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L’éclairage mis en lumière

Quelles sont les notions associées à l’éclairage ? Et quels en sont les enjeux ? La dernière conférence du cycle « Lumière en discussion » présentera la chronologie des techniques impliquées et il sera notamment question de la révolution LED. On découvrira comment fabriquer une lumière colorée ou blanche, en faire varier ses caractéristiques pour les applications domestiques ou techniques  et créer des structures de lumière pour le bonheur de tous.

 

Jeudi 17 décembre, 17 heures, auditorium de la bibliothèque de l’Alcazar, Fernande Vedel, professeur émérite à l‘Université Aix-Marseille.

 

Image : artiste : Yann Kersalé, « la profondeur des lames » / crédit photographie : Laurent Lecat
Image : artiste : Yann Kersalé, « la profondeur des lames » / crédit photographie : Laurent Lecat

Impact des nanotechnologies sur l’environnement : comment les rayons X peuvent-ils aider à apporter des réponses ?

Les nanotechnologies font partie intégrante de notre quotidien. Chaussettes, crèmes solaires, aliments, peintures, ciments : on trouve des nanomatériaux dans de nombreux produits de consommation. Les nanomatériaux sont tous les matériaux composés ou constitués d’objets à l’échelle manométrique (un milliardième plus petit que le mètre). Comme toutes technologies innovantes, les nanotechnologies offrent la perspective d’avancées extraordinaires dans de nombreux domaines tels que la médecine par exemple, mais peuvent également s’avérer néfastes pour l’homme et l’environnement. Dans ce contexte le CEREGE étudie le comportement et le devenir des nanomatériaux pendant tout le cycle de vie des produits de consommation dans lesquels ils sont incorporés (utilisation, vieillissement, fin de vie …).

Les nanomatériaux sont si petits qu’il n’est pas possible de les observer avec la lumière visible. Nous utilisons donc des techniques à base de rayons X pour détecter, localiser, visualiser, et caractériser ces particules jusqu’à l’échelle de l’atome et ainsi mieux comprendre leur comportement et devenir pour pouvoir in fine évaluer le risque qu’elles représentent et proposer une conception de ces objets plus « sûre » (safer by design).

 

Mardi 8 décembre, 17 heures, auditorium de la bibliothèque de l’Alcazar, Clément Levard, chercheur CNRS au Centre Européen de Recherche et d’Enseignement des Géosciences de l’Environnement, OSU Institut Pythéas.

 

© CEREGE

Les secrets de la matière vivante sous la lumière du synchrotron

Les nouvelles technologies toujours plus performantes nous permettent désormais d’explorer la matière vivante jusque dans ses secrets les plus intimes, en exploitant toutes les propriétés de la lumière. La structure de l’ADN en double hélice révélée par Watson et Crick en 1953 avait dévoilé à l’époque « le secret de la vie » (dixit Francis Crick). Aujourd’hui la vie recèle encore heureusement bien des mystères, que nous perçons un peu plus chaque jour avec de nombreuses applications pour notre quotidien et notre santé. Des enzymes gloutons aux médicaments de demain : voici un voyage au cœur de la matière vivante jusqu’à l’échelle de l’atome grâce aux microscopes de l’infiniment petit et à la lumière du synchrotron.

Jeudi 26 novembre, 17 heures, auditorium de la bibliothèque de l’Alcazar, Véronique Receveur-Bréchot, chercheur CNRS au Centre de Recherche en Cancérologie de Marseille.

© Véronique Receveur-Bréchot / CRCM
© Véronique Receveur-Bréchot / CRCM

 

Lumières sur les abysses avec le télescope ANTARES

En général, lorsqu’on parle de bioluminescence, on pense aux lucioles… En fait, sur Terre, la bioluminescence est plutôt rare alors que c’est la norme en milieu marin. Une remarquable diversité d’animaux marins est capable d’émettre de la lumière, des microbes aux poissons. Si ce phénomène est connu depuis l’Antiquité, son intérêt écologique reste parfois encore mystérieux, particulièrement en ce qui concerne les bactéries bioluminescentes.

De façon inattendue, le télescope sous-marin ANTARES, immergé à 2400 m de profondeur au large de Toulon et dédié à l’observation de la lumière Cherenkov issue des neutrinos cosmiques, permet d’étudier la bioluminescence des organismes marins. En 2009 et 2010, ANTARES a observé un étrange phénomène : la bioluminescence due aux organismes abyssaux a brusquement augmenté. Ceci a permis de révéler un lien inattendu entre une activité biologique – la bioluminescence – et le mouvement de masses d’eau en milieu profond.

Mardi 3 novembre, 17 heures, auditorium de la bibliothèque de l’Alcazar, Stephanie Escoffier, chercheur CNRS au Centre de Physique des Particules de Marseille et Christian Tamburini, chercheur CNRS à l’Institut Méditerranéen d’Océanologie, OSU Institut Pythéas.

 

© www.mathildedestelle.com

Une arnaque pour touriste

L’univers est peuplé d’objets célestes incroyables. Immenses, lumineux, colorés, les nuages de gaz ou les galaxies font rêver. Pourtant, ce ne sont qu’une infime fraction de ce qui nous entoure vraiment. Pire encore, ces belles couleurs seraient invisibles à l’œil nu. Un voyageur spatial serait en fait quelque peu déçu.

La matière qui nous constitue, nous ainsi que tous les objets célestes que nous observons, ne correspond qu’à environ 4% du contenu de l’univers. D’après les scientifiques, 21% du reste serait de la matière « noire », et 75% de l’ « énergie noire », deux composants de l’univers aujourd’hui complètement inobservables par l’humain. « On ne voit pratiquement rien de notre univers, » ironise Stéphane Basa, directeur de recherche au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille. En effet, l’homme ne peut observer que grâce à la lumière, c’est notre seul messager, « indispensable mais totalement biaisé, » explique le chercheur. Le photon, la particule qui compose la lumière, est émis par les étoiles qui ne sont donc qu’une toute petite fraction de l’univers. Si tout le reste est invisible, il est d’autant plus difficile pour les scientifiques de développer des appareils capables de détecter matière noire et énergie noire. « On n’a que la lumière ! », s’exclame Stéphane Basa, « ce qui n’en émet pas ou qui ne la transforme pas, donc tout le reste, nous est fondamentalement invisible et mystérieux! ».

NGC-6611-nebuleuse-aigle-640x480La nébuleuse de l’aigle aussi connue sous le nom de NGC 6611. Crédit : Hubble/NASA.

Dans le couloir opposé du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, c’est Georges Comte, astrophysicien émérite, qui s’insurge : « Toutes ces images de galaxies et de nébuleuses que vous voyez, c’est bien évidemment rendu plus joli par traitement ! ». La plupart des télescopes utilisent des caméras CCD avec des filtres pour observer et rendre de belles images. Le capteur CCD transforme le nombre de photons captés en un signal électrique qui sera numérisé, ceci après passage à travers des filtres de couleur. « On recombine les images avec ce qu’on a obtenu dans chaque filtre, » explique Georges Comte, « c’est donc artificiel, mais ça correspond plus ou moins à une vraie couleur. » En revanche, l’œil humain serait incapable de voir autant de détails et de tonalités. Tous les dixièmes de seconde, notre cerveau rafraîchit l’information captée par la rétine : un mécanisme indispensable pour la vision des mouvements et du monde alentour. « Mais pour capter la lumière lointaine des galaxies, les télescopes posent longtemps sur un même champ », déclare le chercheur. L’intensité lumineuse trop faible des objets célestes couplée à l’impossibilité pour l’œil humain de voir les couleurs en vision nocturne (« La nuit, tous les chats sont gris ! ») fait qu’ « à l’œil, tous ces astres et nébuleuses magnifiques ne deviennent que des amas laiteux, blanchâtres, sans grand intérêt esthétique » clame Georges Comte.

m82-supernovaLa galaxie M82 sans retraitement des couleurs. Les lignes blanches indiquent la présence d’une supernovae (soit l’explosion d’une étoile.) Crédits : UCL/University of London Observatory

La lumière, aussi utile et chaleureuse soit-elle, est une limite, un biais en soi, « une arnaque pour les touristes que nous sommes, » lance Stéphane Basa. Et Georges Comte d’ajouter : « le duo lumière-œil marche bien, mais a des pouvoirs bien restreints quand il s’agit de regarder l’espace. »

En une de l’article, la galaxie Whirlpool aussi connue sous le nom de M51. Elle absorbe NGC 5195, son compagnon à droite. Crédit : Hubble/NASA

Renaud Levantidis

De l’art de la lumière

Il se cache parfois dans le pragmatisme du monde scientifique un peu de magie artistique étonnante. Pour étudier la matière aux plus petites échelles, les scientifiques de l’Institut Fresnel font faire à la lumière du pointillisme et des harmoniques.

Pointillisme : terme couramment utilisé en peinture pour désigner une technique qui consiste à peindre une surface par juxtaposition de petites touches (points) de peinture de couleurs primaires et complémentaires.

Harmonique : composant d’une onde qui possède une fréquence multiple de la fréquence fondamentale. En musique, une harmonique fait part entière d’un son musical.

Jusque là, nous sommes bien loin d’un laboratoire de recherche en optique. Et pourtant. Sophie Brasselet, chercheuse en biophotonique à l’Institut Fresnel dans l’équipe MOSAIC utilise fréquemment le pointillisme et les harmonies…avec de la lumière. « Tout les moyens sont bons pour exploiter la manière dont les molécules émettent la lumière ! », s’amuse-t-elle.

Actine - MOSAIC

Pour voir l’intérieur des tissus, Sophie utilise parfois une méthode tirée du pointillisme. Elle marque les molécules qu’elle veut voir avec des marqueurs fluorescents, puis illumine son échantillon. « Des milliers de petites lampes de poches se mettent à clignoter, » sourit-elle. Il s’agit alors de reconstituer une image à partir de tous ces petits points que les scientifiques peuvent localiser avec une grande précision. La technique du pointillisme appliquée à l’optique permet ainsi aux scientifiques d’avoir des images d’une définition extrême. « Nous arrivons à voir le squelette interne des cellules avec une précision sans précédent avec de la simple lumière, » explique Sophie Brasselet.


Microtubules MOSAIC

Certaines molécules n’ont elles pas besoin d’être marquées, comme le collagène par exemple, très présent dans la peau. « On va utiliser une technique plus dense en lumière, le contraste non linéaire, » raconte la chercheuse. Éclairées aux infra-rouges, les molécules de collagène vont interagir avec le faisceau lumineux, et renvoyer de la lumière visible, c’est à dire une nouvelle lumière avec une fréquence plus élevée. Autrement dit, un harmonique. « C’est le même principe qui est utilisé dans beaucoup de lasers, qui donnent une lumière bleue ou verte alors que le générateur à l’intérieur émet de l’infrarouge, » explique Sophie Brasselet. La lumière infrarouge va traverser un cristal et pomper son énergie pour donner une lumière avec une fréquence plus élevée, multiple de la fréquence de base, soit un harmonique de cette fréquence.

Sciences et arts semblent donc intrinsèquement liés. Si au niveau le plus fondamental les deux se mêlent, c’est aussi pour le grand public qu’ils peuvent se rejoindre. D’ailleurs, « Éclats de Lumière » vous réserve encore quelques belles surprises à ce sujet.

(Crédits photos : Institut Fresnel)

Renaud Levantidis

Sélectionner la bonne lumière

À l’institut Fresnel, spécialisé en recherche optique, une équipe de chercheurs développe des filtres dotés d’une précision redoutable. Les couches minces optiques permettent de choisir quelle longueur d’onde sera observée. Elles sont vérifiées grâce à un microscope unique au monde.

De quoi sont faits les filtres anti-reflets de vos lunettes ? À l’Institut Fresnel, un laboratoire de recherche en optique de Marseille, l’équipe de recherche RCMO (pour Recherche en matériaux, composants et technologies de Couches Minces Optiques) travaille au développement de filtres capables de manipuler la lumière à la surface du verre. « Nous travaillons surtout sur des filtres utilisés en astrophysique, » explique Laetitia Abel-Tiberini, maître de conférence et membre de l’équipe RCMO, « mais l’idée de base est la même que pour les couches anti-reflets habituelles ».

Pour faire un bon filtre, dénommé « couche mince optique », prenez un peu de silice et un zeste de pentoxyde de tantale, deux matériaux aux propriétés optiques particulières. Chauffez les ensuite pour qu’ils s’évaporent et viennent se déposer en couches successives sur une surface en verre. C’est l’alternance de ces couches et le contrôle de leur épaisseur qui crée le filtre. « Nous pouvons ainsi constituer des filtres qui ne laissent passer qu’une seule longueur d’onde lumineuse, des filtres qui au contraire absorbent une ou plusieurs longueur d’onde, ou des filtres anti-reflets, » raconte Laetitia Abel-Tiberini.

Dans l’espace, le poids a un prix considérable, de l’ordre de 10000 euros par kilo envoyé. « L’idée c’est de réduire au maximum ce poids pour éviter les surcoûts, » déclare la chercheuse. Grâce au travail de l’équipe RCMO, les lourdes roues mécaniques à filtres sont devenues des filtres mosaïques hyper légers et d’une efficacité redoutable : « nous atteignons 99% d’efficacité des filtres sans problème, » explique-t-elle. Un filtre mosaïque est un ensemble de minuscules cubes de 20 micromètres de coté et de 5 micromètres d’épaisseur. Chaque cube, qui est un filtre en soit, correspond à un pixel de la caméra. « Nous réalisons des carrés de 9 filtres que l’on reproduit en série à la surface du capteur, » confit Laetitia Abel-Tiberini, « on perd donc en résolution car seulement un pixel sur neuf est à une couleur déterminée, mais la précision des caméra actuelles empêche que cela soit gênant. »

Mais le véritable tour de force de l’équipe RCMO c’est la création, il y a peu, d’un microscope unique au monde : le microscope spectral ou banc de caractérisation qui permet de faire des mesures avec une résolution spatial de deux micromètres et un résolution spectrale de 0,5 nm. Ce microscope, au-delà du rôle habituel qu’on attend d’un tel appareil, permet aussi de faire de la spectrographie. «  C’est comme si la lumière passait en plus dans un prisme qui la diffractait, » explique Laetitia Abel-Tiberini. Grâce à cet outil, Laetitia et son équipe peuvent vérifier quasiment au micron près la réalisation de leur travail. Une précision inégalée qui offre aux astrophysiciens de quoi observer l’univers avec encore plus d’attention.

Renaud LEVANTIDIS

Des photons vieux comme le monde

En 1964, Penzias et Wilson obtiennent le prix Nobel de physique pour une découverte fortuite mais incroyable. Le fond diffus cosmologique que les deux scientifiques ont mis en avant donne un aperçu de l’univers tel qu’il était peu de temps après le Big Bang. Derrière cette image se cache une lumière ancestrale qui nous illumine encore aujourd’hui.

Dans les laboratoires de la compagnie Bell Telephone, à qui l’ont doit le transistor, le laser ou encore la fibre optique, deux radioastronomes font en 1964 une découverte inattendue. Arno Allan Penzias et Robert Woodrow Wilson découvrent accidentellement un bruit de fond grâce à leur radiotélescope : le rayonnement fossile de l’Univers ou fond diffus cosmologique (CMB pour Cosmic Microwave Background).

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Le CMB observé par Penzias et Wilson en 1964. Crédit : NASA.

Mais que représente réellement cette image ? « Le fond diffus cosmologique, c’est du photon, » explique Stéphane Basa, directeur de recherche au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, « une lumière vieille de milliards d’années. » Les photons primordiaux, emprisonnés dans la matière quand l’univers était encore sombre, se sont libérés lors de la phase de ré-ionisation durant laquelle l’univers est devenu transparent. Ces photons se retrouvent aujourd’hui présents en tous points de l’univers. « C’est un rayonnement faible, mais toujours présent, » déclare le scientifique, « si j’ouvre la fenêtre, des photons du CMB vont rentrer. »

Lumière millénaire, le CMB nous apporte de nombreuses informations et constitue une sorte de carte d’identité de notre univers tel qu’il était 380000 ans après le Big Bang. Mais depuis, l’univers a grandi. Beaucoup grandi. À tel point que cette lumière émise voilà presque 13,7 milliards d’années nous parvient aujourd’hui de régions situées à plus de 45 milliards d’années-lumière de la Terre. Autre conséquence de l’expansion de l’univers : la longueur d’onde des photons du CMB se situe dans le domaine des micro-ondes. « Les antennes râteaux de la télé hertzienne captaient des photons du CMB, » explique Stéphane Basa, « la neige qu’on voyait dans la télé il y a quelques années affichait un pourcentage, faible mais présent, de ce rayonnement ! »

Suite à la découverte de Penzias et Wilson, les scientifiques ont fait du fond diffus cosmologique un sujet de recherche très actif. En 1992, le satellite de la NASA COBE détecte pour la première fois les fluctuations du CMB. En 2001, l’agence spatiale américaine améliore encore ses observations grâce au satellite WMAP.

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L’évolution du CMB avec les détecteurs associés. Crédit image : NASA.

En 2009, c’est l’Agence spatiale européenne qui lance le satellite Plank en vue de préciser encore les données. La carte résultante n’est alors plus du tout uniforme et montre des millions de petites fluctuations, ou anisotropies, qui correspondent à des régions de densité légèrement différente. Les plus denses deviendront plus tard les étoiles et les galaxies d’aujourd’hui.

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Le CMB vu par Planck. Crédit : ESA.

Pourquoi cette image est tant différente des autres ? Parce qu’elle a été « nettoyée » (c.f. Image en une de l’article, crédit : ESA.) Avant de publier cette carte de l’Univers primordial, les astronomes ont éliminé de ce cliché toutes les sources d’avant plan, la poussière du système solaire, la Voie lactée (la bande rouge horizontale sur les autre clichés), les galaxies, etc.

Le CMB a aussi montré que l’univers était sphérique. Après quatre siècle, de Galilée à nos jours, les astronomes n’ont eu de cesse de reculer les limites de l’Univers. Aujourd’hui, la nature leur impose un cosmos qui semble clos. Ironie d’un éclat de lumière pas comme les autres.

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Crédit : NASA.

Renaud Levantidis

De la lumière pour mieux voir l’œil

Les systèmes d’imagerie médicale utilisant la lumière visible sont un domaine de recherche actif car non invasif pour le patient. À l’Institut Fresnel, une équipe de chercheurs développe une technique d’analyse de la cornée pour améliorer le diagnostic des pathologies de cette partie de l’œil.

La cornée, partie antérieure de l’œil en forme de calotte asphérique, se doit d’être totalement transparente. Si cela paraît évident, ce n’est pas toujours le cas. Certaines personnes sont malheureusement atteintes de pathologies de la cornée qui diminuent sa transparence, la plus fréquente étant l’œdème : la cornée se gonfle d’eau et la vue des patients atteints diminue grandement.

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Schéma de l’oeil et ce qui le compose

À l’heure actuelle, les médecins ophtalmologistes n’ont pas de moyen pour prévenir et quantifier la diminution de la transparence de la cornée. Et c’est pour pallier à ce manque que l’équipe DIMABIO (pour DIffusion en Milieu Aléatoire et BIOlogique) de l’Institut Fresnel cherche à développer une technique de diagnostic et d’imagerie de la cornée avec de la lumière « normale ». « On revient de plus en plus à de la lumière naturelle car elle n’est pas invasive, » explique Gaëlle Georges, enseignante-chercheuse à l’École Centrale Marseille et membre de l’équipe DIMABIO, « c’est comme un retour en arrière, après avoir beaucoup utilisé les rayons X et autres rayons assez nocifs pour l’humain. » Ne plus transformer la lumière, apprendre à la dompter à l’état naturel, c’est le défi de son équipe de recherche.


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Schéma de la diffusion de la lumière

« On travaille particulièrement sur la diffusion de la lumière, » raconte la chercheuse, « c’est à dire, ce qui fait que l’on voit. » La diffusion de la lumière c’est le principe selon lequel la lumière frappe une surface, puis est renvoyée dans toutes les directions en particulier jusqu’à notre œil. Pour diagnostiquer le degré de transparence de la cornée, Gaëlle Georges envoie de la lumière rouge sur le tissu, puis récupère à l’aide d’un capteur la lumière rétrodiffusée. D’un point de vue physique, la perte de transparence de la cornée se traduit par une augmentation de la diffusion. On peut donc, avec cette technique, quantifier de manière précise le degré de transparence de la cornée pathologique. Cette mesure est par ailleurs associée à un système d’imagerie développé spécifiquement pour le projet. L’appareil fournit une image en 3D de la microstructure de la cornée, permettant la corrélation entre modification de la microstructure cornéenne, pathologie et diffusion de la lumière. « L’idée c’est de donner au médecin le moyen de quantifier avec la plus grande exactitude la transparence de la cornée, afin qu’il améliore son diagnostic, » explique la physicienne.

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Pour l’instant, Gaëlle Georges travaille sur des tissus humains ex vivo. « Il nous faudra encore quelques années avant de passer aux essais sur l’homme, mais cela viendra sans faute, » s’encourage-t-elle. Pour cela, l’équipe DIMABIO travaille d’ores et déjà de concert avec le service d’ophtalmologie de l’hôpital de la Timone à Marseille, qui attend avec impatience que les physiciens viennent illuminer la vie de ses patients.

 

Renaud Levantidis