Faits marquants scientifiques 2023

Les batteries à flux redox (RFB) présentent le grand avantage de dissocier la quantité d'énergie stockée et la puissance délivrée. Elles sont donc spécifiquement adaptées au stockage des énergies intermittentes (solaire, éolienne). Dans cette technologie, chaque électrolyte est pompé du réservoir où il est stocké jusqu'à une cellule de conversion où se déroule le processus électrochimique.

Pour optimiser les performances des batteries utilisant des électrolytes organiques, il est important de suivre les processus moléculaires se produisant lors des cycles de charge et décharge, et la résonance magnétique nucléaire (RMN) est un outil de choix pour cela. Idéalement il faudrait que les analyses puissent être réalisées pendant le fonctionnement de la batterie, et au plus proche des électrodes et zones d’échange. C'est ce qui a été réalisé sur un spectromètre du NIMBE/LSDRM, où des techniques de fabrique additive ont permis de réaliser une mini-batterie adaptée à une étude "operando".

La génération d’harmoniques d’ordre élevé (n > 10) dans un solide est un processus extrêmement non-linéaire, qui peut être observé lorsqu’un cristal interagit avec un champ laser intense. Elle se traduit par l’émission d’un rayonnement composé de tout un ensemble d'harmoniques de la fréquence du laser excitateur. Plusieurs mécanismes électroniques sont cependant évoqués pour rendre compte de cette observation : transition interbande ou oscillation des électrons intra-bande au sein de la bande de conduction.

L'étude par une équipe du LIDYL/DICO, en collaboration avec le Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD), du processus sur un cristal de GaAs permet d'identifier sans ambiguïté les contributions de chacun de ces mécanismes, grâce à la structure électronique bien particulière du cristal.

Cette étude éclaire ainsi d'un jour niveau la génération d’harmoniques d’ordre élevé dans un solide, étape indispensable pour permettre le développement d'une future optoélectronique à la fréquence pétahertz (10¹⁵ Hz).

La spectroscopie utilise largement les effets de polarisation de la lumière pour explorer la structure électronique d'atomes, molécules ou de solides. En particulier une polarisation circulaire indique que la lumière porte un moment angulaire de spin (MAS) non nul, permettant les spectroscopies de dichroïsme circulaire. Un autre mode de polarisation, où le front d'onde est en rotation, est défini par son moment angulaire orbital (MAO). Ces deux moments angulaires (MAS et MAO) portés par les photons sont quantifiés par valeurs entières.

De façon étonnante, il a été récemment établi qu’on peut définir d’autres types de moment angulaire pour les faisceaux de lumière, tout aussi valides. Certains faisceaux, dont la polarisation est topologiquement équivalente à un ruban de Möbius (avec une périodicité d'une double rotation du front d'onde pour retrouver la situation initiale), portent ainsi un moment angulaire généralisé (MAG = MAO+1/2 MAS) quantifié par valeurs demi-entières : 1/2, 3/2, etc.

Ici, des expériences, menée par l'équipe ATTO du LIDYL et leurs collègues, montrent que le MAG peut être transféré à des harmoniques d'ordre élevé, et que les harmoniques conservent la topologie exotique du champ générateur. Ces travaux ouvrent de nouvelles possibilités en spectroscopie atomique et moléculaire, en particulier pour l'étude d’objets chiraux.

Découverte : Notre-Dame de Paris est désormais identifiée comme la première cathédrale gothique de l’histoire, où le fer a été pensé comme un véritable matériau de structure, en une synthèse des innovations de l'époque.

C'est par une analyse fine des pièces en fer, menée par les instituts LSCE et Iramis, dans le cadre du chantier scientifique conduit par le CNRS et le ministère de la Culture, que cette innovation technique, qui marquera le siècle des cathédrales, a pu être précisément datée comme étant bien contemporaine de la construction de l'édifice,

Les plastiques, légers et peu onéreux, sont souvent préférés comme matériaux de contenant pour les produits alimentaires, ménagers ou de pharmacie. Une recherche active reste de mise pour garantir que le plastique choisi est bien inerte vis-à-vis du contenu et ne détériorera pas ses qualités. Ceci est d'autant plus important pour les produits pharmaceutiques, contenant des protéines qui peuvent plus facilement se dégrader.

L'étude menée par deux équipes du NIMBE et de l'I2BC au CEA, associés à l'INRAE et l'IMMM, montre que les protéines solubilisées peuvent être déstabilisées par contact avec les parois du flacon, conduisant, du fait de l'agitation, à la formation d'agrégats protéiques à l'interface avec l'air, puis en en solution. Le plastique est le matériau le plus défavorable, comparé au verre ou au téflon.

L'étude se poursuit avec l'étude du rôle joué par la présence de microplastique dans les milieux biologiques.

Du fait de ses propriétés électroniques très spécifiques, le graphène, simple feuillet d'épaisseur atomique de graphite, est largement étudié et de multiples applications potentielles sont proposées avec la réalisation de capteurs, de batteries… et aussi de matériaux composites.

Depuis cette découverte en 2004, d'autres matériaux 2D aux propriétés spécifiques ont été élaborés, tel que le phosphorène en 2014, avec ses deux structures bleue et noire.

La collaboration entre l'ISMO, le Synchrotron Soleil, les Universités UCF-USA et Mohammed V-Maroc, associée à un théoricien du SPEC, montre que le phosphorène bleu présente effectivement une structure électronique au niveau de Fermi comparable à celle du graphène. De quoi ouvrir de nouvelles applications potentielles ?

Les alliages à "haute entropie" forment une nouvelle classe de matériaux cristallins, qui se caractérise par des variations aléatoires dans la composition chimique de chaque maille, sans altérer l’ordre géométrique à longue distance. Constitués d'un mélange de type "solution solide" d'au moins 4 métaux, ces matériaux au désordre partiel (chimique) possèdent des propriétés thermiques qui relèvent à la fois des cristaux, avec des modes de vibrations thermiques (phonons) bien définis, et des verres, avec une longueur de propagation de ces phonons bien plus courte que celles des cristaux.

Ces cristaux chimiquement désordonnés présentent ainsi une faible conductivité thermique, qui pourrait être exploitée en thermoélectricité (conversion directe de chaleur en électricité par effet Seebeck).

Les cristaux ioniques à large bande interdite, et donc transparents pour la lumière visible, présentent des états électroniques bien spécifiques au niveau des défauts cristallins (lacune ou interstitiel). Ces "centres colorés" sont optiquement actifs et leur excitation produit une absorption de la lumière dans le domaine visible, responsable de la coloration des cristaux (reconnus alors comme "pierres précieuses"). Comprendre le mécanisme de création de ces centres colorés est important pour maîtriser leur utilisation en tant qu’émetteur ou détecteur de lumière, et également pour la manipulation de leurs propriétés de spin, et leur utilisation potentielle en tant que bit quantique (qubit) pour les applications en informatique quantique.

Dans le nitrure d’aluminium (AlN, présentant un gap de ~ 6 eV), le défaut complexe neutre, constitué d'une lacune / oxygène (V_Al-O_N), présente les caractéristiques nécessaires pour porter un qubit (système à 2 niveaux). Un tel centre peut se former au cours de la croissance du matériau en présence d’impuretés contenant de l’oxygène ou par irradiation ionique.

Les chercheurs du CIMAP ont étudié la formation de ce type de centre coloré par irradiation en utilisant les ions lourds rapides (SHI) du GANIL. Les irradiations sont réalisées sous différentes atmosphères contrôlées (vide, pression partielle d’oxygène ou de gaz rare) pour étudier les effets couplés de la création de défauts ponctuels et l’introduction/diffusion d'impuretés dans la couche d'AlN. Par un réglage fin de l'atmosphère d'irradiation, l'activation ou l'inhibition de ces centres colorés peuvent être contrôlées.

La génération d’harmoniques d’ordre élevé (n > 10) dans un solide est un processus extrêmement non-linéaire, qui peut être observé lorsqu’un cristal interagit avec un champ laser intense. Elle se traduit par l’émission d’un rayonnement composé de tout un ensemble d'harmoniques de la fréquence du laser excitateur. Plusieurs mécanismes électroniques sont cependant évoqués pour rendre compte de cette observation : transition interbande ou oscillation des électrons intra-bande au sein de la bande de conduction.

L'étude par une équipe du LIDYL/DICO, en collaboration avec le Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD), du processus sur un cristal de GaAs permet d'identifier sans ambiguïté les contributions de chacun de ces mécanismes, grâce à la structure électronique bien particulière du cristal.

Cette étude éclaire ainsi d'un jour niveau la génération d’harmoniques d’ordre élevé dans un solide, étape indispensable pour permettre le développement d'une future optoélectronique à la fréquence pétahertz (10¹⁵ Hz).

La spectroscopie utilise largement les effets de polarisation de la lumière pour explorer la structure électronique d'atomes, molécules ou de solides. En particulier une polarisation circulaire indique que la lumière porte un moment angulaire de spin (MAS) non nul, permettant les spectroscopies de dichroïsme circulaire. Un autre mode de polarisation, où le front d'onde est en rotation, est défini par son moment angulaire orbital (MAO). Ces deux moments angulaires (MAS et MAO) portés par les photons sont quantifiés par valeurs entières.

De façon étonnante, il a été récemment établi qu’on peut définir d’autres types de moment angulaire pour les faisceaux de lumière, tout aussi valides. Certains faisceaux, dont la polarisation est topologiquement équivalente à un ruban de Möbius (avec une périodicité d'une double rotation du front d'onde pour retrouver la situation initiale), portent ainsi un moment angulaire généralisé (MAG = MAO+1/2 MAS) quantifié par valeurs demi-entières : 1/2, 3/2, etc.

Ici, des expériences, menée par l'équipe ATTO du LIDYL et leurs collègues, montrent que le MAG peut être transféré à des harmoniques d'ordre élevé, et que les harmoniques conservent la topologie exotique du champ générateur. Ces travaux ouvrent de nouvelles possibilités en spectroscopie atomique et moléculaire, en particulier pour l'étude d’objets chiraux.

Les alliages à "haute entropie" forment une nouvelle classe de matériaux cristallins, qui se caractérise par des variations aléatoires dans la composition chimique de chaque maille, sans altérer l’ordre géométrique à longue distance. Constitués d'un mélange de type "solution solide" d'au moins 4 métaux, ces matériaux au désordre partiel (chimique) possèdent des propriétés thermiques qui relèvent à la fois des cristaux, avec des modes de vibrations thermiques (phonons) bien définis, et des verres, avec une longueur de propagation de ces phonons bien plus courte que celles des cristaux.

Ces cristaux chimiquement désordonnés présentent ainsi une faible conductivité thermique, qui pourrait être exploitée en thermoélectricité (conversion directe de chaleur en électricité par effet Seebeck).

Du fait de ses propriétés électroniques très spécifiques, le graphène, simple feuillet d'épaisseur atomique de graphite, est largement étudié et de multiples applications potentielles sont proposées avec la réalisation de capteurs, de batteries… et aussi de matériaux composites.

Depuis cette découverte en 2004, d'autres matériaux 2D aux propriétés spécifiques ont été élaborés, tel que le phosphorène en 2014, avec ses deux structures bleue et noire.

La collaboration entre l'ISMO, le Synchrotron Soleil, les Universités UCF-USA et Mohammed V-Maroc, associée à un théoricien du SPEC, montre que le phosphorène bleu présente effectivement une structure électronique au niveau de Fermi comparable à celle du graphène. De quoi ouvrir de nouvelles applications potentielles ?

Les batteries à flux redox (RFB) présentent le grand avantage de dissocier la quantité d'énergie stockée et la puissance délivrée. Elles sont donc spécifiquement adaptées au stockage des énergies intermittentes (solaire, éolienne). Dans cette technologie, chaque électrolyte est pompé du réservoir où il est stocké jusqu'à une cellule de conversion où se déroule le processus électrochimique.

Pour optimiser les performances des batteries utilisant des électrolytes organiques, il est important de suivre les processus moléculaires se produisant lors des cycles de charge et décharge, et la résonance magnétique nucléaire (RMN) est un outil de choix pour cela. Idéalement il faudrait que les analyses puissent être réalisées pendant le fonctionnement de la batterie, et au plus proche des électrodes et zones d’échange. C'est ce qui a été réalisé sur un spectromètre du NIMBE/LSDRM, où des techniques de fabrique additive ont permis de réaliser une mini-batterie adaptée à une étude "operando".

Découverte : Notre-Dame de Paris est désormais identifiée comme la première cathédrale gothique de l’histoire, où le fer a été pensé comme un véritable matériau de structure, en une synthèse des innovations de l'époque.

C'est par une analyse fine des pièces en fer, menée par les instituts LSCE et Iramis, dans le cadre du chantier scientifique conduit par le CNRS et le ministère de la Culture, que cette innovation technique, qui marquera le siècle des cathédrales, a pu être précisément datée comme étant bien contemporaine de la construction de l'édifice,

Les plastiques, légers et peu onéreux, sont souvent préférés comme matériaux de contenant pour les produits alimentaires, ménagers ou de pharmacie. Une recherche active reste de mise pour garantir que le plastique choisi est bien inerte vis-à-vis du contenu et ne détériorera pas ses qualités. Ceci est d'autant plus important pour les produits pharmaceutiques, contenant des protéines qui peuvent plus facilement se dégrader.

L'étude menée par deux équipes du NIMBE et de l'I2BC au CEA, associés à l'INRAE et l'IMMM, montre que les protéines solubilisées peuvent être déstabilisées par contact avec les parois du flacon, conduisant, du fait de l'agitation, à la formation d'agrégats protéiques à l'interface avec l'air, puis en en solution. Le plastique est le matériau le plus défavorable, comparé au verre ou au téflon.

L'étude se poursuit avec l'étude du rôle joué par la présence de microplastique dans les milieux biologiques.