Les signatures des états mésoscopiques de la matière

ACADÉMIE EUROPÉENNE INTERDISCIPLINAIRE DES SCIENCES INTERDISCIPLINARY EUROPEAN ACADEMY OF SCIENCES

Description

L’objet de ce quatrième livre de la collection de l’AEIS est de présenter des résultats issus d’un champ de recherche très actif où des propriétés particulières intrinsèques apparaissent dans le domaine mésoscopique en physique, chimie et biologie. Le domaine mésoscopique est une échelle spatiale intermédiaire entre l’échelle dite microscopique et celle dite macroscopique de la matière. Dans ce domaine mésoscopique des propriétés spécifiques de la matière émergent. Ces propriétés conduisent à des applications fort importantes dans des domaines aussi différents que la physique des isolants et des supraconducteurs, celle sous-jacente à l’informatique quantique, les procédés de chimie séparative, la chimie à l’oeuvre dans l’élaboration de matériaux micro-poreux, la biophysique de l’ADN, les mécanismes cellulaires, la dynamique des composants synaptiques et leurs méthodes d’observation, la mécanique des microstructures végétales. Ces domaines ont pour caractère commun d’être relativement nouveaux et en pleine expansion, de se situer tous, dans le champ élargi de leurs disciplines, à des échelles intermédiaires non accessibles auparavant, mais où les mécanismes à l’oeuvre sont complexes, difficiles à analyser, et jouent un rôle majeur. 
Cette présentation interdisciplinaire du monde mésoscopique en physique, chimie et biologie montre l’extraordinaire richesse des propriétés de la matière inerte et de la matière vivante qui se révèle aux différentes échelles de la mésoscopie ainsi que le potentiel d’applications très important et varié qui va de la compréhension des mécanismes du vivant aux applications médicales, instrumentales et industrielles les plus avancées. Elle permet aussi une vision holistique du comportement de la matière inerte et de la matière vivante dans des dimensions spatiales particulières. 

La collection del’AEIS..............................................................................................4

Introductiongénérale................................................................................................5

PREMIÈRE PARTIE

Expériences et modèles mésoscopiques en physique et enchimie

Présentation................................................................................................................21

Chapitre 1 : Expériences d’optique électronique dans les conducteurs quantiques... 25

Chapitre 2 : Les circuits mésoscopiques supraconducteurs quantiques.....................45

Chapitre 3 : Topologie et physique quantique mésoVcopique..................................57

Chapitre 4 : Modélisation multi-échelle pour la chimie à l’échelle mésoscopique :l’exemple de la chimie séparative.......................................................... 79

Chapitre 5 : S’inspirer de la nature pour construire des matériaux poreux multi échelle...........................................................................................101

SECONDE PARTIE

Quels niveaux mésoscopiques en biologie ?

Présentation................................................................................................................125

Chapitre 6: Single molecule detection, or « there is more room at the bottom »..... 129

Chapitre 7 : Organisation spatiale et temporelle à l’échelle mésoscopique

d’une protéine de signalisation cellulaire............................................... 149

Chapitre 8 : Signatures statistiques des interactions biologiques

dans les environnements cellulaires hétérogènes...................................167

Chapitre 9 : Énigmes posées par la mémoire et l’apprentissage................................ 189

Chapitre 10 : Progrès récents dans le transport de molécules

au travers des membranes cellulaires................................................... 193

Chapitre 11 : Covid 19, recherche et traitement V antiviraux: où en est-on ?...........213

Chapitre 12 : Des systèmes et matériaux (ré)actifs chez les plantes..........................227

Épilogue......................................................................................................................243

Remerciements...........................................................................................................251

Présentation de l’Académie Européenne Interdisciplinaire des sciences.............253

Sujets

• Condensed Matter
• Sciences et techniques
• Physical attractiveness
• Physics
• Expansion
• Informatique quantique
• Science
• Physique
• Chimie
• Biologie

Informations

• Publié par: EDP Sciences
• Date de parution: 30 octobre 2023
• Nombre de lectures: 0
• EAN13: 9782759834891
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 46 Mo

Extrait

ACADÉMIE EUROPÉENNE INTERDISCIPLINAIRE DES SCIENCES INTERDISCIPLINARY EUROPEAN ACADEMY OF SCIENCES

LES SIGNATURES DES ÉTATS MÉSOSCOPIQUES DE LA MATIÈRE

Gilbert Belaubre Eric Chenin Gilles Cohen-Tannoudgi Ernesto Di Mauro Abdel Kenoufi Victor Mastrangelo Pierre Nabet Jean Schmets JeanPierre Treuil

ACADÉMIE EUROPÉENNE INTERDISCIPLINAIRE DES SCIENCES INTERDISCIPLINARY EUROPEAN ACADEMY OF SCIENCES

LES SIGNATURES DES ÉTATS MÉSOSCOPIQUES DE LA MATIÈRE Bruno CANARD (Laboratoire Architecture et fonction des macromolécules biologiques-unité mixte CNRS/Aix-Marseille Université) ; Mathieu COPPEY ( Imagerie et contrôle de l’organisation cellulaire (LOCCO) UMR168 – Laboratoire Physico-Chimie Institut CURIE) ; Jean-François DUFRÊCHE (Laboratoire Modélisation Mésoscopique et Chimie Théorique (LMCT) Institut de Chimie Séparative de Marcoule ICSM UMR 5257 /CEA / CNRS / Université de Montpellier / ENSCM) ; Daniel ESTÈVE (membre de l’Académie des Sciences, Service de Physique de l'État Condensé CEA-Saclay, Groupe Quantronique Ordinateur quantique) ; Gwendal FÈVE (Sorbonne Université, Laboratoire de Physique Pierre AIGRAIN de l'ENS-Ulm) ; Olivier HAMANT (Laboratoire de Reproduction et développement des plantes École Normale Supérieure de Lyon) ; Abdel KENOUFI (AEIS-Paris) ; Jean-Baptiste MASSON Institut Pasteur / CNRS UMR 3571 / Institut Prairie Département de biologie informatique et Département des neurosciences) ; Christophe MORA (Université Paris Diderot Laboratoire de Physique Pierre AIGRAIN de l’ENS-Ulm) ; SandrineSAGAN ( Laboratoire des BioMolécules LBM UMR 7203 ENS-Ulm - Laboratoire des BioMolécules) ; Clément SANCHEZ ( membre de l’Académie des Sciences, Chaire de « Chimie des Matériaux Hybrides », Collège de France, Chimie de la Matière Condensée de Paris, UMR 7574-UPMC/CNRS/Collège de France) ; Terence STRICK (Équipe Nanomanipulation de biomolécules Institut Jacques Monod Université Paris Diderot et Institut de Biologie de l’ENS-IBENS) ; Jean-Pierre TREUIL (AEIS-Paris).

L’objet de ce quatrîème lîvre de la collectîon de l’AEIS est de présenter des résultats îssus d’un champ de recherche très actîF où des proprîétés partîculîères întrînsèques apparaîssent dans le domaîne mésoscopîque en physîque, chîmîe et bîologîe. Le domaîne mésoscopîque est une échelle spatîale întermédîaîre entre l’échelle dîte mîcroscopîque et celle dîte macroscopîque de la matîère. Dans ce domaîne mésoscopîque des proprîétés spécîiques de la matîère émergent. Ces proprîétés conduîsent à des applîcatîons Fort împortantes dans des domaînes aussî dîférents que la physîque des îsolants et des supraconducteurs, celle sous-jacente à l’înFormatîque quantîque, les procédés de chîmîe séparatîve, la chîmîe à l’oeuvre dans l’élaboratîon dFmatérîauxNJDSPporeux, la bîophysîque de l’ADN, les mécanîsmes cellulaîres, la dynamîque des composants synaptîques et leurs méthodes d’observatîon, la mécanîque des mîcrostructures végétales. Ces domaînes ont pour caractère commun d’être relatîvement nouveaux et en pleîne expansîon, de se sîtuer tous, dans le champ élargî de leurs dîscîplînes, à des échelles întermédîaîres non accessîbles auparavant, maîs où les mécanîsmes à l’oeuvre sont complexes, dîcîles à analyser, et jouent un rôle majeur.Cette présentatîon înterdîscîplînaîre du monde mésoscopîque en physîque, chîmîe et bîologîe montre l’extraordînaîre rîchesse des proprîétés de la matîère înerte et de la matîère vîvante quî se révèle aux dîférentes échelles de la mésoscopîe aînsî que le potentîel d’applîcatîons très împortant et varîé quî va de la compréhensîon des mécanîsmes du vîvant aux applîcatîons médîcales, înstrumentales et îndustrîelles les plus avancées. Elle permet aussî une vîsîon holîstîque du comportement de la matîère înerte et de la matîère vîvante dans des dîmensîons spatîales partîculîères.

ISBN : 97827598

LES SIGNATURES DES ÉTATS

MÉSOSCOPIQUES DE LA MATIÈRE

              

ISBN (papier) : 978-2-7598--

ISBN (ebook) : 978-2-7598--

Cet ouvrage est publié en Open Access sous licence creative commons CC-BY-NC-ND (https://creativecommons.org/licenses/ by-nc-nd/4.0/) permettant l’utilisation non commerciale, la distribution, la reproduction du texte, sur n’importe quel support, à condition de citer la source.

© AEIS, 202

    

La collection de l’AEIS..............................................................................................  Introduction générale................................................................................................  

PREMIÈRE PARTIE Expériences et modèles mésoscopiques en physique et en chimie

Présentation............................................................................................................... .  Chapitre 1 :Expériences d’optique électronique dans les conducteurs quantiques...  Chapitre 2 :Les circuits mésoscopiques supraconducteurs quantiques.....................  Chapitre 3 :Topologie et physique quantique mésoVcopique..................................  Chapitre 4 :Modélisation multi-échelle pour la chimie à l’échelle mésoscopique : l’exemple de la chimie séparative..........................................................  Chapitre 5 :S’inspirer de la nature pour construire des matériaux poreux multi-échelle...........................................................................................  SECONDE PARTIE Quels niveaux mésoscopiques en biologie ?

Présentation................................................................................................................ 12 Chapitre 6 :Single molecule detection, or « there is more room at the bottom »..... 12 Chapitre 7 :Organisation spatiale et temporelle à l’échelle mésoscopique d’une protéine de signalisation cellulaire............................................... 1 Chapitre 8 :Signatures statistiques des interactions biologiques dans les environnements cellulaires hétérogènes................................... 1 Chapitre 9 :Énigmes posées par la mémoire et l’apprentissage................................ 1 Chapitre 10 :Progrès récents dans le transport de molécules au travers des membranes cellulaires................................................... 1 Chapitre 11 :Covid 19, recherche et traitementVantiviraux : où en est-on ?...........  Chapitre 12 :Des systèmes et matériaux (ré)actifs chez les plantes.......................... 

Épilogue................................................................................................................ ......  Remerciements...........................................................................................................  Présentation de l’Académie Européenne Interdisciplinaire des sciences............. 

     

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L’objet de ce livre est de présenter des résultats issus d’un champ de recherche où des propriétés particulières intrinsèques apparaissent dans le domaine mésoscopique en physique, chimie et biologie. Le domaine mésoscopique est une échelle spatiale intermédiaire entre l’échelle dite microscopique et celle dite macroscopique de la matière. Dans ce domaine mésoscopique des propriétés spécifiques de la matière émergent. Ces propriétés conduisent à des applications fort importantes dont certaines sont détaillées dans cet ouvrage. Mais, sachant que les notions mêmes de microscopie et de macroscopie diffèrent selon les disciplines concernées (physique, chimie, biologie), il convient de
définir précisément ce que l’on entend par « échelles et états mésoscopiques » dans ces  disciplines .

La physique mésoscopique est une partie de la physique de la matière condensée qui étudie les systèmes ayant des dimensions intermédiaires entre celles de la physique quantique et celles de la physique classique. L'échelle des distances en cause s'étend des dimensions de l’atome jusqu’au micromètre. C’est un domaine dans lequel s’estompent progressivement les propriétés quantiques de la matière par un mécanisme dit de décohérence. La

1 Un état, à certaines échelles, est l’ensemble des grandeurs, ou variables utilisées pour décrire/modéliser le comportement des objets, processus, phénomènes observés à ces échelles. Ainsi, comme bien connu, l’état macroscopique d’un gaz est décrit par des variables d’état : température, pression…, l’état microscopique par l’ensembles des données de vitesses, positions des particules, les états mésoscopiques par certaines caractéristiques de distribution statistique. Ces notions d’états mésoscopiques sont développées et discutées dans l’Épilogue 2  Mentionnons pour mémoire qu’il existe d’autres définitions lorsque l’on étudie en thermodynamique statistique les propriétés des gaz raréfiés, de même en météorologie et en océanographie avec des phénomènes naturels qui se produisent à une échelle locale (quelques kilomètres) et ceux à l’échelle d’un continent ou synoptique.

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3 M. Brune et al., “Observing the progressive decoherence of the ‘meter’ in a quantum measurement”, Phys. Rev. Lett. 77 (1996) 4887.

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4 La rigidité de l’ADN, ou plus généralement de chaines moléculaires, se mesure par la « longueur de persistance », la longueur maximale d'un brin de la chaine pouvant être considéré comme rigide.

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INTRODUCTION GENERALE

pour établir un lien de causalité entre gène et forme, il faut aussi comprendre comment les gènes et autres facteurs biochimiques modifient la composante mécanique associée aux cellules, tissus et organes.

La première partie est dédiée aux propriétés de la matière inerte pour différents états mésoscopiques La capacité de fabriquer des objets de taille intermédiaire entre l’échelle microscopique et l’échelle macroscopique a ouvert un nouveau champ expérimental, celui des systèmes mésoscopiques atteignant le régime quantique. Dans ce régime intermédiaire, la cohérence quantique peut apparaître dans des systèmes comportant suffisamment de particules pour que les concepts de température ou de moyenne statistique gardent leur sens. Pour un circuit mésoscopique quantiquement cohérent, les notions de résistance et de conductance doivent être repensées mais aussi celles d’inductance, de capacité... C’est toute l’électronique qu’il faut reconstruire en prenant en compte les lois de la mécanique quantique. Le transport électronique quantique étudie des phénomènes quantiques qui se produisent dans des conducteurs mésoscopiques, et dont la taille est plus petite que la longueur de cohérence de phase – échelle sur laquelle la phase de la fonction d'onde électronique est conservée. Il s’agit alors de transport électronique cohérent. Lorsque le libre parcours moyen électronique est plus grand que la taille de l’échantillon, la propagation électronique est non seulement cohérente mais également balistique. La nature ondulatoire de la propagation des électrons présente alors de fortes analogies avec la propagation des photons dans le vide. Cette analogie n’est que partielle car les statistiques sont différentes : statistique de Bose-Einstein pour les photons et statistique de Fermi-Dirac pour les électrons, ceux-ci possédant une charge et une masse contrairement aux photons. De plus intervient l’interaction coulombienne entre électrons, absente en optique.

La compréhension du régime de Hall quantique entier peut se faire dans le cadre d’une description du fluide électronique négligeant les interactions entre électrons, alors que pour l’effet Hall quantique fractionnaire il faut prendre en compte l’interaction forte entre électrons. Le régime de Hall quantique fractionnaire est ainsi caractérisé par un état fondamental très fortement corrélé dont les excitations élémentaires ne sont pas des électrons mais des quasiparticules de charge fractionnaire et de statistique quantique fractionnaire. On appelle anyons ces quasiparticules dont la statistique est intermédiaire entre celle des fermions et celle des bosons. Tous ces développements complexes sont fort bien expliqués par Gwendal Fève.

Des travaux fondateurs ont introduit en 2005 une nouvelle classe de matériaux, dits « topologiques » isolants dans leur masse mais conducteurs à leur surface. Ces surfaces métalliques ont des propriétés uniques qui les rendent particulièrement intéressantes pour développer une nouvelle électronique fondée sur le spin de l’électron. En outre, elles pourraient constituer des éléments de base de l’informatique quantique. Ces matériaux sont ainsi à l’origine de dispositifs originaux en électronique et en photonique.