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Quels sont les domaines d'applications ?

Dossier - Synchrotron-Soleil, accélérateur de particules du futur
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SOLEIL est une source de lumière extrêmement puissante qui permet d'explorer la matière, inerte ou vivante. Plus concrètement, c'est un accélérateur de particules qui produit un rayonnement synchrotron.

  
DossiersSynchrotron-Soleil, accélérateur de particules du futur
 

L'utilisation du rayonnement synchrotron concerne un très large ensemble d'activités de recherche, que ce soit en recherche fondamentale pour les sciences de la matière et celles du vivant, ou en recherche appliquée.

En recherche fondamentale, SOLEIL couvrira des besoins en physique, chimie et en sciences des matériaux, en sciences du vivant (notamment en cristallographie des macromolécules biologiques), en sciences de la terre et de l'atmosphère. Il offrira l'utilisation d'une large gamme de méthodes spectroscopiques depuis l'infrarouge jusqu'aux rayons X, et de méthodes structurales en diffraction et diffusion X.

En recherche appliquée, SOLEIL sera utilisé dans des domaines très différents tel que la pharmacie, le médical, la chimie et la pétrochimie, l'environnement, le nucléaire, l'industrie automobile, mais aussi les nanotechnologies, la micromécanique et la microélectronique, etc.....

SOLEIL développera également une politique volontariste d'ouverture vers les applications pour l'industrie et les grands enjeux nationaux (environnement, énergie...), avec le souci de favoriser l'accès des PME/PMI aux techniques de rayonnement synchrotron.

 
  • Sonde exceptionnelle pour la physique
des propriétés électroniques et magnétiques, SOLEIL fera progresser les recherches fondamentales et appliquées.

Il sera utile par exemple vers une nouvelle électronique et le stockage magnétique d'informations à ultra-haute densité.

- A : Concevoir les matériaux de demain

(BESSY, Ligne de microspectrométrie)
A : coupe d'un composé sandwich (fer/chrome/fer)
B : deux domaines magnétiques sont présents sur le substrat de fer, avec les directions d'aimantation représentées par les deux flèches.
C et D : visualisation du fer de la couche superficielle, selon deux directions perpendiculaires.
E : sens d'aimantation dans les domaines magnétiques.

La partie entourée signale la combinaison magnétique qui permet de faire le lien entre deux directions opposées et de progresser vers la miniaturisation.

Pour concevoir des matériaux susceptibles de stocker de grandes quantités d'informations et ainsi, réaliser les composants magnétiques de demain, il est nécessaire de préciser la composition et le comportement de ces nouveaux matériaux à une échelle submicronique. En combinant les propriétés de focalisation spatiale et d'accordabilité en énergie du rayonnement synchrotron, on peut produire de manière très sélective une image de la surface d'échantillons très variés. De plus, si l'on utilise son état de polarisation, on a accès également à l'état magnétique local de l'échantillon : c'est la spectromicroscopie magnétique, technique nouvelle qui verra son plein essor à SOLEIL.

En étudiant la différence de réponse d'un système (ici un matériau) à une excitation en lumière polarisée circulairement (gauche puis droite), on peut par exemple établir la cartographie de l'orientation de l'aimantation de micro-domaines magnétiques. Ils résultent de la superposition de couches d'atomes (on dit "composé sandwich") aux propriétés magnétiques différentes.

- B : Fabriquer des micro-moteurs

La fabrication des micro-pièces repose sur le principe du pochoir : un cache définit le contour de la pièce à fabriquer.

Procédé LIGA : Lithographie profonde et électrodéposition

Grâce aux rayons X, le rayonnement synchrotron réalise une sorte de "gravure" dans une résine : c'est la lithographie profonde, qui permet de fabriquer les moules de minuscules pièces avec une précision inégalée.

L'image ci-contre montre des exemples de micro-objets obtenus au LURE par le procédé LIGA ; la largeur des dents de la plus petite roue est d'environ 25 microns. Les micro-roues dentées peuvent être assemblées en micro-engrenages, qui sont intégrés dans des micromoteurs potentiellement utilisables en médecine par exemple.

Le moule de résine peut ensuite être reproduit dans des matériaux très divers : métaux, céramique, verre, polymères, utilisés par exemple en microchirurgie pour remplacer ou faire fonctionner certains organes défaillants.

  • En médecine et en biologie
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Il est utilisé pour la recherche de nouveaux médicaments, l'imagerie des vaisseaux sanguins, des tissus osseux ou des constituants de la cellule.

- A : Préciser les diagnostics pour adapter les traitements

Dans les synchrotrons de 3ème génération, la cohérence des faisceaux permet de visualiser la matière en 3D, même si elle n'absorbe que très peu la lumière. Cette technique d'imagerie (dite "par contraste de phase") est particulièrement adaptée pour visualiser des détails de la matière vivante, car à l'inverse des radiographies X habituelles, elle permet d'obtenir une image contrastée même si la matière absorbe peu le rayonnement.

L'exemple ci-dessus montre l'évolution dégénérative de l'os iliaque d'une patiente atteinte d'ostéoporose. Les détails des structures ainsi obtenus permettent de mieux comprendre la maladie et son évolution au cours du temps.

Chaque faisceau est une onde lumineuse qui ondule selon un certain rythme (sa phase). Lorsqu'un tel faisceau intercepte un échantillon, sa phase va être modifiée localement en fonction de la quantité de matière (l'indice) rencontrée. En plaçant un détecteur suffisamment loin de la cible, on peut mesurer des figures d'interférences induites par les différences de phase, qui permettent de reconstituer en trois dimensions la structure du milieu traversé.

- B : Apprivoiser les protéines, ces microscopiques briques de la vie

Structure cristalline « simple » du chlorure de sodium. Cette structure a été déterminée vers 1920, avec un tube à rayons X.

Une application importante des rayons X, mise en œuvre dès le début du 20ème siècle, est l'étude des structures cristallines. Pour les structures simples (le chlorure de sodium par exemple), des tubes à rayons X suffisent. Mais pour les structures complexes comme les protéines, il est nécessaire d'utiliser des rayons X de très haute énergie (de très faible longueur d'onde), que des synchrotrons comme SOLEIL savent produire.

Structure d'une sous-unité du ribosome, assemblage complexe de protéines et d'acides nucléiques. L'organisation de cette extraordinaire micro-machine, constituée de dizaines de milliers d'atomes, n'aurait pu être élucidée sans le rayonnement synchrotron.ESRF— Ligne de cristallographie)

Certaines lignes de lumière de SOLEIL seront spécialisées dans la « cristallographie des protéines ». Les clichés de diffraction de rayons X sur des cristaux de protéine permettront de connaître leur structure atomique et leur fonction, pour mieux comprendre comment agissent certains antibiotiques, et ainsi, d'en concevoir de plus efficaces. C'est un des enjeux de la biologie contemporaine.

Vue du synchrotron soleil

Les expériences de biologie représentent 20 % du total de l'activité du synchrotron de LURE. L'une des évolutions marquantes prévues pour SOLEIL dans ce domaine porte sur la réduction considérable de la durée des manipulations, avec un temps d'acquisition des données de cristallographie passant d'une vingtaine de minutes à quelques secondes, ce qui augmentera considérablement le nombre de projets accueillis.

Les protéines sont des macromolécules codées par les gènes de l'ADN. Elles assurent le fonctionnement de nos cellules.

La fonction des protéines dépend de leur structure spatiale, c'est-à-dire de l'arrangement de leurs atomes constitutifs dans l'espace. On le détermine par la méthode de la cristallographie, en utilisant un petit cristal de la protéine étudiée. Le diagramme de diffraction obtenu en éclairant ce cristal avec des rayons X permet, après une analyse mathématique complexe, de remonter à la structure tridimensionnelle de la protéine. Le rayonnement synchrotron est si intense qu'il permet d'enregistrer les données de diffraction très rapidement et avec des cristaux très petits, jusqu'à quelques microns. La possibilité de changer à volonté la longueur d'ondes de ce rayonnement est aussi mise à profit pour la "résolution" de la structure.

On connaît maintenant les génomes de nombreux organismes, des bactéries pathogènes à l'homme. L'étape suivante est la détermination de la structure d'un très grand nombre des protéines codées par ces génomes. La cristallographie est la méthode essentielle pour effectuer ces analyses systématiques. L'utilisation du rayonnement synchrotron va donc s'intensifier, avec des lignes de lumière robotisées. Les retombées attendues sont considérables, au plan fondamental comme au plan des applications médicales et biotechnologiques.

  • La chimie et sciences de l'environnement

La chimie profite également de cette technologie de haut niveau détection de substances polluantes dans l'environnement, optimisation du fonctionnement des pots catalytiques, élaboration de nouveaux matériaux.

- A : Préserver l'environnement

2+) indispensable à la croissance de la plante. L'image A représente la racine d'un épi de blé et ses radicelles.

A partir des agrandissements B et C d'une des radicelles, il est possible de visualiser les zones où le manganèse est plus ou moins oxydé (forme Mn2+ ou Mn4+), seule la forme la moins oxydée,Mn2+, étant assimilable par la plante.

En effet, l'image B montre une concentration globale du manganèse (en rouge) importante dans la radicelle.
L'image C, prenant en compte le degré d'oxydation du manganèse, montre que Mn2+ (en rouge) reste localisé en périphérie, Mn4+ (en pourpre) étant présent dans toute la radicelle ; le champignon transforme le manganèse en Mn4+ et empêche alors Mn2+ de pénétrer dans la plante.

Un des atouts du rayonnement synchrotron est son accordabilité en énergie, c'est-à-dire que son énergie peut être facilement et précisément sélectionnée. En examinant comment, à quel endroit et dans quelle proportion un échantillon absorbe la lumière, on peut déterminer sa composition chimique et la forme chimique des différents éléments mis en évidence. Cette technique est très performante, en particulier en sciences de l'environnement où la toxicité de nombreux composés dépend non seulement de leur nature, de leur quantité mais aussi de leur état chimique.

  • La géophysique

Elle bénéficie aussi des performances de cet outil pour la connaissance de la structure des matériaux du manteau terrestre.

- A : Le rayonnement X de SOLEIL

très focalisé, est un outil idéal pour déterminer la structure cristallographique des matériaux situés à l'intérieur de la Terre, où règnent des températures et des pressions très élevées. Dans le manteau inférieur, par exemple, la pression est de 50 GPa et la température de 3000 °C.

La structure des matériaux se modifie avec la température et la pression.

A l'intérieur de la Terre, la température et la pression augmentent très rapidement avec la profondeur (en moyenne 3 degrés et 3,5 kPa* par m² tous les 100 mètres), modifiant ainsi la structure des matériaux qui la composent. L'étude de la dynamique du manteau terrestre nécessite une bonne connaissance de ces structures. * kilo Pascal

La focalisation de SOLEIL pour étudier les profondeurs de la Terre.

Reproduire, en laboratoire, les conditions extrêmes qui règnent à l'intérieur de la Terre n'est possible qu'en utilisant un chauffage laser et des « enclumes » en diamant dont la pointe est de très petite taille.

Le rayonnement X de SOLEIL, focalisé lui aussi sur quelques dizaines de microns, permet d'étudier la zone de l'échantillon où ces conditions de pression et température sont homogènes et d'identifier via des techniques de diffraction X et de spectroscopie d'absorption, des changements de phase à l'intérieur de la Terre : phases solides et liquides.