La science infuse

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29 mai 2013

Du riz pour recharger nos batteries (électriques) ?

Les glumelles enveloppant le grain de riz forment aujourd'hui un déchet qui pourrait être mis à profit dans la fabrication de batteries électriques "vertes".

La récolte mondiale de riz s'est élevée à 730 millions de tonnes en 2012 d'après les dernières estimations de l'Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture (FAO), dépassant le record établi l'année précédente. Si cette augmentation de la production suit (en partie) la demande alimentaire (la consommation moyenne avoisinant les 57 kg par habitant !), elle ne manque pas d'entraîner concomitamment une hausse des coproduits, le riz asiatique (Oryza sativa) n'étant pas consommé dans son intégralité. Ainsi, les enveloppes des grains, appelées glumelles, représentent environ 120 millions de tonnes chaque année, et ces résidus restent peu exploités aujourd'hui. Des chercheurs de l'université Stanford (États-Unis) menés par Yi Cui proposent d'utiliser ce déchet végétal pour construire une nouvelle génération de batteries plus performantes et plus "vertes". Un bel exemple de "recyclage" intelligent.

Aujourd'hui, la plupart des batteries lithium-ion, massivement utilisées pour les smartphones, contiennent des anodes en graphite. Pourtant, les ingénieurs portent de grands espoirs sur le silicium, qui permettrait de concevoir des anodes de plus grande capacité (la quantité de courant électrique que peut délivrer l'anode en un temps donné). Toutefois, les importantes variations de volume subies lors des cycles de charge-décharge de la batterie fragilisent ce matériau. C'est là qu'intervient le coproduit de la riziculture : les glumelles enveloppant les grains de riz se trouvent être riches en silicium, absorbé par la plante sous forme d'acide silicique Si(OH)4. Et ce silicium, qui représente environ 20 % de la masse des glumelles, est stocké autour des cellules végétales sous forme de nanoparticules de silice (SiO2), une structure qui pourrait améliorer la résistance mécanique des anodes. Reste à transformer ces particules naturelles de silice en silicium.

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25 mai 2012

Une cellule photovoltaïque 100% carbone

L'avenir des panneaux solaires réside-t-il dans les nanotubes de carbone ?

Aujourd'hui, il reste toujours moins coûteux de brûler des carburants fossiles que de raccorder sa prise à un panneau photovoltaïque. Les énergies renouvelables se confrontent à cet argument financier et doivent, pour prendre leur envol, résoudre une série de défis technologiques visant à les rendre plus économiques. Des chercheurs de l'université d'État de Californie à Northridge (États-Unis) viennent de franchir une marche supplémentaire en vue de diminuer le coût de revient de l'énergie solaire : ils ont conçu un prototype de cellule photovoltaïque n'utilisant aucun métal rare, mais constitué de simples nanotubes de carbone.

Revenons un instant sur le principe de l'énergie solaire. L'objectif est de transformer l'énergie lumineuse en énergie électrique, c'est-à-dire d'engendrer, à partir des photons, une circulation d'électrons. Pour cela, les cellules photovoltaïques utilisent des matériaux semi-conducteurs : l'énergie apportée par un photon arrache un électron, qui forme alors un "trou" dans la structure du matériau. En induisant un mouvement opposé des électrons et des "trous" pour éviter qu'ils ne se recombinent, une différence de potentiel apparaît (c'est-à-dire une tension électrique), comme entre les deux bornes d'une pile. Alors que la première génération de cellules photovoltaïques utilisaient des semi-conducteurs inorganiques, tels le silicium, qui sont coûteux à extraire, les chimistes ont développé depuis une vingtaine d'années une seconde génération de cellules fabriquées à partir de matériaux organiques. Ils ont synthétisé une série de colorants assurant la photoconversion des photons en électrons et ainsi donné naissance aux cellules à pigment photosensible, dites cellules Grätzel du nom de leur concepteur. Ces cellules font toutefois face à certains problèmes : la faible durée de vie des colorants et l'utilisation d'électrodes métalliques, notamment en indium, une terre rare dont les ressources sont limitées.

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8 mars 2012

"Que d'eau !" ou une histoire isotopique des océans

La région d'Isua, au Groenland, abrite les plus anciennes traces de la croûte terrestre, qui permettent de remonter le fil de l'histoire des océans.

"Rien ne sert perd, rien ne se crée, tout se transforme." Cette maxime attribuée à Lavoisier s'applique à toute espèce chimique présente sur la surface de la Terre, y compris à l'une des molécules les plus abondantes : l'eau. C'est en suivant ce fil que des géochimistes de l'université Stanford (États-Unis) et du Muséum d'histoire naturelle de Copenhague (Danemark) ont cherché à retracer l'histoire de l'eau contenue dans les océans depuis leur formation il y a plus de 4 milliards d'années. Pour cela, ils se sont intéressés à la composition de roches particulières, trouvées à la pointe du Groenland, qui constituent la plus ancienne trace de la croûte terrestre. Les indices découverts dans ces pierres indiqueraient que les océans se sont contractés jusqu'à 26 % pour arriver à leur taille actuelle, alors que l'on parie aujourd'hui sur une montée du niveau de la mer en raison du réchauffement climatique...

Le volume actuel des océans est estimé (à partir de leurs dimensions géographiques) à 1,3 milliard de kilomètres cube, soit 1 300 milliards de milliards de litres, ou encore l'équivalent d'un cube dont la face contiendrait la France... Comment faire de telles estimations à l'époque éoarchéenne, en l'absence de données précises sur la forme du premier supercontinent à s'être formé en même temps que le premier océan, résultat de la condensation des vapeurs d'eau contenues dans l'atmosphère primitive ? En s'appuyant sur des traces "fossilisées" que les océans ont laissé dans les roches contemporaines de cette époque. Les géochimistes ont analysé des serpentines extraites de la région d'Isua, située au Sud-Ouest du Groenland, datant de 3,8 milliards d'années, et se sont plus particulièrement intéressés aux deux éléments constitutifs de la molécule d'eau : l'oxygène et l'hydrogène. Ces éléments sont présents dans les roches sous différentes formes appelées isotopes (elles varient par le nombre de neutrons, mais gardent les mêmes propriétés chimiques), et les chercheurs ont mesuré l'abondance relative de certaines formes rares de ces deux éléments. Les roches d'Isua indiquent ainsi que l'abondance relative de l'oxygène-18 (noté 18O) par rapport à l'isotope "de référence", l'oxygène-16, est restée à peu près stable au cours des quatre derniers milliards d'années. En revanche, en ce qui concerne l'hydrogène, les roches témoignent d'un appauvrissement en deutérium par rapport au niveau actuel, caractérisé par un ratio δD négatif, voisin de -25 ‰ alors que l'eau de mer est aujourd'hui à 0 ‰.

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9 février 2012

Coupe ou flûte ? Il faut choisir !

 

L'imagerie infra-rouge montre le dégagement de gaz carbonique lorsque le champagne est versé dans la coupe.

"Un système hydroalcoolique complexe, composé de molécules de gaz de dioxyde de carbone (CO2) formées avec l'éthanol pendant le processus de fermentation secondaire, dit prise de mousse". Présenté comme cela, il n'est pas sûr que vous ayez envie de vous en servir une coupe. Ou plutôt une flûte ? Le breuvage disséqué de la sorte par les chercheurs de l'université de Reims n'est autre que le champagne, ce vin effervescent produit dans le nord-est de la France depuis des siècles. Sa particularité réside dans ces petites bulles de gaz qui affleurent des parois du verre dans lequel il est versé, dont la taille et les arômes qu'elles libèrent sont examinés avec attention par les œnologues avertis (et dont la vie passionne les physiciens). L'équipe champenoise menée par Gérard Liger-Belair a voulu savoir qui, de la coupe ou de la flûte, assurait le meilleur dégagement gazeux, pour le plaisir des buveurs.

Le champagne contient une grande quantité de dioxyde de carbone, issu de la seconde fermentation du vin dit de base, enrichi en sucre et en levures : environ 9 g de CO2 sont dissous dans une bouteille de 750 mL, soit l'équivalent de 5 litres de gaz ! Une fois le bouchon sauté, ce dégagement se produit selon deux processus parallèles : l'effervescence des bulles de gaz qui éclatent, et une diffusion "invisible" à la surface du liquide, au contact de l'air. Ce second phénomène peut être visualisé grâce à la thermographie infrarouge, sensible au gaz carbonique. Plus globalement, les chercheurs ont analysé la composition chimique des vapeurs recueillies au bord du verre (à l'endroit où l'on hume habituellement le vin) : en plus du CO2, le champagne dégage en effet un certain nombre de composés organiques volatils, au premier rang desquels l'éthanol, qui interviennent dans la perception des arômes.

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