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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 . . .

14 - CALVADOS

Du 1er avril au 5 novembre
"DINOSAURES CARNIVORES !"

Les théropodes, animaux bipèdes et carnivores, constituent le groupe de dinosaures dont les silhouettes sont les plus connues. Ils ont vécu sur terre entre -220 millions et -66 millions d’années et hantent l’imaginaire des enfants.

Paléospace
Avenue Jean Moulin
14640 Villers-sur-Mer
02 31 81 77 60
www.paleospace-villers.fr


21 - COTES-D'OR

Du 8 avril 2017 au 7 janvier 2018
"SAUVAGES"

Lynx boréal, Ours brun, Loup gris, Renard roux et Loutre d'Europe.
Cette nouvelle exposition propose une mise en scène originale adaptée à un public familial. De nombreuses illustrations, schémas, spécimens naturalisés, pièces archéologiques et ostéologiques, témoignages d’experts… apportent des éléments objectifs, de façon claire et synthétique sur ces cinq Mammifères Carnivores. Le visiteur pourra ainsi, en toute connaissance de cause, avoir un avis éclairé sur la place qu’il serait prêt à leur laisser.

Jardin des sciences
Avenue Albert 1er & 14 rue Jehan de Marville (Parc de l’Arquebuse)
21000 Dijon
03 80 48 82 00
www.dijon.fr


40 - LANDES

Du 15 avril au 26 novembre

"L'ART DES CHASSEURS PRÉHISTORIQUES"

A travers cette exposition, la Maison de la Dame propose de découvrir toutes les facettes de l'art des chasseurs préhistoriques.

La Maison de la Dame de Brassempouy
404 rue du Musée
40330 Brassempouy
05 58 89 21 73
www.prehistoire-brassempouy.fr


41 - LOIR-ET-CHER

Du 29 avril au 1er octobre
SPECTACLE DE CHEVAUX ET RAPACES
"FRANÇOIS 1ER LE ROI-CHEVALIER"

Dans les écuries du maréchal de Saxe, partez pour une grande cavalcade au rythme des chevaux. Des rapaces peuvent frôler vos épaules et l’ambiance vous plonge à la cour de François Ier : son règne n’a plus de secret pour vous.

Domaine national de Chambord
41250 Chambord
02 54 50 40 00
www.chambord.org


Du 1er juillet au 15 octobre
"GASTON D'ORLEANS, PRINCE MÉCÈNE ET REBELLE"

Cette exposition a pour but de réhabiliter Gaston d'Orléans, un prince méconnu et controversé de l'Histoire de France.

Château Royal de Blois
Place du Château
41000 Blois
02 54 90 33 33
www.chateaudeblois.fr


Du 4 au 8 octobre
20ème RENDEZ-VOUS DE L'HISTOIRE : EURÊKA

La 20ème édition des rendez-vous de l'histoire aura lieu du 4 au 8 octobre à Blois avec pour thème : Eurêka.

41000 Blois
www.rdv-histoire.com


42 - LOIRE

Du 7 septembre au 22 octobre

EXPOSITION DE PHOTOGRAPHIES
"LA NOUVELLE VIE DES ATELIERS DE PASSEMENTIERS"

Le photographe Jean-Claude Martinez a saisi la manière dont ces anciennes fabriques de Saint-Etienne, celles de Haute-Loire et dans le Pilat, ont été réhabilitées et réinvesties aujourd’hui en lofts, bureaux ou encore ateliers d’artisans d’art.

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


44 - LOIRE ATLANTIQUE

29, 30 et 31 octobre

HALLOWEEN AU ZOO

Pour découvrir le parc autrement : enquêtes, déguisement, bonbons, citrouilles, l’équipe et le zoo changent de couleurs pour trois journées hors du commun !

Zoo de la Boissière du Doré
La Chataigneraie
44430 La Boissière du Doré
02 40 33 70 32
www.zoo-boissiere.com


49 - MAINE ET LOIRE

Du 21 octobre au 5 novembre

CONTES ET RACONTÉES
(Spécial 3 à 9 ans)

Les raconte-tapis débarquent au Bioparc pour plonger les enfants dans l’univers des contes animaliers ! Réunis autour de ces magnifiques créations tissées mains animées par nos soigneurs, les enfants découvrent le terrain d’aventure des personnages de l’histoire. Une belle occasion de transmettre le plaisir de lire !

Bioparc
103 rue de Cholet
49700 Doué la Fontaine
02 41 59 18 58
www.bioparc-zoo.fr


62 - PAS-DE-CALAIS

 21 et 22 octobre
"COMMENT LA TERRE DEVINT RONDE"

Au sein d’un décor médiéval, la compagnie « Lys et Lion » présentera aux visiteurs des cartes et des documents relatant l’évolution et l’amélioration de la cartographie, ainsi que des instruments de mesure et de navigation.

Centre Historique Médiéval
24 rue Charles VI
62310 Azincourt
03 21 47 27 53      
www.azincourt1415.fr


 Du 27 octobre au 3 novembre
EXPOSITION PLAYMOBIL

Profitez des vacances scolaires pour voyager à travers le temps grâce à ces incroyables scénettes qui seront réparties sur plus de 150m² : l’arrivée des vikings à bord de leurs magnifiques drakkars, ou encore les fêtes, les banquets et les tournois de chevalerie qui se sont déroulés durant la célèbre rencontre du Camp du Drap d’Or…

La Tour de l’Horloge
Rue du Château
62340 Guînes
03 21 19 59 00


70 - HAUTE-SAONE

Du 29 septembre au 22 décembre
"LA SÉGRÉGATION ET LA GLOIRE, LES SOLDATS NOIRS-AMÉRICAINS AU CŒUR DE LA GRANDE GUERRE"

Cette exposition traite de l’engagement des noirs-américains dans la 1ère guerre mondiale. Ces derniers bien que libérés de l’esclavage en 1865 subissaient alors des discriminations économiques et sociales auxquelles s’ajoutaient dans les états du Sud des Etats-Unis, la ségrégation raciale.

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


87 - HAUTE-VIENNE

Du 1er avril au 5 novembre
"ENTRE FEMMES & PAPILLONS - DE PORCELAINE & DE PAPIER"

Cette exposition présente le travail de deux artistes françaises. Juliette Clovis nous propose ses "Jungles humaines" en porcelaine, bustes de femme se métamorphosant en êtres hybrides. Marion Vattan nous offre une envolée de papillons en origami.

La Cité des insectes
Chaud - 87120 Nedde
05 55 04 02 55
www.lacitedesinsectes.com

Lieux:

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