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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 . . .

03 - Allier

Du 1er juin au 30 septembre
Exposition "L'ARTISANAT AU FIL DU TEMPS"

Maison de la Combraille
Place Pierre Bitard
03420 Marcillat-en-Combraille
04 70 51 10 23
maisondelacombraille.over-blog.com


Du 3 au 22 juillet
Exposition :  "LA BARBE A TRAVERS LES TEMPS"

Les rasophiles d'Oc et Oïl. Collection de rasoirs et objets s'y rapprochant au fil de l'histoire.

Maison de la Combraille
Place Pierre Bitard
03420 Marcillat-en-Combraille
04 70 51 10 23
maisondelacombraille.over-blog.com


25 juillet
Découverte nature
HAUTE VALLE DE CHER, TERRE DE CONFINS

Histoire et lecture de paysages, faune et flore. Encadrée par Renée Couppat (Chemin de Travers).

Maison de la Combraille
Place Pierre Bitard
03420 Marcillat-en-Combraille
04 70 51 10 23
maisondelacombraille.over-blog.com


04 - Alpes de Haute-Provence

Du 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


05 - Hautes Alpes

Du 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


07 - Adèche

Du 1er mai au 15 novembre
Exposition "ENTRE TERRE ET EAU"

Crises sociales et environnementales dans le Delta du Danube en Roumanie, à la fin du Néolithique. A près de 2 000 km de l'Ardèche, comment se passe la fin de la Préhistoire au bord du fleuve et de la Mer Noire ? Une exposition franco-roumaine inédite, interactive et immersive, à découvrir à la Cité de la Préhistoire !

Grand Site de l’Aven d’Orgnac
Place Robert de Joly
07150 Orgnac–L’Aven
04 75 38 65 10
www.orgnac.com


14 - Calvados

24 juin
Visite guidée "ODYSSÉE JURASSIQUE"

Partez à la découverte du monde jurassique à travers les fossiles trouvés à Villers-sur-Mer avec l’un des médiateurs scientifiques du musée. Une visite ludique et pleine de découvertes pour petits et grands. Durée : 1h00.

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


Jusqu’au 29 février 2020
Exposition
"LES REQUINS ! 430 MILLIONS D’ANNÉES D’ÉVOLUTION"

Découvrez la grande diversité des requins, allant d’espèces de petites tailles, jusqu’aux poissons géants dont les dents sont plus grandes qu’une main humaine.
Cette exposition évoque également le grand danger auquel ils sont confrontés : l’Homme. Venez découvrir de nouvelles espèces et apprendre en vous amusant grâce à une fresque digitale.

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


21 - Côte d'Or

Jusqu’au 6 janvier 2019
Exposition "GRAINES"

Elles sont partout… Du petit-déjeuner au coucher, dans nos vêtements, dans notre alimentation, dans nos parcs et jardins… sans même y penser elles font partie de notre quotidien et sont un pilier de la biodiversité végétale.
Cette nouvelle exposition, très ludique, propose à tous les visiteurs de découvrir une grande variété de graines d’ici et d’ailleurs et de s’interroger sur leurs enjeux dans un contexte de changement climatique et sociétal.

Le Jardin des sciences
Parc de l’Arquebuse
21000 Dijon
03 80 48 82 00
www.dijon.fr


Du 27 mai au 3 septembre
Exposition de plein-air
"AMIS POLLINISATEURS, BIENVENUE EN VILLE !"

En ville vivent des centaines d'espèces d'insectes, dont beaucoup jouent un rôle très utile pour les humains : en butinant de fleurs en fleurs à la recherche de nourriture, ils transportent le pollen, assurant ainsi la reproduction d'un grand nombre de plantes. Ce sont des pollinisateurs !

Le Jardin des sciences
Parc de l’Arquebuse
21000 Dijon
03 80 48 82 00
www.dijon.fr


30 - Gard

Du 5 mai au 30 septembre
"O3" Rétrospective de 25 ans de l'art du cube

Nicolas GAL, peintre plasticien présentera une Dériode de création en cube, des oeuvres de jeunesse où est figurée avec les mythes méditerranéens, jusqu'à des oeuvres plus récentes dénonçant l'exil moderne lié à l'eau.

La Maison de l'eau
30122 Les Plantiers
04 66 30 36 55 / 04 66 25 83 41
www.caussesaigoualcevennes.fr


50 - MANCHE

Du 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


61 - Orne

Du 14 juillet au 16 septembre

Expositions
"COMPLICITÉS, IMAGES D'UN VÉTÉRINAIRE DE CAMPAGNE"
"VAISSELLE DE GUERRE, OU DU FRICHTI À L’ASSIETTE COMMÉMORATIVE"

Ecomusée du Perche
Prieuré de Sainte-Gauburge
61130 Saint-Cyr-la-Rosiere
02 33 73 48 06
www.ecomuseeduperche.fr


Du 13 octobre au 23 décembre
Exposition : "LES HAIES", Joël Auxenfans

Ecomusée du Perche
Prieuré de Sainte-Gauburge
61130 Saint-Cyr-la-Rosiere
02 33 73 48 06
www.ecomuseeduperche.fr


65 - Hautes-Pyrénées

21 juillet
Visite : "LES ANIMAUX DE GARGAS"

Une fois n’est pas coutume, ce sont les animaux qui seront à l’honneur pendant cette soirée. Ils sont gravés ou peints sur les parois, ils ont été mangé par les gravettiens, ils ont vécu ou vivent encore dans la grotte…
1h30 de visite – Limité à 24 personnes. Rdv 21h15.

Grottes de Gargas / Nestplori@
Rd 261
65660 Aventignan
05 62 98 81 50
www.grottesdegargas.fr


4 août
GRAVER, PEINDRE DANS UNE GROTTE : UNE EXPÉDITION SOUTERRAINE

Aller au fond d’une grotte pour peindre ou graver n’est pas une chose anodine ! Évoluer sur un sol accidenté, marcher, ramper ou encore escalader des parois dans l’obscurité et l’humidité montre que nos ancêtres prenaient des risques insensés ! 1h00 de visite – Démonstration d’allumage de feu selon la technique de la percussion, 30 min – Limité à 24 personnes.

Grottes de Gargas / Nestplori@
Rd 261
65660 Aventignan
05 62 98 81 50
www.grottesdegargas.fr


67 - Bas-Rhin

Jusqu'au 31 août
Expostion temporaire
"L'ODYSSEE DES FLUTES"

Au cours de sa vie le collectionneur Charles Tripp a réuni plus de 1 000 flûtes provenant du monde entier. Environ 200 de ses instruments sont présentés dans le parcours de visite de Point d'Orgue.

Centre d’Interprétation du Patrimoine
Point d’Orgue

50 rue du Couvent
67440 Marmoutier
03 88 71 46 84
www.cip-pointdorgue.fr


70 - Haute-Saône

► Du 3 avril au 30 septembre
EXPOSITION "MARTIN LUTHER KING"

Cette exposition retrace la vie et les combats menés par 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

Lieux:

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