec les PPS. La combinaison unique de ces trois caractéristiques permet d’atteindre le régime de couplage fort entre l’exciton et les PPS. Dans ce régime, l’échange très rapide d’énergie entre les molécules et les PPS donne naissance à des modes hybrides qui présentent un grand intérêt fondamental et appliqué en photonique. En particulier l’analyse de l’émission spontanée dans ces modes hybrides permet de clarifier la physique en jeu, dans ces conditions de couplage fort,  sujet fortement débattu actuellement pour la réalisation de sources cohérentes nanométriques.

19 mai 2018

Dans un article publié le 17 Mai 2018, dans la revue Cell, l'équipe dirigée par Guillaume Duménil à l'Institut Pasteur, en collaboration avec le groupe d’Hugues Chaté (IRAMIS/SPEC) et celui de Raphaël Voituriez (UPMC), décrypte une étape clé de l’infection causée par le méningocoque, un pathogène humain responsable de méningites chez les nourrissons et les jeunes adultes. Malgré une prise en charge rapide, le taux de mortalité dû à ces infections reste très important.

La modélisation statistique permet de rendre compte des interactions conduisant à la formation des agrégats bactériens observés. L'étude révèle un nouveau type de matière active basée sur la présence des forces attractives intermittentes entre ses éléments constituants.

12 avril 2018

Pour l'ensemble des activités humaines, les pertes thermiques représentent 20 à 50 % de la consommation totale d'énergie. Récupérer sous forme d'électricité une fraction de cette chaleur résiduelle aujourd'hui perdue, améliorerait grandement notre efficacité énergétique.

Pour ceci, les liquides complexes tels que les liquides ioniques chargés ou non en nanoparticules (nanofluides ioniques) sont considérés comme de nouveaux matériaux prometteurs permettant d'améliorer le rendement de conversion directe de chaleur en électricité (ou thermoélectricité). Les efforts expérimentaux et théoriques de l'équipe SPHYNX du SPEC contribuent à élucider les divers phénomènes thermoélectriques se produisant au sein des  ces liquides, permettant d'obtenir des coefficients thermoélectriques (TE) parmi les plus élevés. Cette maitrise des phénomènes élémentaires au sein de ces milieux complexes permet de proposer des solutions pour optimiser la production d'énergie thermoélectrique.

28 mars 2018

Les séismes majeurs sont imprévisibles et pourtant l'analyse statistique des évènements précurseurs et des répliques au choc principal suivent des lois statistiques aujourd'hui bien établies, mais dont l'origine reste encore très mal comprise.

En physique statistique, les mêmes lois peuvent s'appliquer à des systèmes en apparence très différents. Il suffit généralement qu'ils présentent une dimensionnalité et certaines propriétés de symétrie identiques. Il est ainsi tentant de rapprocher les études sismologiques de celles concernant la fracture des matériaux.

Des chercheurs des laboratoires de l’IRAMIS/SPEC/SPHYNX du CEA Saclay et du LTDS-Lyon, associés au CNRS, ont étudié les événements acoustiques émis lors de la propagation d’une fissure unique au sein d'un matériau hétérogène fragile, sollicité en tension. Comme cela a été observé pour un endommagement en compression, ils mettent alors en évidence que l'organisation statistique de ces évènements suit des lois d'échelles similaires à celles observées dans l'étude des séismes. Le système modèle étudié de l'avancée d'une fracture unique étant par nature plus simple et bien défini, il a été possible de comprendre dans ce cas l’origine de ces lois statistiques. Ceci ouvre de nouvelles pistes pour interpréter les lois d'échelles et leur utilisation en sismologie ou pour le suivi de l'endommagement des matériaux.

16 novembre 2018
Diverses anomalies peuvent affecter le transport de l’oxygène par le sang et nécessiter une transfusion. Afin d’éviter les problèmes liés aux transfusions, comme la disponibilité ou les contaminations, la recherche de substituts sanguins est indispensable. Des scientifiques du laboratoire Nanosciences et innovation pour les matériaux, la biomédecine et l’énergie (NIMBE, CNRS/CEA), en collaboration avec des médecins de l’hôpital Henri Mondor de Créteil, ont utilisé des nanoparticules de silice (26 nm) pour transporter l’hémoglobine. Ils sont ainsi parvenus à reproduire, in vitro, le transport de l’oxygène par les globules rouges. Ces travaux, publiés dans la revue Blood Advances, ouvrent des perspectives dans le traitement de maladies telles que la drépanocytose.

 

08 octobre 2018

Les nanomatériaux manufacturés sont largement utilisés pour de nombreuses applications. Certains d’entre eux peuvent être considérés comme dangereux pour la santé car ils pourraient provoquer des effets inflammatoires, respiratoires, cardiovasculaires ou neurologiques. A ce jour, plusieurs études montrent que la toxicité des nanomatériaux dépend de leurs caractéristiques physico-chimiques (composition chimique, taille, forme, structure…), mais les mécanismes biologiques à l’origine de cette toxicité restent encore mal compris.

Les macrophages (globules blancs) en charge de nettoyer l'organisme, sont tout de suite sensibles à la présence de nanoparticules. Dans ces macrophages, l’autophagie cellulaire (processus de dégradation d'une partie du cytoplasme par ses propres lysosomes) permet à la cellule de nettoyer son cytoplasme. L'altération de ce processus pourrait représenter un mécanisme sous-jacent de la toxicité des nanoparticules .

Dans le cadre d’une collaboration étroite entre le NIMBE (CEA-CNRS) et l’IMRB (INSERM), une étude visant à caractériser les effets des caractéristiques physico-chimiques des nanostructures sur l'autophagie des macrophages démontre que les nanotubes de carbone (NTC), de forme allongée, conduisent au blocage du flux autophagique contrairement aux nanoparticules sphériques (NP). Des mécanismes responsables du blocage de l'autophagie induite par les NTC ont également été identifiés. Ces résultats isolent pour la première fois la forme comme un déterminant principal de l'interaction des nanomatériaux sur l'autophagie.

01 octobre 2018
Le CEA et le CNRS, et la Société CortecNet, avec le soutien de l’Agence nationale de la recherche (ANR), lancent leur laboratoire commun "Desir" (Détection efficace et sensible d'intermédiaires réactionnels par RMN). L'objectif est de développer les instruments permettant le suivi in situ de synthèses chimiques par RMN (Résonance magnétique nucléaire). Cette avancée rendue possible, grâce aux progrès de la microfluidique et de l’impression 3D, intéresse la R&D académique et industrielle en chimie.

 

31 juillet 2018

De multiples recherches sont aujourd'hui orientées vers le développement de nouveaux colorants comme milieu actif de cellules solaires. Une famille de molécules, dites "push-pull", se révèle particulièrement intéressante car ces molécules associent un groupement donneur et un groupement accepteur d'électron. Le transfert de charge (CT) prononcé dans l'état photo-excité est un critère favorable à l'injection de charge dans la cellule photovoltaïque.

En solution, deux phénomènes opposés peuvent fortement influencer ce processus moléculaire : alors qu'un milieu polaire favorise la séparation de charge, la solvatation réduit l’énergie en excès de l’état excité et facilite son retour à l’état fondamental. La présente étude de la dynamique de l'état excité d'un colorant de type "push-pull" par fluorescence résolue en temps à l'échelle sub-picoseconde, permet de mieux maitriser ces comportements [1], et ouvre la voie à plusieurs pistes pour la conception de colorants actifs en cellule photovoltaïque aux propriétés améliorés.

19 juin 2018

En association avec le déploiement des sources d'énergies intermittentes (photovoltaïque, éolien...), il est indispensable de poursuivre les efforts de recherche pour améliorer les performances des batteries. Des équipes du CEA Paris-Saclay et du CEA Grenoble ont réussi à développer de nouveaux matériaux d’électrode positive pour les batteries Li-soufre et Li-organique ne présentant pas de phénomène de dissolution de la matière active. Ces matériaux d’électrode positive sont basés sur la fonctionnalisation de manière covalente de nanotubes de carbone multiparois (MWNT) avec des molécules contenant des groupements électroactifs soufrés. Les nanotubes de carbone présentent une bonne conductivité électrique et sont insolubles dans l’électrolyte. Ils servent donc de bon support pour le greffage de la matière active.

Les systèmes obtenus offrent une excellente stabilité en cyclage et une capacité spécifique prometteuse. Ce travail est publié dans la revue ChemElectroChem.

 

24 mai 2018
​Une collaboration entre une équipe de l'IRAMIS/NIMBE et deux équipes de l'I2BC@Saclay mettent en évidence l'affinité très forte de nanoparticules de silice pour des protéines de liaison de l'ARN présentant des séquences de base nucléique à motifs RGG (R = Adenine ou Guanine - Guanine-Guanine). Cette affinité est plus particulièrement renforcée lorsque celles-ci sont méthylées. Ces résultats sont importants pour le développement d'approches "safe by design", visant à minimiser l’écotoxicité des nanomatériaux, dès la conception d’un produit.

 

19 mars 2018

Dans un contexte de développement exponentiel des nanotechnologies, les nanomatériaux sont susceptibles de se disséminer dans l'environnement. Par ailleurs, les végétaux sont des éléments sensibles des écosystèmes car ils constituent un lien étroit entre les trois écosystèmes eau-sol-air, et se situent à la base de la chaine alimentaire.

Il est donc essentiel d’évaluer l’impact des nanoparticules (NPs) sur les végétaux. Que deviennent les NPs déversées dans l’environnement ? Existe-t-il une capture et un transfert par les plantes ? Et si oui, pourrait-on retrouver des traces de NPs dans notre alimentation, par exemple dans notre pain ? Pour tenter de répondre à ces questions, des chercheurs ont allié leurs compétences afin de localiser les nanoparticules de TiO2 dans les végétaux et plus particulièrement dans des plantules de blé. Il a notamment été possible de doser précisément le titane présent dans les racines de blé à l'aide de la microsonde nucléaire du NIMBE*.

14 mars 2018
Quelle quantité d’hydrogène recèle le noyau des planètes telluriques (telles que la Terre ou Mars) ? Pour tenter de répondre à cette difficile question, une collaboration impliquant l'équipe LEEL de l'UMR NIMBE a simulé en laboratoire la ségrégation d’un alliage riche en fer dans un environnement silicaté, en recréant des conditions de pression et température analogues à celles de la formation du noyau terrestre. Les cartographies de dosage des différents éléments effectuées à l'aide de la microsonde nucléaire du NIMBE montrent, que seule une infime quantité d’hydrogène a dû incorporer le noyau des planètes telluriques, favorisant la formation précoce d’un manteau et d’une atmosphère riches en eau.  

 

 

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