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Chap  2 - Caractéristiques des ondes ELEVE Correction ver 2

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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 1 er 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.

Le rayonnement X est engendré en faisant onduler des électrons accélérés à l'aide d'aimants ( ci-dessous, une section d'un des ondulateurs). © Heiner Müller-Elsner / European XFEL.

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.

Le site du laser X à électrons libres européen à Hambourg. Les électrons sont accélérés de droite à gauche sur cette image.

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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 1 er septembre à Hambourg, en Allemagne.

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QCM Web - Le site du QCM en ligne. (Sciences Physiques et SVT)

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Tout sur l’acoustique par David Louapre de ScienceEtonnante - I Phyz Good #01 - String Theory

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Peut-on jouer de la guitare dans une cathédrale ? Qu'est ce qu'une chambre anéchoïque ? Pour avoir la réponse à ces questions et tout savoir sur l'acoustique regardez I Phyz Good avec David Louapre de ScienceEtonnante.

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Pour apprendre , réviser