Horizons n°124 mar/avr/mai 2020
Horizons n°124 mar/avr/mai 2020
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°124 de mar/avr/mai 2020

  • Périodicité : trimestriel

  • Editeur : Fonds national suisse de la recherche scientifique

  • Format : (220 x 266) mm

  • Nombre de pages : 52

  • Taille du fichier PDF : 5,3 Mo

  • Dans ce numéro : en quête de l'explication suprême.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Environnement et technique L’électronique devient flexible Ultra-fins, transparents et imprimables  : les composants en polymères organiques conducteurs d’électricité pourraient révolutionner l’éclairage et donner naissance au smartphone à écran pliable. Par Hubert Filser Les possibilités semblent prodigieuses  : grâce aux cellules solaires organiques transparentes, 40% des besoins en énergie des Etats-Unis pourraient être couverts, écrivait fin 2017 le spécialiste américain des matériaux Richard Lunt dans un article très remarqué. Il prévoyait jusqu’à 7 milliards de mètres carrés de surfaces vitrées susceptibles d’être équipées par ces composants aux Etats-Unis. Les cellules photovoltaïques organiques développées par l’Américain ont la taille d’une fenêtre, laissent passer la lumière visible pour capter uniquement l’ultraviolet et les longueurs d’onde du proche infrarouge et affichent aujourd’hui une efficience de 10%. Ces valeurs sont encore nettement inférieures à celles des cellules solaires classiques qui présentent une efficience de près de 20% en laboratoire. Cependant l’écart se réduit et la percée commerciale est imminente aussi pour les cellules solaires organiques. La plupart des composants électroniques sont encore à base de silicium. Mais avec ce métalloïde inorganique, les développements possibles en termes d’efficience et d’esthétique commencent à atteindre leurs limites. L’électronique à base de polymères organiques recèle en revanche un potentiel énorme car il est possible d’en fabriquer sous une forme extrêmement fine, flexible et totalement transparente. La répartition particulière des électrons de ces polymères conjugués leur permet d’absorber et d’émettre de la lumière et d’être conducteurs. « Ce qui les rend si intéressants, c’est qu’on peut en modifier les propriétés au niveau moléculaire », indique Frank Nüesch, physicien à l’EMPA de Dübendorf. Ils peuvent être mélangés à des colorants, des nanoparticules ou des sels et offrent ainsi un nombre illimité de possibilités nouvelles aux chercheurs dans leurs domaines d’application. Les cellules polymères organiques peuvent notamment être transformées en cellules photovoltaïques, diodes électroluminescentes, transistors, capteurs, antennes et circuits électroniques. « Imaginez une fenêtre qui produit de l’énergie de jour et se transforme en lampe la nuit, ou le toit ouvrant d’une voiture qui alimente une batterie interne », illustre la chimiste Renana Gershoni-Poranne de l’ETH Zurich. 42 Horizons n o 124, mars 2020 Les composants électroniques organiques permettent de fabriquer des écrans légers et flexibles, pratiques en déplacement. Photo  : U.S. Army RDECOM/Wikimedia Commons « Imaginez une fenêtre qui produit de l’énergie de jour et se transforme en lampe la nuit. » Renana Gershoni-Poranne Elle étudie les polymères conducteurs dans le but de développer des composés encore inconnus et offrant de nouvelles propriétés. Aujourd’hui, il existe déjà des types de matériaux qu’on peut par exemple pulvériser rapidement et à bas prix sur n’importe quelle surface lisse ou sous forme d’encre pour imprimer par exemple des motifs de feuilles ou de fleurs. « Des éléments d’éclairage de grande surface qui donneraient une lumière plus agréable sont tout aussi concevables que des capteurs pour la société numérique et l’internet des objets », explique Frank Nüesch. Le défi des écrans pour smartphones L’efficience a longtemps été un des principaux problèmes des composants organiques. Mais entre-temps les chercheurs sont parvenus à développer des diodes électroluminescentes efficaces (OLED) ou encore des cellules solaires organiques dont l’efficience dépasse les 17% en laboratoire. Des progrès ont aussi été réalisés en matière de durabilité. Non protégés et exposés à la lumière, ces polymères se décolorent en effet rapidement et perdent leurs fonctions. Une solution consiste à les encapsuler dans du verre. Aujourd’hui, 60% des écrans de smartphones disposent ainsi déjà d’OLED économiques, protégés par du verre. La fabrication d’écrans pliables pour les téléphones mobiles est plus compliquée. Commercialisé par l’entreprise chinoise Huawei en 2019, un premier écran flexible avait dû être retiré du marché parce qu’il manquait de résistance. Le pliage constitue un défi car la couche conductrice et transparente qui recouvre habituellement les smartphones actuels s’avère trop friable. Frank Nüesch rapporte que des chercheurs du projet européen Treasores ont développé une éventuelle solution, des électrodes constituées de nanotubes de carbone qui pourraient convenir. Néanmoins, le développement de produits commercialisables reste difficile. Dans le secteur photovoltaïque, les chercheurs sont ainsi confrontés à la concurrence des cellules solaires aux pérovskites. « Des fonds importants destinés à la recherche partent dans ce domaine au détriment du photovoltaïque organique », souligne Frank Nüesch. Les cellules solaires organiques devraient toutefois s’imposer à l’avenir pour les bâtiments dont l’esthétique joue un rôle essentiel. Hubert Filser collabore régulièrement à l’émission télévisée Quarks & Co et habite à Munich.
Hideki Umehata Environnement et technique Deux gigantesques filaments de gaz (bleus) alimentent des galaxies (points blancs). Cartographie de la toile cosmique Selon la cosmologie moderne, l’Univers est né du Big Bang et une grande partie de l’hydrogène créé dans cette boule de feu s’est effondrée pour produire un réseau de filaments diffus de gaz qui constituent une sorte de toile d’araignée cosmique. Ces filaments, observés en détail maintenant seulement, constitueraient la matière brute à la formation des étoiles, alors que les galaxies se formeraient à leurs intersections. Mais à cause de leur faible densité ils n’émettent que très peu de lumière. Jusqu’à présent, ils ne pouvaient donc être détectés qu’indirectement, en examinant la lumière absorbée par des objets très brillants situés derrière eux. Dans une nouvelle étude, une équipe internationale, dont Sebastiano Cantalupo de l’ETH Zurich, a dressé une carte de tels filaments, basée sur l’émission de lumière du gaz lui-même. Les filaments observés, situés dans un amas très dense de galaxies et de gaz, dans le proto-amas SSA22 – à une douzaine de milliards d’années-lumière de la Terre et longue de 3 millions d’années-lumière. Leur hydrogène gazeux émet de la lumière ultraviolette sous l’effet de fortes sources de rayonnement telles de nombreuses nouvelles étoiles ou l’environnement de trous noirs massifs. La lumière a pu être capturée grâce à un instrument optique à champ de vision très large du Très Grand Télescope (VLT) au Chili. « Nous avons uniquement réussi à le faire grâce aux rares sources de rayonnement très fortes à l’intérieur des filaments », souligne Sebastiano Cantalupo. « Cartographier de plus larges parties de la toile cosmique et dans des régions plus typiques de l’Univers requiert des mesures plus longues et vastes. » Le chercheur de l’ETH Zurich vient d’entreprendre un tel projet. Edwin Cartlidge H. Umehata et al.  : Gas filaments of the cosmic web located around active galaxies in a proto-cluster. Science (2019) Zweifel et al. Erosion des prairies alpines Les prairies alpines constituent un habitat précieux pour de nombreuses espèces. Des chercheuses de l’Université de Bâle ont découvert que l’érosion qui les détruisait est due à l’exploitation agricole ainsi qu’aux changements climatiques. Les spécialistes de l’environnement ont cartographié l’érosion du sol de la vallée d’Urseren, dans le canton d’Uri, grâce à des prises de vues aériennes, réalisées par Swisstopo entre 2000 et 2016. Elles se sont servis d’un algorithme d’apprentissage automatique pour identifier différentes sortes d’érosion sur les images, parmi lesquelles les glissements de terrain, le ruissellement en surface ou les sentiers formés par le passage du bétail. Cette méthode a permis aux chercheuses de documenter pour la première fois l’évolution temporelle de phénomènes tels que l’érosion de surface ou les dégâts provoqués par les animaux de rente. La perte de sols augmente à une vitesse fulgurante  : au cours des seize années observées, la surface érodée s’est étendue de plus de 150%. Jusqu’à une altitude de 1800 mètres environ, c’est avant tout l’élevage bovin qui occasionne toujours plus de dégâts. « Aujourd’hui, nettement plus de bétail est conduit dans les pâturages proches de la vallée, quelle que soit la météo », explique Christine Alewell, directrice de l’étude. Donc également lorsque le sol des près est humide et ainsi moins stable. Par ailleurs, les animaux sont plus lourds aujourd’hui que dans les années 1970. Les chercheuses constatent également une influence des changements climatiques, surtout au-dessus des surfaces exploitées. Les pluies plus fréquentes et plus extrêmes accroissent l’érosion en nappe et les glissements de terrain. Une nouvelle dynamique est également observée avec la neige  : « Lorsqu’elle fond plusieurs fois par hiver, l’eau emporte régulièrement de la terre », constate Christine Alewell. Dans l’ensemble, quelques millimètres de la couche supérieure de sol fertile sont ainsi perdus chaque année. Santina RussoL. Zweifel et al.  : Spatio-temporal pattern of soil degradation in a Swiss Alpine Grassland. Remote Sensing of Environment (2019) Une pente érodée dans la vallée d’Urseren, notamment à cause de l’élevage bovin. Mesure du vent à différentes altitudes  : le campus de l’EPFL, modèle de canyon urbain. Vent prédit par machine learning Au même titre que les structures naturelles, les villes influencent la trajectoire et la vitesse des vents. Ce sujet n’est pas sans importance pratique  : la bise hivernale augmente la consommation énergétique des bâtiments et, lors de canicules estivales, la circulation de l’air est cruciale pour notre confort thermique. Hauteur des bâtiments, largeur des rues, disposition des arbres et du mobilier urbain… si l’on parvenait à optimiser l’inter action de ces éléments avec les vents, nos villes pourraient devenir plus écologiques et plus agréables à vivre. A l’EPFL, l’équipe du physicien en bâtiment Jean-Louis Scartezzini développe une nouvelle manière de prédire la course des vents dans un canyon urbain – une rue où s’alignent de chaque côté des bâtiments de plusieurs étages. A cette fin, les chercheurs ont mesuré les vents à des hauteurs différentes pendant une année dans une rue du campus de l’EPFL. Ces mesures ont permis de nourrir un modèle d’intelligence artificielle. Ainsi les scientifiques ont pu modéliser les courants d’air plus facilement et plus rapidement. « Les modèles traditionnels requièrent une représentation précise de l’environnement et une puissance de calcul élevée, explique le premier auteur de l’étude, Dasaraden Mauree. Notre système ne nécessite pas ces informations. Il lui faut moins d’une heure sur un simple ordinateur portable pour simuler une année de vents dans une rue. » Cette nouvelle approche n’a pas encore tout à fait la précision des modèles traditionnels, mais les résultats se révéleraient déjà encourageants. La prochaine étape résidera dans l’exploitation de données relevées en ville de Bâle afin d’ajuster le modèle et de le généraliser. Lionel Pousaz Dasaraden Mauree, EPFL D. Mauree et al  : Wind profile prediction in an urban canyon  : a machine learning approach. J. Phys.  : Conf. Ser. 1343 012047 (2019) Horizons n o 124, mars 2020 43



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