Université de Franche-Comté

Grand format – Atomes savamment organisés : Les éléments chimiques sont au cœur de nombreuses recherches…

Ils sont – pour l’instant – 118, et se pressent tous dans la table de Mendeleïev, le fameux tableau périodique des éléments, qui depuis 150 ans s’affiche dans les salles de chimie des lycées : constituant toute matière, les éléments chimiques, ou atomes, sont au cœur de nombreuses recherches scientifiques et techniques. Illustrations prises sur le vif.

 

 

Image en direct 281En 1869, la table de Mendeleïev de classification des éléments chimiques s’impose dans le monde scientifique. Elle demeure la référence 150 ans après, marquant une quête dont les origines remontent à l’Antiquité. De l’apparentement des 7 métaux aux 7 planètes par les philosophes, astrologues et alchimistes de tout temps et de tout continent, aux découvertes les plus récentes concernant les leptons, quarks et autres particules, cataloguer les éléments a toujours été un casse-tête pour les scientifiques. Créant un vrai consensus lors de son adoption, le tableau proposé par le chimiste russe se complète au fil des avancées de la science de nouveaux éléments, dont il considère la nature et la structure. « Mendeleïev a fait preuve d’une formidable intuition, car la construction de sa table est cohérente avec les modèles qui ont vu le jour par la suite », souligne Sylvain Picaud, directeur de l’Institut UTINAM.

 

Arsenic et faux diamants

Le tableau classe les éléments en lignes par ordre croissant de masse atomique, et en colonnes selon leurs caractéristiques chimiques. Organisé autour des 67 éléments connus au XIXe siècle, le tableau s’est peu à peu étoffé, et compte aujourd’hui 118 atomes. 94 d’entre eux se trouvent à l’état naturel sur la Terre, dont 83 sont plus anciens qu’elle ; les 24 derniers sont produits artificiellement, par réactions nucléaires. Ces éléments portent le nom de grands chimistes ou prix Nobel comme le curium (n°96), qui rend hommage à Pierre et Marie Curie, le bohrium (n°107), à Niels Bohr, le rutherfordium (n°104), à Ernest Rutherford ou… le mendélévium (n°101) bien sûr. Leur appellation est aussi dérivée de noms de pays ou de villes : l’ytterbium (n°70) pour Ytterby en Suède, où il fut découvert, le lutécium, qui le suit au n°71, référence antique à Paris, ou le magnésium, tiré du grec Magnesia, une région de Thessalie riche de ce minerai. Les symboles apparaissent, As pour le toxique arsenic, Zn pour le zirconium qui fait les faux diamants. Certains sont d’une simplicité enfantine, I pour iode ou F pour fluor ; d’autres semblent aux non-initiés d’une logique plus floue : le N de l’azote provient en fait de nitrogen en allemand ; idem pour le sodium, symbolisé par Na, pour natrium. « Beaucoup d’éléments ont été découverts au cours du XIXe siècle et ont fait l’objet de querelles entre chimistes français et allemands », rappelle Sylvain Picaud, pour qui la table de Mendeleïev est à elle seule « un concentré de petite et grande histoire des sciences… » Une histoire dont le début remonte à 14 milliards d’années.

 

Tous enfants des étoiles

Les 94 éléments qui se trouvent à l’état naturel sur notre planète sont issus de la lente formation de l’Univers. Tout ce qui existe sur Terre, les plantes, les animaux, les montagnes, les mers et l’air qu’on respire, a été créé dans le cœur d’une étoile. Retour sur une épopée vieille de 14 milliards d’années, alors que le Big Bang fait naître l’hydrogène et l’hélium, qui seront les composants principaux des premières étoiles. Au cours de leur vie, ces boules de gaz, par succession de réactions nucléaires dues à l’augmentation de leur température, font naître de nouveaux éléments chimiques, qu’elles libèreront à leur mort : le carbone et l’oxygène, composant majoritairement le cœur des étoiles de petite masse, poussent les enveloppes d’hydrogène et d’hélium qui les entourent, et se diffusent dans le milieu interstellaire en compagnie d’autres éléments déjà présents eux aussi, comme l’azote, le magnésium ou le sodium. Ce phénomène d’expulsion génère la capture de neutrons, elle-même à l’origine de la création de nouveaux éléments chimiques tels le cadmium, le mercure, l’étain ou encore le tungstène. Le mécanisme est sensiblement le même dans le cas des étoiles massives, à ceci près qu’une température plus élevée permet la formation d’éléments de plus en plus lourds à mesure qu’on s’approche du centre de l’étoile. Sous l’effet d’une chaleur de plus en plus intense, le cœur de l’étoile se contracte et provoque son explosion en supernova, générant du même coup, par capture de neutrons également, l’apparition de l’or, de l’argent, de l’arsenic ou du radium dans le milieu interstellaire.
« C’est à partir de la composition du milieu interstellaire que se forment de nouvelles étoiles, autour desquelles vont tourner des planètes, dont la Terre, formée il y a quelque 4,5 milliards d’années. » L’astrophysicienne Nadège Lagarde, conteuse pour l’occasion de l’histoire de nos origines chimiques, s’intéresse dans ses travaux plus précisément à l’hélium. C’est sur la Lune que nous transportent cette fois ses recherches.

 

La bannière en aluminium est déposée sur la Lune

La feuille d’aluminium installée sur la Lune en 1969 pour récolter du vent solaire – Photo officielle Apollo 11

C’était il y a 50 ans. Le physicien Johannes Geiss, en poste à Berne, obtient de la NASA d’envoyer une de ses expériences à bord d’Apollo 11 : une feuille d’aluminium à exposer sur la Lune, où l’absence d’atmosphère crée les conditions idéales pour récolter du vent solaire. Pour la petite histoire, la bannière en aluminium suisse aurait été plantée sur le sol lunaire avant même le drapeau américain ! Des mesures ont ainsi pu être effectuées à plusieurs reprises grâce au programme Apollo. Les analyses du vent solaire capturé donnent de précieuses indications sur la composition du nuage protosolaire qui a vu naître le Soleil, voilà plus de 4 milliards d’années. Confrontés aux modèles numériques, les résultats révèlent cependant une teneur en hélium 3 (3He) très inférieure aux attendus (1), alors qu’ils sont conformes pour l’hydrogène et son isotope le deutérium (2H), ou pour l’hélium (4He). Une incohérence à l’origine de questionnements restés sans réponse dans la communauté scientifique pendant des décennies, jusqu’à ce que Nadège Lagarde livre les clés de compréhension de ce phénomène, dans la thèse qu’elle soutient à Genève en 2012. « Les petites étoiles sont celles qui produisent le plus d’hélium 3. Un processus particulier, en marge d’une réaction nucléaire classique, pouvait-il provoquer la destruction d’ 3He et ainsi expliquer son absence ? » Nadège Lagarde a mis en évidence qu’une circulation de type thermohaline, combinant variations de température et de teneur en éléments chimiques, assure le transport d’ 3He vers le cœur de l’étoile, où il est détruit par la chaleur. C’est donc bien sa destruction au cœur de l’étoile qui explique la relative rareté de l’hélium dans les mesures du vent solaire, ainsi que dans le milieu interstellaire actuel.

(1) Les isotopes d’un même élément présentent des propriétés physiques différentes, notamment de radioactivité. C’est le nombre de neutrons présents dans le noyau de l’atome qui caractérise un isotope. L’hélium 4, majoritaire, est l’isotope stable de l’hélium, il possède 2 protons et 2 neutrons ; l’hélium 3, moins abondant sur Terre, possède 2 protons et 1 neutron.

 

Arbre généalogique scientifique

Les générations se succèdent au fil des directions de thèses, formant une sorte de grande généalogie liée par les avancées scientifiques. Par ce jeu d’héritage, Nadège Lagarde se trouve être l’arrière-petite-fille scientifique d’Hubert Reeves, qui a donné, avec Johannes Geiss, une explication de l’abondance de deutérium recueilli sur la Lune au même moment que l’hélium 3. Plus de 40 années se sont ainsi écoulées entre l’anomalie de la mesure de l’hélium 3 révélée par l’un, et son explication par l’autre… Aujourd’hui, Nadège Lagarde poursuit ses recherches à l’Observatoire de Besançon sur la formation et l’abondance des éléments chimiques dans les petites étoiles, notamment le lithium. Elle étudie comment le mouvement de rotation des étoiles a une influence sur leur composition chimique, de même que la circulation thermohaline qui les parcourt.

 

Le carbone 14, pour dater les métaux ferreux aussi

Sur Terre, les organismes vivants intègrent tous du carbone 14. La présence de cet isotope du carbone décroit de façon très régulière dès la mort de l’organisme : la mesure de la quantité de 14C contenu dans un objet permet ainsi d’en déduire l’âge. La datation au 14C est largement répandue en climatologie, vulcanologie et bien sûr en archéologie. Dans ce dernier domaine cependant, des chercheurs du Laboratoire métallurgies et cultures (LMC-LAPA) de Belfort ont mis au point une méthode innovante pour pouvoir utiliser l’outil 14C sur les métaux ferreux anciens. La démarche, initiée en 2012 et aujourd’hui parfaitement opérationnelle, reste unique au monde pour la datation des fers. Elle apporte un éclairage nouveau à l’histoire d’objets dont l’interprétation n’était jusque-là possible que par des approches stylistiques ou des éléments de contexte archéo-culturel.

 

Acier hypereutectoïde - Masse brute de réduction provenant d'Entrains-sur-Nohain (58)

Acier hypereutectoïde – Masse brute de réduction provenant d’Entrains-sur-Nohain (58) © Marion Berranger, LMC-IRAMAT-CNRS

 

Des portions de fer anciennes, façonnées sous forme de bipyramides ou de plats roulés à leurs extrémités, et dont l’âge faisait débat dans le monde scientifique, ont ainsi pu être soumises à l’épreuve de la datation au carbone 14. « Tous les éléments, datés entre 500 et 800 av. J.-C., proviennent de la culture de Hallstatt, soit avant le second âge du fer, comme l’estimaient certains archéologues, et bien avant encore l’époque romaine à laquelle d’autres les attribuaient, en raison de leur découverte à proximité de vestiges de villas romaines. » Différents programmes de recherche dédiés à la datation d’éléments architecturaux sont menés au LMC-LAPA selon ce modèle. Ils concernent notamment les temples d’Angkor et la circulation du fer au Cambodge, ou encore les cathédrales de Beauvais et de Bourges, pour en déterminer la chronologie des étapes de construction et de rénovation. La datation des métaux ferreux permet également de mettre en évidence l’ancienneté et la diffusion du procédé indirect de fabrication des alliages de fer, qui est l’un des thèmes de recherche du laboratoire.

 

 

Carbone de combustion inclus dans le fer

À travers l’histoire, la production des métaux ferreux est obtenue selon deux techniques. Par réduction du minerai de fer, c’est-à-dire à une température inférieure au point de fusion du métal, soit 1 536°C, on obtient un métal directement façonnable à chaud. La fonte du métal dans des hauts-fourneaux intervient, elle, à partir des XIVe – XVe siècles : ce procédé, dit indirect, a permis le développement de nouveaux alliages (fonte), nécessitant un traitement intermédiaire avant de pouvoir être déformés à chaud.
« Lors de la montée en température des fourneaux, le charbon de bois utilisé comme combustible libère du carbone qui s’allie au métal. C’est ce carbone qui est extrait et daté », explique Marion Berranger, archéométallurgiste au LMC. Le protocole d’analyse prend en compte la structure de l’objet, parfois réalisé d’un bloc, parfois comportant deux ou trois masses soudées entre elles, les inclusions de scories ou de produits de corrosion, sources potentielles de pollution, et la répartition très hétérogène du carbone dans l’objet. « Il nous faut localiser et quantifier sa présence pour déterminer l’endroit où prélever un échantillon non pollué et dont la nature de l’alliage est connue. » Le carbone, extrait par combustion en quantités infimes, donne lieu à une analyse par spectromètre de masse par accélérateur.

 

Pas de chrome VI pour le traitement de surface de l’aluminium

Peu de laboratoires universitaires en France travaillent sur l’aluminium. À Besançon, c’est l’aspect traitement de surface, l’une des spécialités de l’Institut UTINAM, qui est développé, principalement pour des applications de protection contre la corrosion (aéronautique) ou de décoration (bâtiment).
La couche d’oxyde naturellement présente sur l’aluminium, de l’ordre de 30 nm d’épaisseur, est dans un premier temps décapée chimiquement ; l’application d’un traitement d’anodisation assure ensuite la protection. Une couche d’oxyde d’aluminium poreuse est formée lors de l’anodisation et atteint, en fonction des objectifs souhaités, une épaisseur de 5 à 100 µm. Cette couche peut être colorée par la pénétration de pigments dans sa porosité. Ultime étape du traitement de surface de l’aluminium, le colmatage permet, en refermant les pores de la couche d’oxyde, d’accroître la résistance à la corrosion du matériau et de piéger de manière durable les pigments.
Virginie Moutarlier, responsable de la plateforme de chimie, et Rémy Viennet, enseignant-chercheur en génie des procédés, expliquent que l’ensemble des étapes du traitement de surface de l’aluminium est maîtrisé à l’Institut, pour lesquelles différentes recherches sont développées. « Elles sont souvent liées à la nécessité de trouver un substitut au chrome VI, fortement toxique et désormais interdit pour de nombreuses applications. » Les fabricants ont élaboré de nouvelles solutions chimiques, dont les modes d’action n’ont cependant pas clairement été identifiés. Les chimistes d’UTINAM s’emploient à caractériser ces solutions en vue d’aider les utilisateurs industriels à se rendre maîtres de leurs procédés. Toujours pour éviter de recourir aux solutions chromiques, des substituts à base d’acides moins toxiques sont développés pour l’étape d’anodisation, que l’on cherche par ailleurs à optimiser. « Pour assurer une coloration uniforme de l’aluminium, il est important que la régulation en température à 20°C lors de l’anodisation soit homogène sur toute la pièce. » Le système de circulation thermique est revu et contrôlé pour éviter que se forment des zones chaudes dans des structures de grande dimension, provoquant des défauts de couleur. Pour la dernière étape du procédé, le colmatage s’opère par immersion dans de l’eau à une température supérieure à 80°C, additionnée d’inhibiteurs de corrosion pour lesquels on doit encore une fois s’affranchir du chrome VI.
Réduire la toxicité des procédés implique le recours à des bains chimiques d’une plus grande sensibilité que par le passé. Les jeunes générations de chimistes, par exemple titulaires du master Formulation et traitement de surface délivré par l’Université de Franche-Comté, rejoignent aujourd’hui les effectifs des entreprises, dont ils étaient presque absents il y a vingt ans encore, pour assurer le contrôle, la maîtrise et l’optimisation des procédés de traitement de surface.

 

Donner de la couleur au titane

Les chimistes de l’Institut UTINAM s’intéressent aussi au traitement de surface du titane : l’anodisation du titane permet de former une couche d’oxyde qui est spontanément colorée (sans ajout de colorant). Cette couleur varie en fonction de la tension d’anodisation appliquée.

L’équipe est par ailleurs engagée dans le projet I-SITE IHTT, porté par l’ICB de Dijon. L’un des objectifs du projet est de limiter la formation d’une couche d’hydrure de titane lors de l’exploitation industrielle du matériau dans des conditions de chaleur et d’humidité nuisant à ses propriétés.

 

Bains galvaniques pour revêtements composites

Les chercheurs de la Haute Ecole Arc Ingénierie ont développé un bain galvanique assurant le dépôt électrolytique d’une couche composite à base d’or, de cuivre et de cadmium, pour lequel ils ont déposé un brevet en 2016. « L’intérêt majeur du procédé est d’obtenir des revêtements de grande résistance à l’usure, tout en améliorant la conductivité électrique de l’alliage », explique Pierre-Antoine Gay, du groupe Ingénierie des surfaces. L’amélioration de la performance de ces revêtements est utile dans le domaine de l’électronique. La résistance accrue de certains composants pour satellites a été démontrée au travers de campagnes.
L’ajout de nanotubes de carbone dans le bain galvanique a permis d’optimiser le procédé. Le revêtement, s’il fait toujours preuve d’excellentes performances en termes de résistivité électrique (inférieure à 10 mOhms) et de résistance à l’usure, présente un avantage esthétique certain pour des applications en horlogerie par exemple, la couche d’or (55 à 80 % du poids total) n’étant pas ternie par des nanoparticules aussi petites que celles du carbone.

 

Suivre la trace des terres rares dans la nature

Tableau des éléments, les TRPour une grande partie d’origine naturelle, les terres rares (TR) sont des éléments traces métalliques (ETM). Elles se comportent chimiquement comme tels, et si elles sont moins toxiques que le cadmium ou le plomb, elles sont susceptibles d’avoir des effets délétères sur les organismes. Mais si le problème environnemental est avéré aux abords des sites d’exploitation des terres rares, qui sont pour l’essentiel localisés en Chine, dans les pays consommateurs on ne peut pas vraiment parler de pollution, comme l’indique le géochimiste Marc Steinmann. « L’élément que l’on retrouve le plus dans les rivières est le gadolinium, principalement utilisé comme agent de contraste pour l’imagerie médicale. Les stations d’épuration ne peuvent filtrer le complexe organique dissout très stable qu’il forme avec son enveloppe, qui ne se dégrade pas. Cependant les doses détectées sont homéopathiques, mille fois en dessous de la dose estimée toxique. »

Outre les aspects de pollution, Marc Steinmann et son équipe suivent à Chrono-environnement la trace des terres rares naturelles, pour comprendre les mécanismes à l’œuvre lors des échanges chimiques et des transferts opérés à l’interface eau / sol. « Les TR sont utilisées pour caractériser l’origine des matières en suspension (MES) mobilisées lors d’une crue, dont on a pu distinguer deux catégories : en début de crue ce sont des sédiments déjà présents dans le karst qui sont remaniés par effet piston, suivis au pic de crue par des particules de sol mobilisées par l’événement pluvieux à l’origine de la crue. »
Dans une publication, issue de la thèse de Cybèle Cholet, parue en 2018 dans la revue Hydrogeology Journal, il est mis en évidence comment de fortes pluies ont une influence sur la composition chimique des sources de la vallée de la Loue, alimentées par le plateau karstique du Jura. Le karst n’a pas d’effet filtrant, ce qui signifie que la pluie, si elle est abondante, s’écoule directement dans les sources. Lorsque les pluies sont très fortes, celles-ci agissent comme un piston et poussent l’eau stagnant dans les failles et les conduits, qui, elle, est au contact de la roche depuis longtemps. Les chercheurs ont relevé la présence de terres rares, des particules extrafines déposées lors de crues anciennes, et expulsées avec l’eau par effet piston. Il s’agit essentiellement de néodyme, qui est présent dans ces particules avec d’autres ETM comme le plomb et le cobalt. Cette présence infime a été mise en évidence grâce à une méthode développée à Chrono-environnement pour analyser les polluants insolubles, fixés sur les matières en suspension dans l’eau, qui ne peuvent pas être détectés par les méthodes standard, recourant à de l’eau filtrée.

 

Précieuses terres rares

En général, les chimistes les appellent lanthanides, les géochimistes terres rares, et le grand public métaux rares. Même leur classification n’est pas unanimement admise par les scientifiques. Un consensus les définit cependant comme le groupe des 17 lanthanides du tableau des éléments, auxquels s’ajoutent l’yttrium et le scandium.
Tous ces éléments sont métalliques, mais tous ne sont pas forcément rares, au sens où on l’entend habituellement, comme pour l’or ou le platine. Ils étaient qualifiés de rares au XIXe siècle parce qu’il était difficile de les séparer individuellement et de les doser. De nos jours, rare fait référence au fait qu’il est difficile de les exploiter de manière économiquement viable, en raison d’une concentration trop faible sur de nombreux sites.

L’attitude de la Chine a aussi renforcé ce trait : en 2010, alors que les besoins explosent dans diverses industries du monde entier et qu’elle détient le quasi-monopole de leur production, la Chine décide d’interdire l’exportation de terres rares, générant panique et explosion des prix. Depuis, de nouveaux sites d’extraction se sont ouverts en Australie, aux États-Unis ou encore en Russie, obligeant la Chine à revenir sur sa décision. Les prix ont chuté, de même que les entreprises de recyclage créées entretemps, comme celle implantée en 2014 par le groupe Solvay à La Rochelle.

 

Dans le monde des terres rares - Photo Pixabay

Dans le monde des terres rares © Pixabay

 

Les terres rares entrent dans la fabrication des céramiques et des verres, des catalyseurs, des aimants (pas moins de 600 kg de néodyme sont nécessaires pour faire tourner une éolienne), des batteries, des composants électroniques, des LED, dont ils modifient la spectralité et donc la couleur. Elles sont utilisées dans le domaine du nucléaire, en médecine, et même en agriculture où certaines remplacent les antibiotiques pour l’élevage.

 

Large spectre d’éléments chimiques pour les lasers

Hélium, néon, aluminium, gallium, arsenic, oxygène, carbone, titane, chrome, ytterbium, erbium, néodyme… la technologie laser exploite largement la palette des éléments chimiques, et là aussi les ions de terres rares, pour créer des rayons lumineux monochromatiques de grande pureté spectrale : à différentes longueurs d’onde, ceux-ci correspondent à autant de couleurs du spectre électromagnétique, visibles ou non. Ainsi dans un laser à gaz hélium-néon, prisé en spectroscopie, les atomes d’hélium transmettent leur énergie électronique par collision avec des atomes de néon, qui génèrent une émission laser rouge. Le laser utilisant un cristal de saphir (Al2O3) dopé par ion titane est le plus répandu actuellement pour créer des impulsions femtosecondes ; il entre dans la grande famille des lasers à solides, tout comme le laser Nd-YAG, à cristal de grenat d’yttrium-aluminium (Y3Al5O12) dopé au néodyme, servant à l’usinage par exemple, ou les lasers à fibre de silice (SiO2), dopée à l’erbium, pour les télécommunications optiques. La combinaison arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs) est un exemple de conception de lasers à semi-conducteur, qui sont les plus utilisés au monde actuellement, notamment pour la lecture de codes-barres, de disques optiques…

 

Laser rougeSpécialiste en optique non-linéaire à l’Institut FEMTO-ST, Hervé Maillotte rappelle le principe de base : « Un laser est composé d’un matériau (ensemble d’atomes) émetteur de lumière, inséré dans une cavité optique partiellement réfléchissante. Dans ces atomes, lorsqu’un électron, peuplant ordinairement des niveaux de basse énergie, est mis dans un état excité (de plus haute énergie), son interaction avec un photon incident le fait redescendre à un niveau bas, en émettant un photon identique au premier. Les deux photons sont alors cohérents : ils ont les mêmes longueur d’onde, polarisation et phase, et se dirigent dans la même direction. C’est ce processus d’émission de lumière dite stimulée (complètement ordonnée), prédit par Einstein en 1916, qui est à la base du laser. On applique au matériau un apport d’énergie externe, dit pompage, pour inverser les populations d’électrons entre des niveaux d’énergie haut et bas, ce qui favorise la production de photons stimulés, cohérents entre eux, qui sont ensuite multipliés pour générer le faisceau laser. »

Dans le large éventail des rayonnements ainsi obtenus, l’appellation « laser blanc » est un abus de langage. « Le rayon blanc résultant de la combinaison de différentes couleurs, et donc de photons différents, n’est pas créé directement par émission stimulée, mais par une conversion de longueur d’onde, spectralement élargie par une cascade d’effets non linéaires dans une fibre optique par exemple, à partir d’un rayonnement laser monochromatique. » En revanche, comme pour un laser, les photons vont bien tous dans la même direction. La brillance de cette lumière blanche, directive et confinée, qui en réalité s’appelle un supercontinuum, est supérieure à celle du Soleil. Cette technologie fait l’objet de recherches au département Optique de FEMTO-ST, qui s’attache aujourd’hui à développer des supercontinuums dans l’infrarouge et l’ultraviolet, à partir de fibres optiques spécifiques réalisées au laboratoire interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB). « Le domaine du moyen infrarouge présente un intérêt extraordinaire pour la spectroscopie, permettant la détection de molécules pesticides, de polluants atmosphériques, de bactéries… Des lasers ou des supercontinuums de nouvelle génération pourraient apporter des développements inédits à ce domaine prometteur. »

Chaud ou froid à la demande avec l’hydrogène

 

 

Symbole hydrogèneLa cogénération consiste à produire deux types d’énergie, le plus souvent de l’électricité et de la chaleur, à partir d’un même combustible : énergies fossiles, biomasse, déchets de production…
À partir d’hydrogène aussi, l’élément chimique favori des chercheurs et ingénieurs de FCLab, à Belfort. La fédération de recherche vient de s’engager dans un projet ANR réunissant UBFC, l’Institut FEMTO-ST, la start-up H2SYS et les universités de Perpignan et de la Polynésie française : « Dans le domaine de la cogénération, le projet RECIF est innovant en ce sens qu’il veut élaborer une réponse sur mesure à une demande particulière à un territoire », explique Daniel Hissel, directeur du FCLab. Ce territoire, la Polynésie, n’a pas de grands besoins en eau chaude sanitaire, et encore moins en chauffage. Il est en revanche fortement concerné par des installations de climatisation. Le projet prévoit la réalisation, sur place, d’un système énergétique complet, dans un premier temps sous la forme d’un prototype de dimensions réelles. Des panneaux photovoltaïques piégeant l’énergie du soleil génèrent de l’électricité, elle-même assurant la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau. Cet hydrogène stocké dans des réservoirs sera transformé en électricité à la demande, par l’intermédiaire d’une pile à combustible (PAC). La chaleur dégagée lors de cette opération sera transmutée en froid pour la climatisation, grâce à un système thermochimique inclus dans le dispositif de cogénération.
« Le stockage d’hydrogène pour ces applications énergétiques ne constitue pas un problème car il s’effectue à basse pression (30 bars) », souligne Daniel Hissel.
Le recours à l’hydrogène pour les besoins énergétiques de l’habitat fait l’objet de développements, notamment au Japon, où, après la catastrophe de Fukushima, la volonté est de trouver des solutions de substitution au nucléaire. 300 000 systèmes de cogénération à base d’hydrogène ont ainsi été installés sur l’archipel pour la production d’électricité et d’eau chaude, avec le soutien financier de l’État. Sous nos latitudes, les spécialistes ont élaboré des projections : à Belfort, ils estiment que 40 m2 de panneaux photovoltaïques pourraient sans problème répondre aux besoins en énergie d’une famille sur l’ensemble de l’année.
L’hydrogène, énergie d’avenir ? Daniel Hissel en est convaincu. « L’hydrogène est l’élément chimique le plus abondant sur Terre : c’est un incontournable, qui s’inscrit pleinement dans une démarche de développement durable dès lors qu’il est produit à partir d’énergies renouvelables, comme celle provenant du soleil. »

 

L’alliance du fer et de l’or pour lutter contre le cancer

Il travaille à partir d’or, connu pour ses propriétés radiosensibilisantes. Elle étudie le fer et ses effets thermiques sur les cellules. Ensemble, ils élaborent des nanoparticules susceptibles de renforcer l’efficacité des traitements anticancéreux, tout en réduisant leur toxicité. Rana Bazzi et Stéphane Roux sont tous deux chercheurs en chimie à l’Institut UTINAM, et enseignants à l’université de Franche-Comté. « Nous savons depuis plusieurs années que l’action radiosensibilisante des particules d’or rend les cellules cancéreuses plus réceptives aux radiothérapies », explique Stéphane Roux. Une action rendue possible grâce à la porosité des vaisseaux sanguins irriguant les tumeurs solides, favorisant à cet endroit l’accumulation des nanoparticules : les nanoparticules franchissent allègrement la barrière sanguine, alors que leur diamètre ne leur permet pas de s’échapper des autres vaisseaux, ce qui constitue à l’inverse une garantie de protection pour les cellules saines. L’accumulation préférentielle permet alors d’exploiter les propriétés des nanoparticules pour imager et traiter la zone tumorale.

Des tests d’hyperthermie magnétique récemment effectués sur des rongeurs apportent par ailleurs la preuve des propriétés de nanofleurs d’oxyde de fer, nanostructures résultant de l’assemblage contrôlé de nanoparticules sphériques, pour augmenter la température dans la tumeur. « Sous l’effet d’un champ magnétique opérant à distance, l’oxyde de fer provoque un échauffement local fragilisant les cellules cancéreuses, qui deviennent d’autant plus sensibles aux traitements », explique Rana Bazzi. Rendue à double titre plus efficace, la radiothérapie pourrait être reconsidérée en termes de dosage, un intérêt d’autant plus important qu’un traitement lourd peut provoquer l’apparition de nouvelles tumeurs, des années après son administration.

Les chercheurs étudient parallèlement les phénomènes d’élimination des particules dans l’organisme, d’une part pour évaluer d’éventuels risques de toxicité, et d’autre part pour assurer une plus grande viabilité au procédé. « Les praticiens ont besoin d’un laps de temps suffisant, après l’injection des nanoparticules, pour mettre en place le protocole de radiothérapie. Les particules doivent donc rester suffisamment longtemps dans l’organisme. » L’or n’est pas biodégradable, mais il est facilement éliminé par le rein, car sa taille est limitée à 7 nm. Les particules d’oxyde de fer, de 20 à 30 nm, ne peuvent pas être éliminées, mais sont biodégradables. Il convient de jouer sur les deux tableaux pour trouver un point d’équilibre, une combinaison efficace pour retarder l’élimination de l’or. Les premiers ajustements ont permis de passer de 20 min à 5 h, voire 7 h de présence de l’or dans la zone tumorale, et de meilleurs résultats encore sont espérés. « L’effet sensibilisant d’un élément chimique augmente avec son numéro atomique », rappellent les chercheurs.

Ainsi l’or, portant le n°79, présente des propriétés supérieures à celles d’un autre radiosensibilisant, le gadolinium, affichant le n°64. Mais leurs performances, sous la forme de nanoparticules de taille similaire, sont en réalité pour l’instant comparables, car le gadolinium reste plus longtemps que l’or dans l’organisme, avant d’en être éliminé.

L’or sert également de marqueur pour un suivi par imagerie. « On vérifie ainsi que les particules se trouvent bien dans la zone d’intérêt, et on détermine le moment le plus adéquat pour appliquer le traitement par radiothérapie. Car les cancers sont tous différents et les zones à traiter variables. » Les travaux de recherche menés par Stéphane Roux et Rana Bazzi s’inscrivent dans le cadre de projets ANR et I-SITE, et sont soutenus par le Cancéropôle du Grand Est et la Région Bourgogne – Franche-Comté.

 

Contact : • Institut UTINAM - UFC / CNRS Sylvain Picaud - Tél. +33 (0)3 81 66 64 78 - sylvain.picaud[at]utinam.cnrs.fr - Virginie Moutarlier / Rémy Viennet - Tél. +33 (0)3 81 66 20 22 / 68 56 - virginie.moutarlier[at]univ-fcomte.fr / remy.viennet[at]univ-fcomte.fr - Nadège Lagarde - Tél. +33 (0)3 81 66 69 33 nadege.lagarde[at]utinam.cnrs.fr - Rana Bazzi / Stéphane Roux - Tél. +33 (0)3 81 66 62 94 / 62 99 - rana.bazzi[at]univ-fcomte.fr / stephane.roux[at]univ-fcomte.fr • Institut FEMTO-ST - UFC / ENSMM / UTBM / CNRS - Département optique - Hervé Maillotte - Tél. +33 (0)3 81 66 64 25 - herve.maillotte[at]univ-fcomte.fr • Haute Ecole Arc Ingénierie - Pierre-Antoine Gay - Tél. +41 (0)32 930 13 86 - pierre-antoine.gay[at]he-arc.ch • Laboratoire Chrono-environnement - UFC / CNRS - Marc Steinmann - Tél. +33 (0)3 81 66 65 46 - marc.steinmann[at]univ-fcomte.fr • Laboratoire métallurgies et cultures (LMC) - UTBM / CNRS - Marion Berranger - Tél. +33 (0)3 84 58 38 11 - marion.berranger[at]utbm.fr • FCLAB - CNRS / Institut FEMTO-ST / SATIE / AMPERE / LEMTA / ICB / LTE - Daniel Hissel - Tél. +33 (0)3 84 58 36 21 - daniel.hissel[at]univ-fcomte.fr
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