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Un super-laser pour sonder la matière et le vivant
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Un super-laser pour sonder la matière et le vivant

Les physiciens ont une nouvelle caméra ultrarapide pour filmer des molécules en mouvement : le laser à rayons X à électrons libres européen (XFEL) sera inauguré le 1er septembre à Hambourg, en Allemagne.

Cet instrument d'une valeur de 1,2 milliard d'euros émet de puissantes impulsions de rayons X d’une durée de quelques centaines de femtosecondes (soit 10-13 secondes), une durée si brève que, un peu comme les lampes stroboscopiques, il peut capturer des images instantanées de molécules agitées « figées dans le temps ». La longueur d’onde des rayons X, de 0,05 à 4,7 nanomètres, est suffisamment petite pour offrir des images d’une résolution de l’ordre d’un atome. Le XFEL européen rejoint la famille très restreinte des lasers à rayons X de ce calibre dans le monde, mais il possède en outre une capacité unique : il peut émettre 27 000 impulsions X par seconde, une fréquence plus de 200 fois supérieur à celle du laser X le plus rapide jusqu’alors, le LCLS du Centre de l’accélérateur linéaire de Stanford (SLAC), en Californie. « C'est une machine tellement différente de toute autre sur la planète qu'on a vraiment l'impression d'entrer en territoire inconnu », déclare Arwen Pearson, biochimiste au Centre de recherche DESY de Hambourg.

En une seule seconde, les scientifiques devraient être en mesure de collecter plus de 3 000 clichés X de bonne qualité, contre une centaine environ avec d'autres installations, affirme Adrian Mancuso, un chercheur du projet sur le site expérimental du XFEL européen à Schenefeld, près de Hambourg. « Récolter beaucoup de données est important, et le XFEL européen va les livrer par camions entiers », déclare Abbas Ourmazd, physicien à l'université du Wisconsin, à Milwaukee. L’instrument européen – financé par 12 pays – devrait soulager en partie le planning des lasers X à électrons libres actuels aux États-Unis et au Japon, qui sont sursollicités par les scientifiques désireux de capturer des images à l'échelle atomique de leurs échantillons. Un autre laser X à électrons libres a été mis en service en juin dernier à Pohang, en Corée du Sud, et un instrument devrait commencer à fonctionner en 2018 à Villigen, en Suisse.

Le XFEL de Hambourg mesure en tout 3,4 kilomètres de long. Des faisceaux d'électrons sont d'abord accélérés jusqu’à 17,5 gigaélectronvolts dans un tunnel de 1,7 kilomètre de long. Des aimants dévient ensuite la trajectoire des électrons pour les faire « slalomer », ce qui les conduit à émettre un rayonnement X de haute énergie lorsqu’ils changent de direction. Les éclairs de rayons X ainsi engendrés sont un million de fois plus intenses que les sources X classiques. Des impulsions si intenses qu'elles détruisent presque instantanément les échantillons ciblés – juste le temps que suffisamment de photons aient été dispersés pour révéler la structure atomique de l'échantillon.

Dans les expériences utilisant des sources de rayons X conventionnelles, les molécules doivent être préparées sous des formes cristallines afin que la dispersion des photons soit suffisante pour pouvoir en déduire leur structure. Mais la brillance (le nombre de photons engendrés à une longueur d’onde donnée) des lasers X à électrons libres est si élevée que les chercheurs peuvent obtenir des diagrammes de diffraction à partir de cristaux de quelques nanomètres seulement, ou même à partir de grappes de molécules non cristallines. Cela signifie que les XFEL peuvent servir à étudier des protéines difficiles à cristalliser. Et les chercheurs peuvent filmer des enzymes, des virus, des réactions chimiques ou les changement de polarisation magnétique d’un matériau en direct en réalisant des milliers d'instantanés différents du même système pris à des moments successifs – souvent en faisant passer un jet de molécules en solution dans le faisceau de rayons X.

En 2015, par exemple, les scientifiques qui ont utilisé le LCLS ont obtenu huit images instantanées de myoglobine, une protéine musculaire qui fixe l'oxygène, avec une résolution de 0,18 nanomètre. Les images ont été prises quelques picosecondes (10-12 secondes) après qu'un éclair de lumière a délogé une molécule de monoxyde de carbone de son site de liaison sur la protéine. En août dernier, Abbas Ourmazd et ses collègues ont réussi au LCLS à filmer en 3D des virus avec une résolution de 9 nanomètres. Ce film montre les mouvements d'un virus lorsqu'il réorganise son génome afin que le matériel génétique puisse s'infiltrer dans une structure moléculaire tubulaire – un processus qui se produit lorsque le virus infecte une cellule.

Un tel travail demande de rassembler de nombreux instantanés de particules identiques dans différentes conformations pour obtenir une image composite du mouvement de la particule, explique le physicien John Spence, de l’université d’Arizona, à Tempe. Selon lui, la cadence de tir élevée du XFEL européen rendra ce processus beaucoup plus rapide, de sorte que les données structurelles pourraient être accumulées pour des particules individuelles beaucoup plus petites. L'un des objectifs les plus importants de l'installation européenne sera de prouver que les diagrammes de diffraction peuvent effectivement être collectés à partir de particules isolées avec un rendement très élevé, explique Adrian Mancuso. « Une bouffée de rayons X intense détruit chaque particule qu'elle frappe, si bien que l'échantillon détruit pourrait gêner le tir suivant. Nous ne le saurons pas avant d'avoir essayé », précise-t-il.

L'instrument européen a également un avantage sur ses concurrents : contrairement aux autres XFEL, il dispose de trois ondulateurs distincts pour créer des faisceaux de rayons X simultanés, les 27 000 impulsions par seconde étant réparties entre ces trois sources. Mais le laser X à électrons libres européen ne régnera qu’un temps : le SLAC a entamé cette année la construction d'un projet à un milliard de dollars pour créer un faisceau laser X encore plus intense qui, d'ici le début de la prochaine décennie, pourra délivrer jusqu' à un million d'impulsions par seconde.
 

Source : Pour la Science
Crédit : XFEL/AFP/Heiner MULLER-ELSNER

L'un des tunnels du Laser Européen à Electrons Libres et à rayons X, le 30 août 2017 dans les environs de Hambourg, en Allemagne.

Un super-laser pour sonder la matière et le vivant Actualités

Un super-laser pour sonder la matière et le vivant

Les physiciens ont une nouvelle caméra ultrarapide pour filmer des molécules en mouvement : le laser à rayons X à électrons libres européen (XFEL) sera inauguré le 1er septembre à Hambourg, en Allemagne.

Cet instrument d'une valeur de 1,2 milliard d'euros émet de puissantes impulsions de rayons X d’une durée de quelques centaines de femtosecondes (soit 10-13 secondes), une durée si brève que, un peu comme les lampes stroboscopiques, il peut capturer des images instantanées de molécules agitées « figées dans le temps ». La longueur d’onde des rayons X, de 0,05 à 4,7 nanomètres, est suffisamment petite pour offrir des images d’une résolution de l’ordre d’un atome. Le XFEL européen rejoint la famille très restreinte des lasers à rayons X de ce calibre dans le monde, mais il possède en outre une capacité unique : il peut émettre 27 000 impulsions X par seconde, une fréquence plus de 200 fois supérieur à celle du laser X le plus rapide jusqu’alors, le LCLS du Centre de l’accélérateur linéaire de Stanford (SLAC), en Californie. « C'est une machine tellement différente de toute autre sur la planète qu'on a vraiment l'impression d'entrer en territoire inconnu », déclare Arwen Pearson, biochimiste au Centre de recherche DESY de Hambourg.

En une seule seconde, les scientifiques devraient être en mesure de collecter plus de 3 000 clichés X de bonne qualité, contre une centaine environ avec d'autres installations, affirme Adrian Mancuso, un chercheur du projet sur le site expérimental du XFEL européen à Schenefeld, près de Hambourg. « Récolter beaucoup de données est important, et le XFEL européen va les livrer par camions entiers », déclare Abbas Ourmazd, physicien à l'université du Wisconsin, à Milwaukee. L’instrument européen – financé par 12 pays – devrait soulager en partie le planning des lasers X à électrons libres actuels aux États-Unis et au Japon, qui sont sursollicités par les scientifiques désireux de capturer des images à l'échelle atomique de leurs échantillons. Un autre laser X à électrons libres a été mis en service en juin dernier à Pohang, en Corée du Sud, et un instrument devrait commencer à fonctionner en 2018 à Villigen, en Suisse.

Le XFEL de Hambourg mesure en tout 3,4 kilomètres de long. Des faisceaux d'électrons sont d'abord accélérés jusqu’à 17,5 gigaélectronvolts dans un tunnel de 1,7 kilomètre de long. Des aimants dévient ensuite la trajectoire des électrons pour les faire « slalomer », ce qui les conduit à émettre un rayonnement X de haute énergie lorsqu’ils changent de direction. Les éclairs de rayons X ainsi engendrés sont un million de fois plus intenses que les sources X classiques. Des impulsions si intenses qu'elles détruisent presque instantanément les échantillons ciblés – juste le temps que suffisamment de photons aient été dispersés pour révéler la structure atomique de l'échantillon.

Dans les expériences utilisant des sources de rayons X conventionnelles, les molécules doivent être préparées sous des formes cristallines afin que la dispersion des photons soit suffisante pour pouvoir en déduire leur structure. Mais la brillance (le nombre de photons engendrés à une longueur d’onde donnée) des lasers X à électrons libres est si élevée que les chercheurs peuvent obtenir des diagrammes de diffraction à partir de cristaux de quelques nanomètres seulement, ou même à partir de grappes de molécules non cristallines. Cela signifie que les XFEL peuvent servir à étudier des protéines difficiles à cristalliser. Et les chercheurs peuvent filmer des enzymes, des virus, des réactions chimiques ou les changement de polarisation magnétique d’un matériau en direct en réalisant des milliers d'instantanés différents du même système pris à des moments successifs – souvent en faisant passer un jet de molécules en solution dans le faisceau de rayons X.

En 2015, par exemple, les scientifiques qui ont utilisé le LCLS ont obtenu huit images instantanées de myoglobine, une protéine musculaire qui fixe l'oxygène, avec une résolution de 0,18 nanomètre. Les images ont été prises quelques picosecondes (10-12 secondes) après qu'un éclair de lumière a délogé une molécule de monoxyde de carbone de son site de liaison sur la protéine. En août dernier, Abbas Ourmazd et ses collègues ont réussi au LCLS à filmer en 3D des virus avec une résolution de 9 nanomètres. Ce film montre les mouvements d'un virus lorsqu'il réorganise son génome afin que le matériel génétique puisse s'infiltrer dans une structure moléculaire tubulaire – un processus qui se produit lorsque le virus infecte une cellule.

Un tel travail demande de rassembler de nombreux instantanés de particules identiques dans différentes conformations pour obtenir une image composite du mouvement de la particule, explique le physicien John Spence, de l’université d’Arizona, à Tempe. Selon lui, la cadence de tir élevée du XFEL européen rendra ce processus beaucoup plus rapide, de sorte que les données structurelles pourraient être accumulées pour des particules individuelles beaucoup plus petites. L'un des objectifs les plus importants de l'installation européenne sera de prouver que les diagrammes de diffraction peuvent effectivement être collectés à partir de particules isolées avec un rendement très élevé, explique Adrian Mancuso. « Une bouffée de rayons X intense détruit chaque particule qu'elle frappe, si bien que l'échantillon détruit pourrait gêner le tir suivant. Nous ne le saurons pas avant d'avoir essayé », précise-t-il.

L'instrument européen a également un avantage sur ses concurrents : contrairement aux autres XFEL, il dispose de trois ondulateurs distincts pour créer des faisceaux de rayons X simultanés, les 27 000 impulsions par seconde étant réparties entre ces trois sources. Mais le laser X à électrons libres européen ne régnera qu’un temps : le SLAC a entamé cette année la construction d'un projet à un milliard de dollars pour créer un faisceau laser X encore plus intense qui, d'ici le début de la prochaine décennie, pourra délivrer jusqu' à un million d'impulsions par seconde.
 

Source : Pour la Science
Crédit : XFEL/AFP/Heiner MULLER-ELSNER

L'un des tunnels du Laser Européen à Electrons Libres et à rayons X, le 30 août 2017 dans les environs de Hambourg, en Allemagne.

LE GUIDE Naturellement

Agenda . . .

04 - Alpes de Haute Provence

Du 5 juin 2020 au 15 décembre

VISITE LUDIQUE
SALAGON, PARC & JARDINS

Une nouveauté pour les familles : un jeu de la cocotte pour explorer les jardins et découvrir les secrets du monument de Salagon de façon ludique !

Salagon
04300 Mane
04 92 75 70 50
www.musee-de-salagon.com


Du 5 juin au 15 décembre

COURSE D'ORIENTATION
MUSÉE DE PRÉHISTOIRE DES GORGES DU VERDON

Une course d’orientation familiale pour découvrir le village préhistorique. A l'aide du dépliant disponible gratuitement à l'accueil du Musée, participez à cette course d’orientation ludique et instructive qui vous conduira tout droit vers le village préhistorique reconstitué.

Musée de Préhistoire des Gorges du Verdon
Route de Montmeyan
04500 Quinson
04 92 74 09 59
www.museeprehistoire.com


Jusqu'en novembre

EXPOSITION
LE "RHINOCÉROS" DE XAVIER VEILHAN

Le musée accueille le "Rhinocéros" de Xavier Veilhan. Vous pourrez admirer cette œuvre spectaculaire appartenant au Centre Pompidou jusqu'en novembre 2020.

Musée de Préhistoire des Gorges du Verdon
Route de Montmeyan
04500 Quinson
04 92 74 09 59
www.museeprehistoire.com


13 - Bouches du Rhône

Du 7 au 15 janvier 2021

BALADES EN MER
CONGRÈS MONDIAL DE LA NATURE DE L’UICN

Lors de ce rendez vous, des balades en mer à bord de l'Hélios, la seule vedette à passagers hybride de la compagnie Marseillaise ICARD MARITME, seront organisées par : Le parc National de la Côte Bleue : 10 juin - Le conservatoire du littoral : 11 & 16 juin - Le parc National des Calanques : 15 & 20 juin.

1 quai Marcel Pagnol
13007 Marseille
04 91 330 329
www.iucncongress2020


21 - Côte d'Or

Du 3 juillet au 2 janvier 2022

EXPOSITION
"AU COEUR DES SAISONS"

Et si on prenait le temps de regarder passer les saisons, de vivre à leur rythme, de redécouvrir le plaisir d'observer la Nature et ses changements.
Cette nouvelle exposition, conçue et réalisée par le Jardin des sciences et Biodiversité, vous plonge « Au coeur des saisons », de façon ludique et accessible à tous les publics, en famille comme entre amis…

Jardin des sciences & biodiversité
Jardin de l’Arquebuse
14 rue Jehan de Marville & 1 avenue Albert 1er
21000 DIJON
03 80 48 82 00
www.dijon.fr


34 - Hérault

Du 26 septembre au 28 février 2021

EXPOSITION
"DERNIERS IMPRESSIONNISTES"

Des paysages maritimes de la Bretagne aux plaisirs des plages de la Belle Époque, des paysages urbains ou champêtres aux portraits virtuoses, partez sur les pas des peintres intimistes ayant tous respiré le parfum de l’impressionnisme.
Riche de 70 peintures et d’une trentaine de dessins ou lithographies, l’exposition qui fait étape à Lodève est la première en France à rendre à ce courant l’importance qui lui revient.

Musée de Lodève
Square George Auric
34700 Lodève
04 67 88 86 10
www.museedelodeve.fr


45 - Loiret

Les 4 juillet et 22 août

VISITES
"ART DES JARDINS"

Art de vivre et Nouvelles Renaissances en Val-de-Loire.
L’Arboretum des Grandes Bruyères, « Jardin Remarquable » vous présentant pas moins de 5 types de jardins, vous invite à découvrir leur histoire et leurs spécificités.
Visite guidée à 15h. Inscription obligatoire, nombre de participants limité.

Arboretum des Grandes Bruyères
45450 Ingrannes
02 38 57 28 24
www.arboretumdesgrandesbruyeres.fr


50 - Manche

Du 8 février au 24 mai

EXPOSITION DE PHOTOGRAPHIES
"LA HAGUE : A L’EPREUVE DU TEMPS"

De vallées encaissées en roches mystérieuses, du littoral déchiqueté aux champs quadrillés de murets, le regard d’Antoine Soubigou s’est posé sur une Hague intemporelle et tourmentée.

Manoir du Tourp
Omonville-la-Rogue
50440 La Hague  
02 33 01 85 89
www.letourp.com


Jusqu'au 15 novembre

EXPOSITION PHOTOGRAPHIQUE
"VIE SAUVAGE EN COTENTIN"

Une exposition pour les curieux de nature mais aussi pour les amateurs de belles images... L’association "Regards" basée à Cormelles-le-Royal dans le Calvados rassemble des photographes naturalistes, passionnés d’image et de nature.

Manoir du Tourp
Omonville-la-Rogue
50440 La Hague  
02 33 01 85 89
www.letourp.com


59 - Nord

Jusqu'au 29 août 2021

EXPOSITION
"MON DODO"

A quoi sert de dormir ? Que se passe-t-il quand je dors ? Pourquoi je rêve ? Telles sont les questions que peuvent se poser les enfants lorsqu’ils vont se coucher pour la sieste ou pour la nuit.
Au travers des expériences et des approches diverses, l’exposition invite les 2-7 ans à découvrir leurs besoins en quantité et qualité de sommeil tout en abordant les notions de cycle et le rôle du sommeil dans leur développement.

Forum départemental des Sciences
1 place de l’Hôtel de ville
59650 Villeneuve d’Ascq
03 59 73 96 00
www.forumdepartementaldessciences.fr


67 - Bas-Rhin

A partir du 4 juillet

ESCAPE GAME LIGNE MAGINOT

Participez à une partie d'escape game et découvrez la Ligne Maginot comme si vous y étiez soldat!
Dans l'antre de la forteresse sont cachés les indices qui vous permettront de sauver l'équipage de l’asphyxie... Attention, vous n'avez que 40 minutes !
Equipes de 2 à 6 joueurs. A partir de 10 ans accompagnés de leurs parents.

Forteresse de la Ligne Maginot
Route D65 direction Pfaffenbronn
67510 Lembach
03 88 94 48 62 / 03 88 94 43 16
www.lignemaginot.fr


71 - Saône et Loire

Jusqu'au 31 août

EXPOSITION
"LE LUTIN DU HAUT FOLIN"

Bruno Alléos, Le Lutin du Haut Folin, a toujours travaillé le bois brut. A l’orée des bois du Morvan, il exprime sa créativité à l’aide d’un outil tout à fait étonnant : une tronçonneuse !

La Maison du Charolais
43 route de Mâcon (RCEA N79 sortie 12)
71120 Charolles
03 85 88 04 00
www.maison-charolais.com


Jusqu'au 1er novembre

EXPOSITION
"BÊTISE ET BALIVERNES, IDÉES REÇUES SUR LA NATURE"

« les chauves-souris s'accrochent dans les cheveux » ; « les grenouilles sont vertes et les crapauds marron » ; « les moustiques préfèrent les peaux sucrées… », autant d’idées reçues et de fausses informations qui ont souvent la vie dure ! Une scénographie originale et les illustrations humoristiques de Roland Garrigue raviront aussi bien les petits que les grands !

Centre EDEN
26 rue de l’Eglise
71290 Cuisery
03 85 27 08 00
www.centre-eden71.fr


88 - Vosges

Du 6 juillet au 30 août

ANIMATIONS SCIENCES
PLANÉTARIUM EPINAL

Qui n'a jamais rêvé de faire décoller une fusée (en papier) ? Ce sera possible cet été ! L'atelier "réveillez vos sens", quant à lui, sera parfait pour les enfants à partir de 3 ans. Nous proposons également des soirées d'observation du ciel du soir, une initiation à la paléontologie, la découverte des petites bêtes qui peuplent la mare du Planétarium et bien d'autre choses encore !

Planétarium Epinal
Rue Dom Pothier
88000 Epinal
03 29 35 08 02
www.planetarium-epinal.com

Lieux:

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