Le Monde et Nous

Partir à la découverte du monde qui nous entoure, comprendre quelques phénomènes de la nature, observer, se tenir informés des découvertes scientiques ...

10 mai 2013

LA tragédie d'HAMLET

POur celles et ceux qui me suivent sur le Café des Sciences, je suis désolée des problèmes de serveur... Je remets donc tous les billets publiés là-bas, sur cet espace...

Je vous avais déjà parlé de la fameuse molécule HAMLET, il y a déjà quelques temps, une molécule découverte en 1995 dans le lait humain par des équipes suédoises .

hamlet
HAMLET : une protéine qui s’étale

La molécule baptisée HAMLET (qui signifie « Human Alpha-lactalbumine Made lethal to Tumor cell ») est en fait une protéine (alpha-lactalbumine) dénaturée, car partiellement dépliée (voir ici les explications sur les liaisons dans les protéines) s’enroulant autour de l’acide oléique (acide gras de l’huile d’olive) : une sorte de complexe protéine/lipide.

 En général, une protéine dénaturée induit une modification de son activité biologique. Dans le cas d’HAMLET, il s’avère qu’elle a la capacité de tuer les cellules cancéreuses et de préserver les cellules saines. Elle agit en déclenchant l’apoptose (un programme qui engendre la mise à mort des cellules (voir les explications de l’apoptose ICI).

SourceICI: la cellule commence à dissoudre son propre matériel cellulaire à l’intérieur même de la membrane. Des cellules sentinelles du système immunitaire arrivent, s’accrochent à elle et finissent par l’engloutir » Extrait de cet article consacré au sujet de la mort cellulaire programmée !

Des essais in VIVO sur une dizaine de patients avaient montré d’excellents résultats (en 2007) : par exemple la réduction de la taille d’une tumeur de la vessie [1]

Source ICI
Source ICI

En préalable, comme il va être beaucoup question de la cellule et de ses constituants : un petit rappel à ce niveau s’impose.

Une cellule, c’est quoi ? je vous renvoie à l’article rédigé à destination des enfants sur KidiSciences  (ICI). En résumé, on peut dire qu’il s’agit d’une petite usine qui doit produire ou rendre un service, s’agrandir, se multiplier … Pour cela, elle a donc tout un tas d’ateliers à sa disposition. EN particulier, un noyau (la tête pensante, là où sont stockées toutes les informations), des murs d’enceintes (le cytosquelette), une centrale énergétique (les mitochondries) permettant de récupérer l’énergie à partir du glucose, des ateliers de transformation des matières premières (les lysosomes par ex. qui sont des systèmes de digestion internes)

cellule_animale

Organites abordées dans cet article :
2- Noyau 3-Ribosomes 7- Cytosquelette 9-Mitochondries 11- Cytosol 12- Lysosome 14 : Membrane

Depuis longtemps, on cherche à comprendre comment HAMLET agit exactement. Ainsi depuis 2007, de nouveaux résultats ont été publiés (liste non exhaustive) :
- Hallgren et al., Adv. Exp. Med. Biol. 2008 (2]
- Gustafsson et al. , PLoS ONE 2009
Trulsson et al., PLoS ONE 2011
- La dernière publication en date : J. Ho et al., Future Oncol. 2012

Tous les mécanismes mis en jeu pour cette action tumoricide (et leurs interactions) ne sont pas encore entièrement élucidés mais on commence à voir où sont localisés les champs de bataille.

Ce qu’ont mis en évidence les chercheurs :
Il semblerait qu’HAMLET joue sur plusieurs plans (une hydre à plusieurs têtes, expression employée par les auteurs) en profitant des spécificités métaboliques des cellules cancéreuses.

Ainsi, les cibles se situent au niveau de la membrane cellulaire, du cytosquelette, des mitochondries, des protéasomes (fournit les enzymes permettant de dégrader les protéines dénaturées), lysosomes (petites structures permettant d’effectuer la digestion dans la cellule) et le noyau. Toutes ces cibles sont atteintes au fur et à mesure qu’HAMLET passe d’une interaction membranaire jusqu’à son internalisation dans la cellule maligne : donc de l’extérieur de la cellule vers ses constituants les plus intimes.

Action au niveau des mitochondries
C’est dans ces petites centrales énergétiques de la cellule que se déroulent les dernières étapes de la respiration cellulaire.
Lorsque la molécule HAMLET envahit les cellules cancéreuses, elle provoque la dépolarisation des membranes mitochondriales, et la libération du cytochrome C (protéine associée à la membrane mitochondriale) : le premier effet empêchera la récupération d’énergie, le second déclenchera l’apoptose de la cellule.
Explication : La respiration cellulaire passe par un gradient de protons à travers les membranes , gradient qui va servir à fabriquer la molécule énergétique (ATP). HAMLET en dépolarisant la membrane, bloquera la production de l’ATP.
Lorsque le cytochrome C d’abord accroché à la  membrane, passe vers l’intérieur de la cellule (le cytosol) : il déclenche très rapidement des réactions (libération des caspases, enzymes tueuses) qui aboutissent à l’apoptose, et une fois la « cascade de réactions » activée par les caspases, le phénomène d’apoptose est irréversible.

Action au niveau des protéasomes
Les protéasomes fournissent des enzymes qui font le ménage à l’intérieur de la cellule, en particulier pour se débarasser des protéines dénaturées. HAMLET est donc à priori en ligne de mire.
Or, il a été montré in vitro [4] que la molécule HAMLET se lie à certains protéasomes et les inhibent (en les fragmentant), assurant ainsi sa propre persistance afin de poursuivre son but : tuer l’ennemi.

Les chercheurs pensent qu’en bloquant ce type de service de nettoyage, cela crée un effet toxique sur la cellule tumorale en cours de développement.

Action au niveau des lysosomes
Grâce à des travaux sur la molécule BAMLET (l’équivalent d’HAMLET chez les bovins, avec la même efficacité sur les cellules malignes) [5], il a été mis en évidence que la molécule s’accumule dans le compartiment lysosomal, déstabilise la membrane et laisse échapper son contenu : cela provoque la libération du cytochrome C, conduisant là encore àl’apoptose.

Action au niveau du cytosquelette
Le cytosquelette est l’ensemble de longues chaînes de protéines (souvent appelées filaments) qui confèrent à la cellule ses propriétés physiques mécaniques : sa forme, sa structure, son architecture, mais aussi sa faculté de déplacement et de division. L’intégrité, la cohésion des cellules, leur adhésion sur le support sont essentielles pour l’organisation tri-dimensionnelle du tissu.

Il apparaît qu’HAMLET s’attaque au cytosquelette des cellules malignes de façon à modifier leur morphologie et les rendre moins adhérentes les unes aux autres [3].
Les résultats de l’étude suggèrent qu’HAMLET interagit avec l’alpha-actinine, une sorte de molécule « échafaudage » (qui maintient la cohésion des filaments de protéines appelées actines) : l’échafaudage s’effondre, la structure du cytosquelette est désorganisée, la morphologie de  la cellule tumorale est modifiée (de plate elle devient plutôt ronde) :  elle n’adhère plus,  se détache, et meurt !

actinin

En rouge : les molécules « support » qui s’associent avec HAMLET

NB: la viabilité a bien été étudiée, parce que dans le cas des cellules cancéreuses, on craint toujours la métastase : la cellule se détache, voyage et va adhérer ailleurs. Traitée avec HAMLET, la cellule qui se détache a changé de morphologie et est en train de mourir !

Au niveau du noyau
La molécule se positionne au niveau du noyau de la cellule tumorale, s’associe avec les histones et désorganise la chromatine (la forme sous laquelle se présente l’ADN dans le noyau) : la transcription de l’ADN ne se fait plus, la cellule ne peut pas se reproduire. C’est ce qu’on appelle des modifications épigénétiques (lien ICI)
Les études ont montré qu’HAMLET s’active sur le noyau environ une heure après avoir envahi la cellule tumorale.

COnclusions et perspectives :
Cette molécule est donc à priori géniale (sans jeu de mot) : les mécanismes mis en jeu sont multiples et complexes. L’hydre à plusieurs têtes est effectivement une bonne image des modes d’action synergiques mis en oeuvre par HAMLET ce qui en fait une excellente candidate pour les thérapies anti-cancers. Les perspectives pour les recherches actuelles concernent : – la méthode la plus simple pour la production industrielle de molécules type HAMLET – la compréhension de la sélectivité de la molécule.

 Par rapport au lait humain, posons nous la question  : est-ce un hasard si cette molécule tueuse se trouve dans le lait humain? ou y a-t-il un avantage particulier : des bébés étant quand même plus rarement (rarement ne veut pas dire « jamais ») menacés par le cancer que des adultes ? ou bien découvrira-t-on en plus un mécanisme épigénétique agissant préventivement, en apportant un effet protecteur jusqu’à l’âge adulte ? A suivre donc …

NB : Rappelons qu’en 1988, une équipe (Davis et al) montre que l’incidence de tumeurs sur des enfants (âge jusque 15 ans) était moindre chez les enfants ayant été allaités. L’effet était particulièrement prouvé dans le cas de lymphomes (6].

Références et autres ressources :

[1] Mossberg AK et al., « Bladder cancers respond to intravesical instillation of HAMLET » (2007), International Journal of Cancer, Sep 15;121(6):1352-9

(2] « Apoptosis and tumor cell death in response to HAMLET » (2008)

[3] Trulsson M, Yu H, Gisselsson L, Chao Y, Urbano A, et al. (2011) « HAMLET Binding to α-Actinin Facilitates Tumor Cell Detachment » PLoS ONE 6(3): e17179. doi:10.1371/journal.pone.0017179

[4] Lotta Gustafsson, Sonja Aits, et al. (2009)  »Changes in Proteasome Structure and Function Caused by HAMLET in Tumor Cells », PLoS ONE 4(4): e5229.

[5] Zhang Y., Wu W., Ding W. (2010) « From HAMLET to XAMLET: The molecular complex selectively induces cancer cell death », African Journal of Biotechnology Vol. 9 (54), pp. 9270-9276

[6] Davis MK, (1998)   »Review of the evidence for an association between infant feeding and childhood cancer. » Int J Cancer Suppl. Vol 11:29-33.

Ressources internet :
http://fr.wikipedia.org/wiki/Filament_d’actine
http://www.med.lu.se/english/labmedlund/mig/research_groups/the_svanborg_group/the_hamlet_project
http://www.erudit.org/revue/ms/2005/v21/n2/010534ar
http://biologyforeveryone.blogspot.fr/2010/06/mysterious-magical-milk.html
http://www.medscape.com/viewarticle/774344_5
http://mct.aacrjournals.org/content/9/1/24.full.pdf
http://www.academicjournals.org/ajb/PDF/pdf2010/29Dec%20Special%20Review/Zhang%20et%20al.pdf

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03 avril 2009

Inspirations "Nature"

Les découvertes et avancées technologiques, s'inspirent souvent de la nature bien souvent remplie de secrets.

Ainsi, des textiles auto-nettoyants ont récemment vu le jour grâce à une analyse très précise de la feuille de lotus qui est toujours "immaculée", les gouttes d'eau glissant sur la feuille et emportant avec elles toutes les impuretés qui sont venues s'y déposer...D'ailleurs le phénomène mis ainsi en œuvre dans les textiles mais aussi les peintures, les vitres, les matériaux porte le nom de cette plante : c'est l'effet "lotus".

lotus
Source ICI

Le principe :

La forme d'une goutte de liquide n'est pas forcément une sphère comme on peut facilement se l'imaginer... elle peut soit s'étaler comme de l'eau sur du verre, ou rester sous forme de perle bien sphérique comme du mercure par exemple. La forme dépend de plusieurs facteurs : la nature du liquide (sa tension superficielle) et de la nature du solide ( l'hydrophobie liée à la texture).

Le liquide et sa tension superficielle

La tension superficielle, c'est de l'énergie d'interface entre deux milieux ou comment vont se comporter les molécules d'un corps au contact des molécules de l'autre (c'est-à-dire le surplus d'énergie à fournir par les molécules par rapport aux corps purs). Vont-elles avoir tendance à se repousser ou vont-ils tirer bénéfice de leur proximité ? c'est la configuration conduisant à une minimisation de l'énergie qui va orienter la forme de l'interface.

Exemple : une gouttelette d'huile dans l'eau...ne va pas se mélanger (les deux fluides sont dits "non miscibles") car il n'y a aucune affinité entre la molécule d'huile et la molécule d'eau : un surplus d'énergie au contact huile/eau est à fournir. C'est la configuration d'énergie minimale qui va l'emportant en conduisant la goutte à prendre la forme ayant le minimum de points de contact avec l'eau, c'est-à-dire la plus petite interface possible : une sphère.

Autre exemple : une goutte d'eau sur du verre aura tendance à s'étaler car le verre développe une énergie moléculaire de surface qui se rapproche de celle de l'eau : il n'y a donc pas besoin de réduire la surface de contact, la goutte peut s'aplatir.

En résumé : s'il faut beaucoup d'énergie pour créer un interface, car le support "repousse" le liquide, la forme de la goutte de liquide déposé sur un solide sera une sphère (afin de minimiser la surface de contact donc l'effort à faire). Au contraire, si cela demande peu d'énergie, la goutte va s'étaler sous forme de calotte.

De cette notion de tension superficielle, vont dépendre les phénomènes de capillarité, de surfusion ainsi que tout ce qui est lié à l'efficacité d'une lessive.

La capillarité est ce qui explique l'effet bombé de l'eau dans un verre : la bonne affinité du verre par rapport au molécules d'eau (meilleure que celle eau/air) conduit à maximiser la surface de contact verre/eau en minimisant la surface de contact eau/air. C'est dans cette configuration que l'énergie au niveau des différents interfaces est minimale.
La capillarité bien visible dans un tube à essai, la surface de l'eau forme un ménisque bombé vers le bas (l'attraction est plus forte le long des parois).

capillarite

Pour la surfusion : lorsqu'on abaisse la température de l'eau jusqu'à 0°C (à Pression atmosphérique), il y a tendance à l'apparition de cristaux de glace. Sauf que parfois, on assiste au phénomène de surfusion et l'eau reste liquide et ne gèle pas.
Ce retard s'explique par la tension superficielle liquide/solide : lors de la formation d'un cristal, il y a création d'une nouvelle interface solide/liquide, donc un surplus d'énergie à fournir. La solidification permet d'un côté de libérer de l'énergie mais au tout début de la cristallisation, celle-ci n'est pas suffisante par rapport à l'énergie d'interface nécessaire. On assiste généralement à un effet de retard dû à ce surplus d'énergie à fournir.

Les tensio-actifs (présents dans les lessives) : certains tissus laissent "glisser" l'eau, les gouttes d'eau ne s'étalent pas et n'arrivent pas à mouiller le tissu car l'énergie d'interface eau/tissu est trop grande. L'ajout de tensio-actifs, permet de diminuer la tensio-superficielle et de favoriser l'étalement de l'eau.

Les caractéristiques du solide

La texture et la chimie du solide (le support) sont des propriétés importantes dans la forme de l'interface que prendra une goutte de liquide. On parle de solides "imperméables" ou très "hydrophobes"  (qui n'aiment pas l'eau).

La chimie joue un rôle sur les interactions possibles des molécules des deux milieux en présence.

POur la texture, c'est sa rugosité, sa nature "microscopique de la surface" du solide qui va déterminer sa "mouillabilité". En effet, au contact d'un solide très rugueux, de minuscules poches d'air vont être emprisonnées sous la goutte de solide : le liquide repose alors sur un support solide/air où on a montré ci-dessus que cela favorise l'hydrophobie (l'air repoussant l'eau).

lotus2
Structure microscopique de la feuille de Lotus : Source ICI

L'effet Lotus

Selon (ce lien), la feuille de Lotus doit ses propriétés à une structure à deux niveaux -des rugosités de taille micrométriques et un tapis de poils nanométriques- ainsi qu'à une composition chimique de la surface proche de la cire. La goutte d'eau est repoussée par la cire, et s'appuie sur des petites bosses emprisonnant des poches d'air. Ainsi, la feuille de Lotus n'est jamais mouillée, mais l'eau y glisse en emportant toutes sortes d'impuretés : c'est l'effet auto-nettoyant.

La nature "hydrophyle" / "hydrophobe" d'un contact solide/eau est une notion extrêmement importante dans le milieu industriel (recherche de matériaux non adhésifs pour l'eau) mais également pour l'environnement. Par exemple dans le domaine de l'agriculture, une goutte d'eau a naturellement tendance à rebondir sur les feuilles des végétaux : la possibilité de modifier la "relation" eau/support pour la dispersion d'aérosols de pesticides sur les cultures est primordiale, une quantité impressionante étant gaspillée... et dispersée dans l'environnement.
Alors que faire ? L'idée est d'ajouter au liquide un polymère (qu'on choisit soluble): une longue chaîne carbonée qui lorsque la goutte arrive au sol se déploie au sein de la goutte. Ce déploiement permet d'absorber une partie l'énergie cinétique de la goutte, qui n'en a plus assez pour rebondir.

En imitant le lotus, les chercheurs ont été créé peintures, vitrages, textiles, bétons hydrofugés, crèmes solaires. Pour ce faire, les matériaux qu'on veut rendre hydrophobe doivent subir un traitement de surface favorisant l'emprisonnement d'air.

POur en savoir plus :
http://www.boussey-control.com/tension-superficielle-tension-surface.htm

http://forums.futura-sciences.com/physique/36868-capillarite.html

http://www.cnrs.fr/publications/imagesdelaphysique/couv-PDF/IdP2005/37Quere.pdf

http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/leffet-des-feuilles-de-lotus-pour-des-surfaces-autonettoyantes_8334/

http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_lotus

http://www2.cnrs.fr/presse/thema/376.htm

http://www.linternaute.com/science/technologie/dossiers/07/biomimetique/6.shtml

http://exposeh2o.chez.com/eau_indeformable.htm

http://www.espci.fr/esp/CONF/2003/C03_02/conf2_2003.htm

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03 février 2009

L'électricité qui vient du chaud

Bonjour

Savez-vous que certaines recherches actuelles visent à mettre en valeur la chaleur dégagée par notre corps pour recharger certains petits appareils ? Des scientifiques de l'Institut Fraunhofer pour circuits intégrés (Erlangen, Allemagne) ont réussi à développer une méthode de production d'électricité à partir de la chaleur dégagée par le corps humain.

thermoelectricite
Source : ICI

LEs applications : utiliser la chaleur du crâne par exemple, pour alimenter un casque audio...Il est question également, dans le but d'économiser les sources d'énergie et les matières premières :
- de soutirer une partie de la chaleur perdue par les gaz d'échappement pour alimenter une partie des systèmes électriques d'une voiture conduisant à économiser un peu de carburant
- de récupérer la chaleur des incinérateurs pour fabriquer  de l'électricité (directement sans fluide caloporteur) 
- d'embarquer dans l'espace sur les sondes des générateurs spéciaux pour pallier aux lacunes des panneaux photovoltaiques lorsque les sondes s'éloignent du soleil

Toutes ces belles applications, dont certaines ont vu le jour (cas des sondes spatiales ou de certains réfrigérateurs), reposent sur  le principe de l'effet Peltier et de l'effet Seebeck qui ont permis le développement de la technologie dite de "thermoélectricité". C'est sur ce principe que repose la mesure de température par un thermocouple.

La thermoélectricité est la science qui relie la conduction de chaleur au sein d'un matériau au courant électrique qui le traverse.

L'effet Peltier

Selon la définition donnée dans Wikipédia, l'effet Peltier (découvert en 1831) c'est l'apparation d'un phénomène de transfert de chaleur en présence d'un courant électrique et de deux conducteurs de nature différente mis en contact. Sous l'effet du courant électrique, un des conducteur devient plus chaud, l'autre plus froid, créant une différence de température entre eux.

L'application directe, de cet effet, est de créer facilement "du froid". L'enjeu est important pour refroidir, par exemple des puces électroniques sans ventilateur. Des glacières reposant sur ce principe existent déjà.

glaci_re

L'effet Seebeck

L'effet inverse à l'effet Peltier, a été découvert un peu plus tôt (1821) par Mr Seebeck, physicien allemand. C'est donc l'effet Seebeck qui dit qu'en appliquant une différence de température à deux matériaux conducteurs différents mis en contact, il apparaît un courant électrique dans le circuit qui les relie.

LEs deux effets sont liés, comme l'a montré Thomson, en 1851.

On parle du PTE d'un matériau, ou pouvoir thermoélectrique.

L'effet Seebeck est directement fonction des propriétés microscopiques du matériau.

Interprétation des phénomènes
I
nteractions entre électricité et chaleur, cap sur les atomes !

Lorsqu'un courant électrique traverse un conducteur électrique, celui-ci s'échauffe : ce sont des pertes par échauffement. Cela s'appelle l'effet Joule. Le courant électrique, dans un conducteur pur, c'est un mouvement des électrons des atomes qui constituent le matériau du conducteur. Les électrons qui bougent, "bousculent" les atomes voisins, qui donc sont mis en mouvement, vibrent : c'est la définition d'une augmentation de température (je vous en parlais ICI). Il y a donc bien un lien entre courant électrique et chaleur. Mais ce n'est pas encore l'effet Peltier (l'effet Peltier se superpose à l'effet Joule) : l'effet Joule est de la "chaleur perdue", l'effet Peltier est réversible et "valorisable".

Rappelons ici en quoi consiste la conduction thermique au sein d'un matériau classique : on chauffe à l'une des extrémité. Les molécules constituants le matériau s'agitent, l'agitation est communiquée "par collision" de proche en proche jusqu'à l'autre extrémité qui voit donc sa température augmenter à son tour.

Pour expliquer l'effet Seebeck, on peut dire pour simplifier que lorsqu'un matériau "possédant de bonnes propriétés thermoélectriques" est soumis à l'une de ses extrémités à une température plus élevée qu'à l'autre, la transmission de la chaleur du chaud vers le froid se fait par ce qui peut voyager au sein de ce matériau particulier c'est-à-dire les électrons libres. C'est ce qui se produit dans les métaux qui ont des électrons libres : le flux de chaleur  entraîne par agitation, transmise de proche en proche, un déplacement des porteurs de charge du chaud vers le froid et donc l'apparition d'un courant électrique.

Pourquoi ? Nous avons parlé des différents niveaux d'énergie au sein d'un atome dans l'article précédent...en fait, les électrons de la dernière couche liés au noyau sont appelés "électrons de valence", c'est ceux qui participent aux liaisons chimiques entre atomes pour former des molécules. Certains électrons ont une énergie encore plus élevée (reçue de l'extérieur par ex), si grande qu'ils ont pu s'éloigner du noyau : moins accrochés, ils sont plus mobiles ; ce sont les électrons de la bande de conduction. Sous l'effet de la température, les électrons sont thermiquement excités de la bande de valence à la bande de conduction : ils deviennent mobiles.

NB : cette explication n'est que l'une des composantes de l'effet thermoélectrique. Nous nous en contenterons.

Ce qui se produit pour l'effet Peltier, inverse de l'effet Seebeck, c'est que soumis à un champ électrique, le système électronique est perturbé :
- si les électrons sont accélérés, leur énergie cinétique augmente et est convertie en chaleur,
- si les électrons ralentissent, leur énergie cinétique chute, il y a alors absorption de chaleur.

L'effet Peltier est encore plus "actif" (meilleur rendement) au sein d'une jonction entre deux matériaux conducteurs différents et particuliers des semi-conducteurs notés N et P.
Lorsque sous l'effet d'un courant électrique, un électron passe du matériau N au matériau P, au niveau du point de jonction, il cède de la chaleur. De la même façon, lorsqu'un électron passe du matériau P au matériau N, au point de jonction, il absorbe de la chaleur. Apparaît donc une différence de température entre les deux matériaux N et P.

Alors pourquoi ce gain ou perte de chaleur à la jonction ? parce que les matériaux N et P sont des semi-conducteurs qui ont de bonnes propriétés thermoélectriques. Le flux thermique créé par le mouvement des porteurs de charge sera plus important que celui de la conductivité thermique.

Les semi-conducteurs N et P

La circulation d'un courant électrique, nous l'avons vu, apparaît via le mouvement d'électrons (ou pour être plus précis, via  la propagation de proche en proche d'une minuscule mouvement d'électron - comme une onde qui se transmet). Mais le courant peut être favorisé par un autre type de porteurs : les trous. Un trou est lié à une absence locale d'électron au niveau d'un atome : cela crée des zones ionisées au sein du matériau et les charges électriques voyagent de zones ionisées vers d' autres. C'est le principe des semi-conducteurs, la circulation d'un courant est favorisée à la fois par le mouvement d'electrons et de trous (qui se déplacent dans un sens opposé...logique, un électron qui saute d'un atome, laissant derrière lui un trou).

Les propriétés d'un matériau semi-conducteur sont liées au nombre de porteurs électrons et de trous. Lorsqu'un matériau possède plus de trous que d'électron, on l'appelle semi-conducteur dopé P (car un trou est "Positif").
Lorsqu'un matériau possède plus d'électrons que de trous, on l'appelle semi-conducteur dopé N ("Négatif" car surcharge en électrons).

POur revenir à nos moutons :

semiconducteurNP
Source ICI

Pour une différence de température marquée, on utilise plusieurs modules NP en cascade...

jonctionNP

En faisant circuler un courant électrique dans un circuit avec deux semi-conducteurs (l'un N, l'autre P) mis en contact, à la jonction P-N, la conductivité est grande, les électrons circulent vite et accèlèrent : l'énergie cinétique est convertie en chaleur. Au niveau de la jonction N-P, il y a décélération des électrons, impliquant une baisse de température.

peltier
Source : ICI

Le rendement du phénomène thermoélectrique est cependant très faible et ne permet pas de concurrencer les systèmes classiques permettant de produire de l'électricité à partir de chaleur (je veux parler des machines thermiques avec une turbine entraînée par de la vapeur haute pression ou un gaz très chaud).

Un nouvel article sera rédigé dans quelques temps, et explicitera davantage le principe des semi-conducteurs (comment sont ils fabriqués par ex) et leur implication dans le développement des panneaux photovoltaïque.

A bientôt

Origine de l'idée de cet article :
L'Usine Nouvelle, N° 3113, 4 Septembre 2008

Pour en savoir plus :

http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_Peltier
http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_Seebeck
http://fr.wikipedia.org/wiki/Thermo%C3%A9lectricit%C3%A9
http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_Joule
http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=3155
http://www.presence-pc.com/actualite/eneco-chaleur-energie-20462/
http://www.ilephysique.net/encyclopedie/Effet_thermo%C3%A9lectrique.html
http://fr.wikipedia.org/wiki/Semi-conducteur
http://ffden-2.phys.uaf.edu/212_fall2003.web.dir/Dane_Lenaker/solid.shtm
http://ixbtlabs.com/articles/peltiercoolers/

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10 août 2008

Les biocarburants

Désolée pour le retard à la publication de cet article mais, j'ai connu quelques soucis de PC.

Bonjour, je vous propose un petit point sur les biocarburants.

Face aux contraintes environnementales actuelles, en particulier l'obligation de limiter les gaz à effet de serre (voir mon article ici), la recherche de nouveaux carburants visant à limiter les émissions de CO2 émis par les transports routiers (représentant environ 30 % des émissions de CO2 en Europe) s'est considérablement accrue : on parle énormément des biocarburants. D'autre part, les pays européens cherchent à réduire leur dépendance énergétique face aux pays exportateurs de pétrole. Les biocarburants font partie d'une des voies possibles afin de réduire la consommation de pétrole.

En quoi consistent ces biocarburants? Comment sont-ils fabriqués ? Pourquoi les émissions de CO2 liée à la combustion d'un biocarburant sont-elles diminuées ? Que doit-on intégrer dans le bilan ? Quelles sont les controverses actuelles?

Définition

Un biocarburant est un carburant produit à partir d'éléments organiques renouvelables et non fossiles. Il est donc issu de la transformation des matières végétales produites par l’agriculture (betteraves, blé, maïs, colza, tournesol, pommes de terre…), ou de déchets organiques.

On trouve aussi l'expression "carburant végétal" ou "carburant vert"

Mode de synthèse

Différentes voies de synthèse sont possibles.
* Filière huile
Plusieurs espèces végétales donnent de l'huile (soit par pressage ou par attaque chimique), c'est le cas par exemple du Colza, le Tournesol, le Palmier à Huile. L'huile brute obtenue peut être utilisée dans certains moteurs diesels adaptés, c'est ce qu'on appelle le "Biodiesel" qui de plus ne contient pas de soufre (on voit certains bus qui roulent "au vert")

colza
Champ de Colza : source ICI

* Filière fermentation alcoolique
De nombreuses espèces végétales sont cultivées pour leur sucre comme la betterave sucrière, la canne à sucre, le maïs... La fermentation de ces sucres par certaines levures conduit à la synthèse d'éthanol qui est alors concentré (distillation) puis déshydraté pour donner le "bio-éthanol". Le bio-éthanol peut remplacer totalement ou partiellement l'essence.

Chimiquement parlant, "glucose (le sucre) donne éthanol + dioxyde de carbone" s'écrit

C6H12O6 = 2 CO2 + 2C2H5OH

En France, l’éthanol que nous trouvons dans nos voitures (Superéthanol E85) est obtenu à 70 % grâce à la betterave.
Au Brésil, le bioéthanol est produit à partir de la canne à sucre, et aux Etats-Unis, il est issu de la transformation du maïs.

betterave
Source ICI

1 hectare de betteraves permet de produire plus de 8000 litres de bioéthanol

* Filière gaz
Le bio-méthane est  issu de la fermentation méthanique (ou méthanisation) de matières organiques animales ou végétales riches en sucres (amidon, cellulose) par des bactéries méthanogènes qui vivent dans des milieux anaérobiques (sans oxygène).
Les gaz issus de la fermentation sont composés de 65 % de méthane, 34 % de CO2 et 1 % d'autres gaz dont le sulfure d'hydrogène et le diazote.

* Filière charbon de bois
Le charbon de bois est obtenu par pyrolyse (décomposition par la chaleur mais SANS combustion) du bois, de la paille ou d'autres matières organiques.

* Filière "déchets" ou produits non valorisés
Il ne faut pas que la production de biocarburants rentrent en compétition avec l'agriculture ou la production de produits nobles ou encore la forêt en place car ce qu'on gagnerait d'un côté, on le perdrait de l'autre (voir le paragraphe "Bilan"). Le but des recherches actuelles est donc de produire des biocarburants à partir de produits non valorisés. C'est ce qu'on appelle les biocarburants de seconde génération.

Certains recherches se concentrent par exemple sur la transformation de la cellulose (constituant du bois, des végétaux)

termitecellul
Les termites possèdent des bactéries capables de transformer de manière efficace et économique les déchets de bois en sucres pour la production d'éthanol. Source ICI

Une autre voie possible et d'un rendement énergétique plus élevé consisterait à transformer des microalgues (algues microscopiques). Certaines algues microscopiques produisant 30 fois plus d'huile/ha que tous les oléagineux terrestres ! De nombreux programmes de recherche sont lancés.

Economie des émissions de CO2
Tous les carburants (parce qu'ils contiennent du carbone), dégagent du CO2 lors de leur combustion mais dans des proportions différentes.

Si l'on y regarde d'un peu plus près,  la différence de formule entre l'essence (C8H18, octane pur) et le bioéthanol (C2H5OH) est nette, 4 fois plus de carbone dans la molécule d'essence.

Grosso modo en simplifiant, "+ de carbone dans la formule brute"  implique plus de CO2 dégagé lors de la combustion. Oui mais, lors de la fermentation du glucose pour former l'éthanol, se dégage déjà du CO2 dont il faut bien tenir compte !

Il faut également tenir compte du fait que le bioéthanol est moins "énergétique" que l'essence donc pour le rendement du moteur, il faudra consommer plus de carburant pour atteindre les mêmes performances...

Alors ? dans tout cela, le balance penche tout de même du côté des biocarburants qui permettent des réductions de CO2. Et l'une des principales raison est que les végétaux de départ ayant servi à produire des biocarburants, sont grands consommateurs de CO2 pour leur photosynthèse ! ce qui n'est évidemment pas le cas avec le pétrole.

L'heure du bilan
Beaucoup de débats à l'heure actuelle autour des biocarburants.

En effet, les biocarburants produits à partir de produits agricoles sont accusés :
- de favoriser la déforestation (afin de planter des végétaux pour les transformer en biocarburants),
- de favoriser l'érosion des sols,
- de faire concurrence à l’alimentation,
- de générer des émissions de N2O (protoxyde d'azote) - à cause des engrais. Rappelons que le N2O est bien plus "à effet de serre" que le CO2 lui-même...

Les solutions : Une grande nécessité de développer des biocarburants de seconde génération qui permettront de se libérer de toutes ces contraintes. Beaucoup de voies de recherche sont créées mais les technologies ne permettent pas encore des rendements intéressants.

Pour en savoir plus

http://fr.wikipedia.org/wiki/Biocarburant

http://www.hespul.org/-Biocarburants-.html

http://www.huilerie.com/Fabrication-de-l-huile-de-colza-grille-La-production-L-ENTREPRISE/p/3/91/0/

http://www.roulonspropre-roulonsnature.com/2007/04/02/comment-fabrique-t-on-de-l%E2%80%99ethanol-a-partir-de-betteraves/

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04 juillet 2008

Cap sur les nanotechnologies

Les nanotechnologies : le nerf de la prochaine révolution technologique

On peut définir les nanotechnologies comme les procédés de fabrication de structures ou de machines à l'échelle du nanomètre, c'est-à-dire à l'échelle moléculaire.

Rappelons qu’un nanomètre (noté nm) est un millionième de mm, soit la taille de quelques atomes.

Rappelons également que l’épaisseur du cheveu humain est de l’ordre de 25 000 nm à 50 000 nm. Une cellule sanguine mesure 2500 nm. Un atome mesure environ 0,1 nm.

Le but de cet article est d’exposer l’intérêt de ces nouvelles techniques, les moyens mis en œuvre, les propriétés obtenues et différentes applications.

Historiquement, en 1959, un certain Mr Feynman « imagine  un monde où les atomes seraient manipulés un à un et agencés en structure de très petite taille ».

Ce n’est qu’en 1985, qu’on découvre une nouvelle forme allotropique du carbone le C60 qui donnera jour en 1996, aux nanotubes de carbone, une des principales applications (voir les exemples d’applications). L’émergence des nanotechnologies peut être située dans les années 90.

Pourquoi ?

On peut s’interroger sur l’intérêt de la manipulation de la matière à si petite échelle.

L’un des intérêt majeur est la fabrication de structures si petites qu’elles pourront non seulement permettre un gain de place, mais également accroître les capacités de stockage, la performance d’ installations industrielles (d’un point de vue chimique, plus une particule est petite, plus elle est réactive). Quelques autres intérêts notables seront décrits dans la partie « applications »

Mode de fonctionnement

Sans entrer dans les considérations de la physique quantique, on dira qu’à l’échelle du nanomètre la matière se comporte de manière différente (la particule adopte un comportement ondulatoire) de ce qui se passe l’échelle macroscopique. En particulier, les propriétés physico-chimiques sont différentes : propriétés quantiques (dont nous verrons tout l’intérêt plus loin) mais aussi l’apparition des effets de surface, de volume, de bords.

Ex : des matériaux isolants à l’échelle macroscopique, deviennent semi-conducteurs à l’échelle nanométrique…

Ainsi une bonne partie des nanosciences s’applique à étudier les propriétés totalement nouvelles (par rapport à l’échelle macroscopique et inconnues de matériaux à l’échelle nanométrique).

Techniques et moyens mis en œuvre

Diverses techniques sont utilisées afin d’observer et d’interagir avec la matière à l’échelle moléculaire.

  • Le microscope à effet tunnel permettant de parcourir des surfaces conductrices et semi-conductrices. (L’effet tunnel est un phénomène quantique qui permet aux électrons de la matière observée de passer -comme une sorte de « téléportation »- , sous réserve que les distances soient suffisamment faibles entre la matière observée et la pointe métallique du microscope)

  • Le microscope à force atomique (pour les matériaux non conducteurs)
  • microeffettunel

Microscopie à effet tunnel

Deux techniques vont permettre de construire ce nanomonde : approche descendante (qui consiste à miniaturiser avec des motifs de plus en plus fins) et l’approche ascendante (ou bottom-up) qui consister à assembler des atomes ou molécules.

Domaines et exemples d’application

  • Médical et paramédical

Des nanoparticules de TiO2 sont introduites dans les crèmes solaires de part leur grande capacité d’absorption des ultraviolets.

La recherche médicale travaille sur les possibilités très intéressantes des nanoparticules à pénétrer les tissus cellulaires : elles pourraient donc être utilisées comme outils de diagnostic (imagerie des cellules), ou même dans la thérapie du cancer (injection possible au cœur des tumeurs de nanoparticules permettant de les détruire)

On pense aussi à des nanorobots permettant de l’intérieur de détruire le cholestérol.

  • Electronique

La miniaturisation des composants électroniques des ordinateurs lie son avenir aux nanotechnologies.

  • Energie

Les nanomousses permettent une isolation thermique des habitations hors du commun. En effet, elles renferment au sein de nanopres une grande quantité d’air ce qui augmente considérablement la résistance thermique.

Grâce aux nanotechnologies, de nouvelles perspectives s'ouvrent également dans le secteur des capteurs solaires. Les nouveaux nanomatériaux ne se contentent pas d'absorber la lumière visible, mais peuvent aussi exploiter la lumière infrarouge ce qui conduirait à de bien meilleures performances.

Une équipe du Department of Biological and Agricultural Engineering and the Nanomaterials in the Environment, Agriculture and Technology (NEAT) de UC Davis (Californie) a créé un nouveau type de matériau de stockage à base de nanotubes de carbone. grâce à leur petite taille et leur forme cylindrique, les nanotubes procurent de grandes surfaces efficaces pour le stockage et la fourniture de l’énergie requise.

nanotubes

Nanotubes de carbone (grande caoacité de stockage)

  • Chimie

Les métaux précieux sont souvent utilisés comme catalyseur (produit permettant d’accélérer une réaction ou de la faciliter) dans l’industrie chimique. Ils sont néanmoins coûteux, les utiliser sous forme de nanoparticules (plus réactives) permettrait de réduire la quantité requise tout en augmentant la performance.

  • Environnement

Les nanopoudres (par exemple celles produites à partir de fer) vont considérablement accroître les possibilités de décontamination des sols pollués.

  • Les risques des nanotechnologies

Il n’existe à l’heure actuelle aucune étude permettant de conclure sur les risques liés à l’utilisation des nanotechnologies. Néanmoins, l’une des questions importante en cours de réflexion concerne la santé et  la possibilité d’interaction des nanoparticules avec nos cellules, et jusqu’à quel point ?

nanotechnology

Source ICI

Pour en savoir plus

http://fr.wikipedia.org/wiki/Nanotechnologie

http://terresacree.org/nanotechnologies.htm

http://www.internetnews.com/

http://science.howstuffworks.com

http://www.france-science.org/Photolithographie

http://www.nanoquebec.ca/nanoquebec_w/site/explorateur.jsp?currentlySelectedSection=259

http://drgoulu.wordpress.com/2007/04/15/mini-micro-nano/

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11 avril 2008

Rêve d'inivisbilité !

Bonjour tout le monde,

Je suis tombée il y a quelques temps sur un ancien article de Sciences et Vie (fin 2007) expliquant qu'une équipe américaine et britannique avait réussi, en laboratoire, à rendre invisible un objet aux micro-ondes. Le rêve d'invisibilité deviendrait-il réalité ?

Qu'en est-il exactement ? Une équipe de physiciens a bel et bien réussi à rendre un petit objet en cuivre (cylindre de quelques centimètres) invisible aux micro-ondes. L'équipe a mis au point une "cape d'invisibilité" autour de l'objet à rendre invisible conçue en un assemblage de matériaux très spéciaux - on parle de métamatériaux- qui fait que les micro-ondes qui arrivent au niveau de l'objet sont déviées, sans traverser l'objet ni s'y réfléchir : l'objet devient donc invisible.
Le "métamatériau" utilisé ici est un assemblage d'anneaux et de fils de cuivre inscrits sur de la fibre de verre. Evidemment, pour que cela fonctionne sur l'oeil humain, il faudrait réussir cet exploit avec la lumière visible : onde de longueur d'onde plus petite (plus difficile à manipuler). Mais peut-être qu'un jour ?

Les micro-ondes sont les ondes utilisées par les radars : l'application est donc tout à fait intéressantes d'un point de vue militaire de rendre les avions invisibles aux radars.

Définition préliminaire
Lorsqu'une onde électromagnétique (lumière visible, micro-ondes, infra-rouge, onde-radio...) se propageant dans un milieu homogène arrive sur la surface d'un matériau homogène également, une partie de la lumière est réfléchie et une autre partie se propage (elle continue son chemin) dans le matériau (et est absorbée ou non), c'est la réfraction.

L'angle de réfraction est fonction du matériau mais aussi du type de lumière incidente...si la lumière est rouge ou violette, elle n'est pas déviée de la même manière. C'est d'ailleurs le pourquoi du comment de la formation des arc-en-ciel...

Lorsqu'il pleut et que le Soleil est visible, ce dernier envoie ces rayons sur une multitude de gouttelettes d'eau. Prenons l'exemple d'un rayon pénétrant dans une goutte : les différentes couleurs constituant la lumière blanche sont déviées de façon différentes au passage de la goutte d'eau...il y a donc décomposition de la lumière à la sortie.

arcciel

Source de cet arc en ciel : clic clic
Voir également l'article de Lynx

Qu'est ce que les métamatériaux ?

Les métamatériaux sont des matériaux artificiels qui ont des propriétés optiques particulières que ne possèdent pas les matériaux naturels. Lorsque une onde électromagnétique éclaire le matériau naturel, une partie est réfractée dans la même direction (mais pas forcément le même angle) que la lumière incidente. Dans le cas des métamatériaux, la lumière est réfractée dans la direction opposée ou avec un angle négatif...On peut donc contrôler comment va se propager la lumière...

Techniquement parlant, les métamatériaux possèdent une structure façonnée de façon à contrôler précisément ses propriétés électromagnétiques. En faisant varier la microstructure du matériau, la propagation des ondes dans la matériau change. De plus, en sculptant des motifs réguliers dans un matériau choisi à dessein, on peut modifier sa réponse aux ondes électromagnétiques. Le métamatériau se comporte comme un guide d'ondes.

metamateriau

Source ici

Un grand bravo aux physiciens ayant réussi cet exploit : une équipe dirigée par David Smith, de l'université Duke, aux Etats-Unis, et par John Pendry, de l'Imperial College de Londres

Un très bon article sur le sujet sur le blog de Matthieu

metamateriaub

Pour en savoir plus :

http://www.lefigaro.fr/sciences/20061020.FIG000000054_un_cylindre_de_cuivre_rendu_invisible_en_laboratoire.html

http://www.comlive.net/Objets-Invisibles,131243.htm

http://www.techno-science.net/?onglet=news&news=3310

http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/doschim/decouv/couleurs/loupe_coul_pris_arc.html

Posté par pascale72 à 00:00 - Découvertes et avancées - Commentaires [6] - Permalien [#]