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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.

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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.

LE GUIDE Naturellement

Agenda . . .

04 - Alpes de Haute-Provence

20 mai
RANDONNÉE VTT "LA JARLANDINE"

Randonnées en VTT sur la montagne de Lure ouvert à tous, dans un département avec 5000 km d’itinéraires balisés, 240 circuits, mais aussi 3 Grandes Traversées VTT, testées et approuvées par la presse VTT nationale et internationale. Tarif spécial pour les hébergements au camping Sunêlia l’Hippocampe à Volonne.

Ville de Château-Arnoux-Saint-Auban
Hôtel de Ville
1 rue Victorin Maurel
04160 Château-Arnoux-Saint-Auban
04 92 33 20 00
http://www.chateau-arnoux-saint-auban.fr


3 au 7 août
CORSO DE LA LAVANDE

Au pays des champs de lavande, très joli Corso de fleurs avec des parades de jour et de nuit, animations musicales, marché artisanale, feu d’artifice.

Comité des fêtes
1 boulevard Martin Bret
04000 Digne-les-Bains
06 34 41 86 29
www.cdf-dignelesbains.fr


30 juin au 6 juillet
CHAMPIONNAT DE PARAPENTE OZONE

Compétition amicale de parapente entre les différents pilotes mondiaux et expérimentés, avec des vols dans une zone magnifique au départ de la montagne de Chabre dans la Vallée de la Méouge !

Montagne de Chabre
Châteauneuf de Chabre
05300 Val Buëch-Méouge
04 92 65 09 38


30 - GARD

14 avril au 1er mai
"VENEZ VOLER DANS LA GROTTE DE LA SALAMANDRE"

Vivez une expérience extraordinaire : voler en ballon dans une énorme caverne… Embarquer dans l’’Aéroplume, un ballon plus léger que l’’air, mu par la force humaine.

Grotte de la Salamandre
30430 Méjannes le Clap
04 66 600 600
www.grottedelasalamandre.com


42 - LOIRE

10 janvier au 31 mai
EXPOSITION "FIBRES"

L'exposition présente l'origine, les caractéritstiques et l'utilisation de fibres végétales, animales et synthétiques que l'on retrouve dans l'industrie textile et au quotidien.
Une section consacrée à l'utilisation de fibres diverses dans la création artistiques présente des oeuvres d'Anne Mangeot et Ghislaine Berlier Garcia.

La Maison du Passementier
20 rue Victor Hugo
42650 Saint-Jean-Bonnefonds
04 77 95 09 82
www.ville-st-jean-bonnefonds.fr/-maisondupassementier-


50 - MANCHE

5 février au 31 août
EXPOSITION "SCIENCES EXTRAORDINAIRES"

"Des récits de Jules Verne aux mondes de demain". Une exposition entièrement consacrée à l’auteur et sa vision de l’univers futuriste.

Planétarium Ludiver
1700 rue de la Libération
Tonneville - 50460 La Hague
02 33 78 13 80
www.ludiver.com


18 et 19 juillet
FESTIVAL DE FUSÉES À EAU

Venez fabriquez la plus belle fusée et surtout la plus rapide !
•Ateliers de construction de fusées à eau en continu pour toute la famille
•Décollages de vos fusées dans le parc paysager

Planétarium Ludiver
1700 rue de la Libération
Tonneville - 50460 La Hague
02 33 78 13 80
www.ludiver.com


3 août
NUIT DES ÉTOILES

A l’occasion de cette soirée exceptionnelle, les visiteurs découvriront gratuitement les mystères de la voûte céleste dès 20h et tout au long de la soirée. De nombreuses animations adaptées à chaque public, ponctueront cette soirée. Des ateliers spécialement adaptés au jeune public et aux familles seront proposés.

Planétarium Ludiver
1700 rue de la Libération
Tonneville - 50460 La Hague
02 33 78 13 80
www.ludiver.com


70 - Haute-Saône

3 avril au 30 septembre
EXPOSITION « MARTIN LUTHER KING »

Maison de la Négritude et des Droits de l'Homme
25 Grande Rue
70290 Champagney
03 84 23 25 45
http://www.maisondelanegritude.fr


83 - Var

17 et 18 mars
5ÈME JOURNÉES DES PLANTES RARES ET DE COLLECTION
Domaine d’Orvès, jardin remarquable

Le Domaine d’Orvès
71 avenue de la Libération (D46)
83160 La-Valette-du-Var
04 94 20 53 25
www.domainedorves.fr

Lieux:

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