L’intelligence artificielle est un des domaines de l’informatique qui prend une place de plus en plus importante dans notre quotidien (moteurs de recherche, itinéraires routiers...) mais aussi dans la recherche depuis quelques décennies. En doublant tous les dix-huit mois, la puissance des ordinateurs n’a cessé d’augmenter de façon très significative au fil des ans. Ceci a permis d’accroître les capacités de ces machines à exécuter des tâches normalement associées à l’être humain pour résoudre, entre autres, des problèmes complexes en analysant des données en nombre de plus en plus colossal. Depuis les années 1960, les chimistes utilisent ces machines capables de traiter des données et les applications liées à leur utilisation permettent d’optimiser la recherche et le développement de nouvelles molécules.

Parties des programmes de physique-chimie associées

• Programme d’enseignement scientifique de terminale, thème 3 :Une histoire du vivant, partie 5 : De la machine de Turing à l’intelligence artificielle
• Programme de la spécialité physique-chimie de terminale générale, partie « Constitution et transformations de la matière », 2.a : Suivre et modéliser l’évolution temporelle d’un système, siège d’une transformation chimique, 4. : Élaborer des stratégies en synthèse organique
• Programme de physique-chimie de terminale STL : partie « Chimie et développement durable » / Synthèses chimiques
• Programme de physique-chimie et mathématiques de première STL : partie « Transformation chimique de la matière » / Cinétique d’une réaction chimique

Les mers et océans représentent 71 % de la surface totale de notre planète pour un volume de près de 1,33 milliard de km³ (soit 98 % des eaux de la planète) et une profondeur moyenne de 3 700 mètres. Contrairement aux écosystèmes terrestres, les écosystèmes marins restent encore très peu explorés : on estime que seulement 5 % des espaces marins ont à ce jour fait l’objet d’études approfondies. Il est vrai que c’est seulement au XX^e siècle que l’on a commencé à disposer de technologies et d’équipements adaptés pour explorer les grands fonds (jusqu’à près de –11 500 m dans la fosse des Mariannes). L’extrême diversité de sa faune, sa flore, ses ressources, son potentiel énergétique… font de l’espace marin une réserve de richesses dont on a du mal aujourd’hui à en évaluer l’étendue.

L'objectif de la bactérie [1], qui est un procaryote donc dépourvue de noyau (fig. 1), est de se multiplier et « d'occuper le terrain ». C'est d'ailleurs pourquoi de nombreux antibactériens sont produits par des microorganismes, qui éliminent ainsi les concurrents pour être les seuls à disposer des ressources nutritives [2].

Figure 1

Comme on va le voir, les bactéries savent, depuis toujours, trouver des parades à tout ce qui peut perturber leur développement [3], et en particulier la présence d'agents antimicrobiens.

Elles peuvent devenir Résistantes (R) : la résistance aux antibactériens étant définie comme la capacité d'une bactérie à se multiplier en présence d'une concentration d'antibiotique supérieure à celle que l'on peut obtenir in vivo⁽ⁱ⁾. Cela peut conduire à un échec thérapeutique.

Comment déterminer si une bactérie est sensible ou résistante ?

En cas d'infection persistante malgré un traitement approprié, ou dans les cas graves, le médecin fait un prélèvement⁽ⁱⁱ⁾ et demande au laboratoire de réaliser un antibiogramme. Le principe est de cultiver la bactérie en présence de divers antibactériens et de voir si elle « pousse » ou si sa croissance est inhibée.

Il existe diverses méthodes plus ou moins automatisées, mais la plus simple à comprendre est d'opérer en boite de Pétri⁽ⁱⁱⁱ⁾. Sur un milieu nutritif et solide placé à 37°C pendant 15 à 24h les bactéries se développent (fig. 2a). Si avant de mettre à l'étuve on pose sur la boîte des disques de papier imprégnés de quantités standardisées de chaque antibactérien à tester, le diamètre d'inhibition de pousse autour de chaque disque indique le niveau de sensibilité de la souche à l'antibactérien : un contact indique que la résistance est élevée (fig. 2b). Ainsi, la bactérie représentée en jaune est très résistante (R) aux produits 1 et 4, résistante à 5 et sensible (S) à 2 et 3. On appelle Concentration Minimale Inhibitrice ou CMI la concentration d'antibactérien la plus faible pour laquelle il n'y a pas de croissance visible. Cette expérience est une expérience in vitro (fig. 3).

Résistance naturelle

C'est une propriété commune à toutes les bactéries d'une même espèce, due le plus souvent à la nature des enveloppes de la bactérie (fig. 4). Chez les bactéries Gram -, le peptidoglycane est entouré d'une membrane externe asymétrique, dont la partie extérieure, le lipopolysaccharide^(iv), empêche la pénétration des molécules hydrophobes à cause de la chaîne de sucres, et celle des hydrophiles à cause de la partie lipidique. Ce n'est que par des canaux emplis d'eau, les porines, que les antibactériens hydrophiles peuvent entrer. Certaines bactéries ont des porines très étroites – c'est le cas des mycobactéries – qui restreignent encore le passage, d’où une résistance importante.

Figure 4

Résistance aux antibactériens

La chimie des médicaments [4] et l’usage des antibactériens a révolutionné la mortalité par infection et à la fin des années 1960, le problème des infections bactériennes semblait résolu. Mais l’évolution naturelle des bactéries dans un environnement contenant des antibactériens les a conduites à développer des mécanismes de résistance, processus accru par l’usage inconsidéré des agents antibactériens. C’est un problème général auquel la France est bien loin d'échapper [5]. Chaque année en Europe, l'antibiorésistance provoque 30.000 morts, et la morbidité est aussi importante que celle de la grippe, de la tuberculose et du VIH/SIDA combinés. À côté du problème de la résistance proprement dite, les conséquences de l'usage accru des antibiotiques sont la multirésistance (une bactérie devient résistante à plusieurs antibactériens de familles différentes), la contamination de l'environnement par les antibactériens et leurs métabolites^(v), qui finiront par être ingérés par les humains et les animaux, contaminant encore plus l'environnement. Concernant les antibiotiques donnés aux animaux soit pour raison prophylactique, soit comme stimulant de la croissance, cet usage est interdit en Europe, mais toujours existant aux États-Unis.

Les voyages plus fréquents, les rassemblements, facilitent la dispersion des germes résistants, par simple contact, hors infection. Enfin, les progrès de la médecine ont accru le nombre de personnes fragiles : personnes âgées, immunodéprimées (greffées), pathologies chroniques, porteurs de prothèses... Même la tuberculose, qui semblait éradiquée en France, s'y rencontre à nouveau.

N'oublions pas que la plupart des antibactériens sont d'origine microbienne, ce qui facilite la mise en œuvre de mécanismes de résistance préexistant^(vi).

Mécanismes moléculaires de la résistance

Les principaux mécanismes sont schématisés figure 5 :

• empêcher la pénétration de l’antibactérien : modification des porines (Gram -) de la membrane externe
• éjecter l’antibactérien : pompes d’efflux (fig. 6) dans la membrane interne
• modification de l’antibactérien, qui ne sera plus actif : enzymes d’inactivation (fig. 7 pour la pénicilline)
• modification de la cible :
  • plus grande quantité de cible, rendant la quantité d'antibactérien insuffisante,
  • mutation de la cible, qui ne sera plus reconnue et fonctionnera à nouveau normalement.

Figure 5	Figure 6

Bases génétiques de la résistance

Toute propriété est codée au niveau de l'ADN. Si le phénomène conduisant à la résistance est porté par le chromosome seuls les bactéries filles sont résistantes^(vii).

Mais il existe des éléments mobiles, c'est à dire des fragments d'ADN autres que le chromosome, les plasmides par exemple (fig. 8), qui, s'ils codent pour la résistance, peuvent permettre sa dissémination rapide entre diverses bactéries. La figure10 montre que le plasmide d'une bactérie résistante « bleue » peut se dupliquer, puis une copie est transférée par contact avec une bactérie sensible « jaune », qui deviendra alors résistante.

En conclusion, on voit que le problème de la lutte contre les infections est loin d'être résolu, qu'il faut que patients et prescripteurs sachent être raisonnables en respectant la consigne de la campagne d’information « les antibiotiques, c’est pas automatique », [6] et que l'industrie pharmaceutique ne néglige plus la recherche en antibiothérapie [4] [5].

(i) In vivo : sur un animal vivant ; in vitro : dans un tube à essais; ex vivo : sur un organe ou une cellule isolée.
(ii) Gorge, prélèvement d'urine, de crachat ou intervention plus invasive.
(iii) Du nom du bactériologiste allemand Julius Richard Petri (1852–1921), qui était l'assistant du docteur Robert Koch (découvreur du bacille de la tuberculose) et grand rival de Louis Pasteur : voir le livre « Peste et Choléra » de Patrick Deville.
(iv) Le mot lipopolysaccharide est composé de « lipo » : lipide et "saccharide": sucre.
(v) Quand on donne un médicament à un être vivant, son organisme le transforme (on dit « le métabolise ») en une molécule capable d'être éliminée, appelée métabolite.
(vi) Le producteur d'antibiotique ne doit pas être détruit par les molécules qu'il fabrique !
(vii) Ces bactéries filles coexistent au sein d’une population où il y a d'autres bactéries de même espèce, mais qui n'ont pas développé de résistance.

 

Pour en savoir plus
[1] Parasite, champignon, bactérie et virus : quelles différences ?, N. J. Moreau, Question du mois, Mediachimie.org (2020)
[2] Zoom sur les bactéries et antibactériens, N. J. Moreau, Zoom sur..., Mediachimie.org (2023)
[3] On regardera avec intérêt Bactéries, nos amies ? CERIMES (1 janvier 1990) Canal-u.tv
[4]Chimie et médicaments : un bel avenir !, B. Meunier, Colloque chimie et nouvelles thérapies (novembre 2019)
[5] Comment vaincre la résistance aux maladies infectieuses ?,B. Meunier, V. Jarlier et Ph. Guérin - article en partenariat Académie des sciences et le Figaro (mai 2013)
[6] Les antibiotiques : des médicaments essentiels à préserver, sur le site de la MGEN (novembre 2022)

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• figures : © NJ Moreau

La bactérie

Une bactérie [1] est une cellule très simple, « un sac » qui renferme tout ce qui est nécessaire à sa survie (fig. 1).

Figure 1

Il n’y a aucun compartiment et en particulier pas de noyau. C’est ce que l’on appelle un procaryote. Toutes les autres cellules, de la levure de boulanger à nos propres cellules sont des eucaryotes, elles possèdent un noyau [1]. C’est très important, car cela peut permettre de trouver des molécules spécifiques contre les bactéries sans trop de dommages pour les cellules de l’hôte, dont l'ADN est à l'abri dans le noyau.

Ce « sac » est une enveloppe constituée d'une membrane interne, composée essentiellement de lipides, mais dans laquelle peuvent s'insérer des protéines ou d'autres éléments. Elle est protégée par une paroi dont le principal élément est le peptidoglycane. C'est un polymère formé de longues chaînes de sucres pontées par de courtes chaînes peptidiques. On admet qu'il contribue à la forme et la rigidité de la bactérie et protège la membrane interne des effets de la pression osmotique⁽ⁱ⁾. On peut le schématiser comme un gros grillage relativement facile à franchir (fig. 2). La taille d'une bactérie est de l'ordre de 1µm.

Figure 2

Les bactéries sont apparues sur terre il y a 3 milliards d'années⁽ⁱⁱ⁾. On connaît environ 5000 espèces bactériennes, dont quelques dizaines sont pathogènes. On distingue deux types de bactéries, dites à Gram positif (Gram +) ou à Gram négatif⁽ⁱⁱⁱ⁾ (Gram -). Les Gram + (fig. 2a) ont une épaisse couche de peptidoglycane. Chez les Gram - (fig. 2b) le peptidoglycane est plus mince, mais est entouré d'une membrane externe complexe et difficile à franchir, sauf par des canaux hydrophiles, les porines, servant à l'entrée des nutriments.

On a aussi les mycobactéries, responsables de la tuberculose, de la lèpre, particulièrement bien protégées par leur enveloppe complexe et riche en lipides (25% environ, contre 1 à 2% pour les autres bactéries) (fig. 2c). En outre, leurs porines sont particulièrement étroites.

L'infection

Les bactéries sont responsables d'infections quand elles pénètrent et se multiplient dans un endroit de l'organisme où elles ne devraient pas être. Cela correspond à une rupture de l’équilibre entre bactérie et moyens de défense de l’hôte. Une infection peut être localisée^(iv), locorégionale^(v), septicémique^(vi). On peut aussi les classer en infections communautaires^(vii), et nosocomiales^(viii).

L'infection peut être plus ou moins grave selon l'hôte infecté : une banale coupure nettoyée par lavage à l'eau et au savon sera sans conséquence pour un adulte en bonne santé, mais il existe de plus en plus de personnes à risque par suite des progrès de la médecine : personnes de plus en plus âgées, immunodéprimées (ayant subi une greffe par exemple), porteuses de prothèses, souffrant de maladies chroniques... La gravité dépendra aussi de la nature et des propriétés du germe infectieux : faculté d'adhérer aux cellules de l'hôte^(ix), excrétion de toxines, capacité de survie dans la cellule infectée...

La lutte contre ces bactéries sera une véritable guerre sans merci, puisque, malgré les nombreuses armes dont nous disposons (les antibactériens), l'ennemi (la bactérie) possède une faculté de dissémination considérable, certaines pouvant se diviser toutes les 20 minutes ! En outre, elle possède plusieurs stratagèmes pour résister à nos armes [2]. Les bactéries communiquent entre elles, et communiquent aussi avec les cellules eucaryotes. Elles sont ainsi capables de maîtriser leur environnement pour y survivre ou s'y multiplier.

Les antibactériens

Quand on parle de la lutte contre les bactéries, il vaut mieux utiliser le terme d'antibactériens, bien spécifique, plutôt que celui plus couramment utilisé d'antibiotiques qui désigne les substances capables de combattre les microbes en général (bactéries, virus, parasites, champignons...). Par définition, les agents antibactériens inhibent la croissance bactérienne (on dit qu'ils sont bactériostatiques), ou tuent les bactéries (bactéricides).

Les figures 3 et 4 montrent quelques antibactériens importants. On pense souvent que la pénicilline est le premier antibactérien connu. En fait, très tôt, certains composés étaient utilisés contre les infections : eau de Javel^(x) comme désinfectant [3], mercure contre la syphilis ; dès 1897, le médecin militaire Ernest Duchesne a traité avec succès des porcs atteints de typhoïde porcine par la moisissure Penicillium glaucum^(xi). En 1911, avec le chimiste Alfred Bertheim et le bactériologiste Sahachiro Hata, Paul Ehrlich met au point le Salvarsan, actif contre la syphilis. En 1936, à l'Institut Pasteur de Paris, Thérèse et Jacques Tréfouël [4] synthétisent les sulfamides (fig 2), actifs contre de nombreux germes. Quant à la pénicilline, découverte par sérendipité [5] en 1928 par Fleming, son intérêt thérapeutique n'apparut que vers 1939^(xii).

 
Figure 3. Antibactériens découverts par sérendipité 

 
Figure 4. Exemples d’antibactériens 

Le tableau 1 montre les dates d'apparition des principaux antibactériens, et leur origine. La plupart sont d'origine naturelle, mais des dérivés sont ensuite préparés par synthèse totale ou par hémisynthèse^(xiii).

Pour combattre une infection, un antibactérien doit  :

• entrer dans la bactérie et ne pas en être expulsé ;
• échapper à des mécanismes d'inactivation (enzymes) ;
• atteindre sa cible et la perturber en causant un dommage à la bactérie.

Cibles des antibactériens

Selon l'antibactérien, ce sont différents processus indispensables à la vie d'une bactérie que les antibactériens peuvent inhiber :

• Inhibition de la synthèse du peptidoglycane : la bactérie ne pourra plus fabriquer son enveloppe
  • β lactames (pénicilline) et glycopeptides (vancomycine) ;
• Inhibition de la synthèse des acides nucléiques : la bactérie ne peut plus se multiplier
  • ARN : rifampicine,
  • ADN : quinolones (ofloxacine).
•  Inhibition de la synthèse des protéines : la bactérie ne fabrique plus de protéines ou en produit de défectueuses. Elle n'aura plus les enzymes nécessaires à son métabolisme, par exemple :
  • aminoglycosides (streptomycine),
  • macrolides (érythromycine),
  • tétracyclines,
  • chloramphénicol.

En conclusion, même si nous disposons comme on le voit, d'un important arsenal chimique [6] pour lutter contre les maladies et en particulier les infections, la bataille est cependant difficile, des maladies comme la tuberculose, que l'on pensait quasiment éradiquée, continuent à exister, même dans les pays développés. Et il faut en plus compter avec la résistance que les bactéries peuvent développer. Sur ce sujet, consultez le Zoom sur la résistance des bactéries aux antibactériens.

(i) Pression qui détermine le phénomène d'osmose et qui correspond à la différence de pressions exercées de part et d'autre d'une membrane semi-perméable par deux liquides de concentration différente.
(ii) Les premiers hommes il y a seulement 10 millions d'années.
(iii) Hans Gram est un bactériologiste danois de la seconde moitié du XIX^e siècle, qui a mis au point une coloration permettant de distinguer grâce à leur membrane deux types de bactéries : celles à Gram positif (Gram +) se colorent en rose, celles à Gram négatif (Gram -) ne se colorent pas.
(iv) Par exemple sur un doigt.
(v) Tout le membre.
(vi) Diffusée à tout l'organisme à partir du foyer initial : très grave.
(vii) Survenant à l'extérieur d'un établissement de santé.
(viii) Qui n'existaient pas chez le malade à son entrée à l'hôpital.
(ix) Lors d'une infection urinaire, on recommande de boire beaucoup : ainsi, si les germes infectieux sont peu adhérents, ils seront facilement éliminés.
(x) Hypochlorite de sodium, dont la découverte est attribuée à Claude Louis Berthollet en 1775, dans son usine du quartier de Javel à Paris.
(xi) Il a publié ce résultat sans savoir quelle substance était produite par son Penicillium.
(xii) On reverra avec intérêt le film « Le troisième homme ».
(xii) En partant de la molécule naturelle ou d'un précurseur.

 

Pour en savoir plus
[1] Parasite, champignon, bactérie et virus : quelles différences ?, N. J. Moreau, Question du mois, Mediachimie.org (2020)
[2] On regardera avec profit et plaisir la vidéo Bactéries, nos amies ? CERIMES (1 janvier 1990) Canal-u.tv
[3] Pourquoi ne pas mélanger de l’eau de Javel et du détartrant ?, F. Brénon,Question du mois, Mediachimie.org (2022)
[4] Thérèse et Jacques Tréfouël, le binôme indissociable, Institut Pasteur - Notre histoire
[5a] Il était une fois la sérendipité,  S. Allemand et S. Catellin, Le Media Paris-Saclay (2014)
[5b] La sérendipité, un chemin de traverse à suivre, C. Monneret L'Actualité Chimique n°385 (mai 2014)
[6] Chimie et médicaments : un bel avenir !, B. Meunier, Colloque chimie et nouvelles thérapies (novembre 2019)

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• figures : © NJ Moreau

L’éclairage participe à près de 20 % de la consommation mondiale d’électricité. L’ADEME prévoit une baisse d’environ 50 % de la consommation liée à l’éclairage vers 2030 [1].

Par ailleurs, l’arrêt des ventes des lampes à incandescence d’une part, des lampes et tubes fluorescents et lampes halogènes d’autre part est fixé pour 2023. La période des fêtes de Noël voit chaque année les rues et places de nos villes et villages s’illuminer. L’éclairage est assuré par des diodes électroluminescentes pour diminuer les dépenses dues à la consommation électrique associée.

Une diode électroluminescente (DEL en français ou LED pour Light-Emitting Diode) est un dispositif électronique et optique produisant, sous l’action d’un champ électrique, de la lumière, sans créer de la chaleur contrairement aux lampes à incandescence. Pour qu’il y ait émission de lumière, l’utilisation de semiconducteurs est nécessaire. L’objectif est d’améliorer la conversion de l’énergie électrique en énergie lumineuse. La couleur dépend de la nature chimique du semiconducteur [2a] [2b].

Les premiers résultats de production de lumière rouge ont été obtenus dès 1962 par la General Electric. Les LED ont été utilisées sur des appareils électriques pour indiquer s’ils étaient allumés ou éteints. Mais les puissances étaient très faibles [3].

Ce n’est que dans les années 90 que l’utilisation du nitrure de Gallium (alliage GaN) comme semiconducteur a permis d’obtenir des LED avec en particulier une émission de lumière bleue difficile à obtenir mais essentielle par le mélange des couleurs pour créer la lumière blanche. Cette découverte a permis aux trois chercheurs japonais Isamu Akasaki, Hiroshi Amano et Shi Nakurama de recevoir le Prix Nobel de Physique en 2014 [3]. Les LED éclairent avec une puissance de 1 watt maximum pour un éclairage de 130 lumens bien supérieur aux tubes fluorescents (100 lumens par watt) [4].

Depuis, l’optoélectronique s’est tournée vers les diodes organiques électroluminescentes (OLED en anglais pour Organic Light Emitting Diode). Les OLED utilisent des semiconducteurs organiques. Elles possèdent de nombreux avantages : leur consommation est plus faible que celle des LED classiques et peuvent être fabriquées sur des supports souples permettant notamment leur enroulage (utilisés pour éclairer des décors ou des chantiers de construction par exemple). Elles sont utilisées principalement pour l’affichage électronique : smartphones, tablettes, téléviseurs [5].

Elles sont constituées d’une superposition de couches de matériaux organiques semiconducteurs constitués de polymères insaturés conjugués (c’est-à-dire avec alternance de liaisons simples et doubles dans leurs structures moléculaires) dans laquelle se trouve la couche émissive de lumière (EML pour Emissive Layer). Ces couches sont déposées entre deux électrodes : la cathode est souvent en aluminium et l’anode en oxyde d’indium et d’étain (ITO pour indium tin oxide) qui est déposée sur une couche transparente de verre par exemple. Les charges positives à la cathode et négatives à l’anode se déplacent sous l’action du champ électrique appliqué et se recombinent avec émission de lumière par fluorescence ou depuis 1998 par phosphorescence [6-8].

Si le système multicouche donne de bons rendements le dispositif reste complexe et les fabrications des OLED sont énergivores. Aussi de nombreux travaux de recherche ont été effectués pour obtenir des systèmes monocouches (SL pour Single Layer en anglais) conduisant à des SL-OLED. Récemment des travaux publiés en septembre 2022 par une équipe de recherche du CNRS menée par Cyril Poriel (Directeur de Recherche CNRS) basée à l’Institut des Sciences Chimiques de Rennes ont permis d’obtenir une SL-PhOLED (Ph pour phosphorescence) très efficace (la plus efficace à ce jour !). La couche émissive est ici constituée d’une matrice hôte et d’un émetteur phosphorescent. La matrice joue un rôle primordial et permet de maximiser l’efficacité de l’émission de lumière. Elle est constituée d’une partie riche en électrons et d’une seconde pauvre en électrons reliées entre elles par une structure non plane de type spirannique (les spirannes sont en effet des molécules bien connues au sein du laboratoire rennais !) qui permet une séparation spatiale des charges pour réunir les propriétés souhaitée (figure 1).

Pour augmenter l’efficacité de l’émission de lumière un émetteur phosphorescent est nécessaire, par exemple un complexe d’iridium pour une émission de lumière verte (voir note) avec une efficacité supérieure à celles obtenues antérieurement [9]. L’objectif ultime est de développer des SL-PhOLED à émission de lumière blanche pour l’éclairage !

La simplification électronique obtenue avec les SL-PhOLED permet un développement prometteur de cette technologie qui s’accompagne aussi d’une production moindre de déchets !

L’auteur remercie très sincèrement Cyril Poriel, pour son aide bienveillante à la rédaction de cette note bibliographique et son autorisation de publier la photo de la diode verte et des structures de la couche émissive (voir la note).

Jean-Pierre Foulon
Mars 2023

Références bibliographiques :
[1] Rapport ADEME 2016
[2a] EnLEDissez-vous !, J.C. Bernier, L’Actualité Chimique N°395 (avril 2015) pp. 9-10
[2b] La lumière électronique : du tube cathodique aux écrans plats, J.C. Bernier, Colloque Chimie et Lumière du 26 février 2020, vidéo et article (Mediachimie.org)
[3] De la lampe à huile aux LED : histoire physico-chimique de l’éclairage artificiel, L. Simonot, Colloque Chimie et Lumière du 26 février 2020, vidéo et article (Mediachimie.org)
[4] Un prix Nobel éclairé, J.C. Bernier, éditorial Mediachimie (octobre 2014)
[5] Chimie, lumière sur les écrans, J. Lefebvre, A. Harari et J.-C. Bernier, fiche Chimie et… en fiches (Mediachimie.org)
[6] Les diodes électroluminescentes organiques : des sources plates de lumière, L. Hirsch, Colloque Chimie et technologies de l’information du 6 novembre 2013, vidéo et article (Mediachimie.org)
[7] Les multiples contributions de la chimie dans la conception des tablettes et des smartphones, J.-C. Flores, Colloque Chimie et technologies de l’information du 6 novembre 2013, vidéo et article (Mediachimie.org)
[8] Un point sur Les nouvelles générations d’OLED phosphorescentes, C. Poriel, L’Actualité Chimique N°454 (septembre 2020) p. 75
[9] Un point Les OLED à couche unique : vers des dispositifs électroniques simplifiés pour la transition écologique, C. Poriel, L’Actualité Chimique N°481 (février 2023) p. 55

Crédits : La SL-PhOLED verte : photo reproduite avec autorisation de Lucas. F., Brouillac. C., Fall. S., Zimmerman. N., Tondelier. D., Geffroy. B., Leclerc. N., Heiser T., Lebreton. C., Jacques. E., Quinton. C., Rault-Berthelot. J., Poriel C., Chem. Mater. 2022, 34, 8345 copyright 2022 American Chemical Society.
 

Lorsqu’en 1774 paraît le premier tome des Voyages métallurgiques entre 1757 et 1769, son auteur Antoine Gabriel Jars, dit le Jeune, est mort depuis 1769. C’est son frère ainé Gabriel Jars (1729-1808) dit l’Ancien, qui fait imprimer l’ouvrage en trois tomes, les deux derniers tomes seront publiés jusqu‘en 1781. Le premier tome est consacré à la houille et au fer, les deux autres à la métallurgie non-ferreuse. L’ensemble est constitué de mémoires.

Gabriel Jars le Jeune est né en 1732 à Lyon. Son père est Directeur des mines et Jars le Jeune s’intéresse très tôt à la métallurgie. Remarqué par ses professeurs, il entre à l’École royale des Ponts et Chaussées à Paris en 1752 dans une classe spéciale réservée aux mines. Cette école fondée en 1747 par Daniel Charles Trudaine (1703-1769), a pour mission de former les techniciens et les ingénieurs. Trudaine comme Jean Hellot (1685-1766) veut faire avancer le bien-être de la société grâce au progrès technique par l’éducation, la formation et l’apprentissage. Le jeune Gabriel est envoyé en stage dans les mines de plomb argentifères de Poullaouen en Bretagne. Puis sur d’autres sites comme les mines d’argent de Sainte-Marie aux Mines en Alsace.

Ses études terminées, il revient dans l’exploitation familiale où il met en œuvre un four à réverbère où la chaleur du four est réfléchie par la voute du four, ainsi qu’un four à cuivre.

Grand ingénieur d’Etat, sa réputation lui vaut dans les années 1750-1760 de devenir membre correspondant de l’Académie royale des Sciences de Paris en 1761 puis d’être élu, simultanément à Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794), au fauteuil de chimie laissé vacant en 1768 par le Théodore Baron d’Hénouville (1715-1768). Gabriel Jars est ainsi récompensé pour son apport.

Gabriel Jars voyage dans une grande partie de l'Europe Centrale et en Grande-Bretagne, afin de rapporter en France le meilleur des pratiques techniques qu’il croise et relève en chemin. Trois années durant, de 1757 à 1760, accompagné de Jean-Pierre-François Guillot-Duhamel (1730-1816), il visite des mines et des fonderies dans de nombreuses régions : Saxe, Autriche, Bohême, Hongrie, Tyrol, Carinthie et Styrie. Puis, de nouveau à la demande du gouvernement, il part l’année 1765 complète en Angleterre. À peine revenu en France, il repart vers les pays du nord en compagnie de son frère. Ils commencent leur périple par la Hollande et ses manufactures, puis le Hanovre, séjournent quatre mois dans les montagnes du Harz, parcourent une partie de la Saxe puis se rendent à Hambourg, de là à Copenhague, puis aux mines d'argent de Kongsberg en Norvège et enfin en Suède.

Ensuite, il réalise des missions en France afin d’étudier les mines près de Langeac, actuellement en Haute-Loire. Mais la forte chaleur le rend malade et il est ramené à Clermont-Ferrand où il meurt d’insolation le 20 août 1769.

Il a passé l’essentiel de sa vie à voyager à travers l’Europe et à observer les techniques employées dans les forges, pour les introduire sur le territoire français, avec le souci permanent de lier théorie et pratique. Son journal de voyage permet de recueillir des informations au jour le jour et ce travail devient au XIX^e siècle, l’exercice obligé de tous les élèves ingénieurs des Écoles des Mines de Paris comme de Saint-Étienne.

Gabriel Jars le Jeune est un métallurgiste, créateur de la sidérurgie française et aussi un innovateur en introduisant des nouveaux procédés. On lui doit la fonte au coke ; le procédé de fabrication du minium, qu’il présente à l’Académie des Sciences en avril 1768. Pour lui, le charbon et le fer sont les éléments essentiels du développement technique. Enfin, il installe au Creusot un grand centre industriel qui existe toujours.

Son ami, Jean-Pierre-François Guillot-Duhamel continuera l’œuvre de Gabriel Jars en introduisant des procédés nouveaux comme la cémentation de l’acier. Il collaborera à l’Encyclopédie méthodique d’Antoine-François Fourcroy (1755-1809) en rédigeant les articles concernant les mines et la métallurgie.

Pour en savoir plus

• La famille Jars et sa contribution à l'exploitation des mines lyonnaises au XVIII^e et au XIX^e siècles, Alexis Chermette, Publications de la Société Linnéenne de Lyon (1981) Vol 50-5 pp. 1-11
• Jars Le voyageur innovant Anne-Françoise Garçon (2000) ⟨halshs-00008092⟩
• Les Voyages métallurgiques de Gabriel Jars (1774-1781), un imprimé au service de l’art de l’exploitation des Mines, Isabelle Laboulais, in  Les circulations internationales en Europe (1680-1780), Presses Universitaires de Rennes (2010) pp.181-196

Illustration : Un haut fourneau au temps de Jars, La Nature. Revue des sciences et de leurs applications aux arts et à l'industrie (1935)  deuxième semestre, Cnum - Conservatoire numérique des Arts et Métiers, oeuvre du domaine public http://cnum.cnam.fr

Les hommes ont utilisé des métaux dès la préhistoire, mais il faut attendre la fin du XVIII^e siècle pour voir apparaître les premières constructions métalliques. L’une des plus anciennes au monde et la première en France, est située au Muséum sur le sommet du monticule que recouvre le labyrinthe du Jardin des Plantes. Cette butte, incluse dans le Jardin royal des Plantes médicinales dès sa fondation avec l’acquisition du Clos Coypeaux (1633), n’est pas naturelle, mais a été constituée au Moyen Âge par l’accumulation de détritus et de gravats provenant de Paris et de ses faubourgs. Avant 1609, sur son sommet tournait un moulin à vent, qui a été supprimé par la suite.

Aujourd’hui, le promeneur du Jardin des Plantes attiré par cette butte, son labyrinthe végétal et son cèdre historique, ne manque pas d’être intrigué par une étonnante construction métallique qui la domine. Issue d’un cheminement à but initiatique, empreinte des sociétés secrètes et des grands initiés de la fin du XVIII^e siècle, la Gloriette nous plonge en plein ésotérisme.

Aménagements de la butte et du labyrinthe

À l’origine, la butte Coypeaux, censée être affectée aux plantations botaniques, avait été plantée de variétés de vignes dont le vin était apprécié des administrateurs. Colbert les avait fait arracher en 1671 pour les remplacer par diverses espèces de plantes et d’arbres rares. Au sommet se trouvait dès 1640 un robinier. Sous le nom de « grand labyrinthe » la butte était une promenade parcourue par un chemin en spirale. Vers 1784, le botaniste André Thouin, jardinier en chef, projeta de l’embellir par l’aménagement d’une statue de Georges-Louis Leclerc comte de Buffon (1707-1788) pour lui rendre hommage. Mais Buffon refusa, disant qu’il ne pouvait « consentir à aucune dépense qui aurait trait à sa gloire personnelle ». Fut alors proposée, à la demande de Buffon la construction d’un kiosque, nommé Gloriette ⁽ⁱ⁾, réalisée et érigée en 1786-1787. Elle est classée au titre des Monuments Historiques depuis 1993.

C’est Edme Verniquet ⁽ⁱⁱ⁾ (1727-1804), architecte du roi Louis XVI, qui en a dessiné les plans et Claude-Vincent Mille, serrurier du roi, qui l’a construite. Sa structure métallique est en fer et en fonte, produits dans les forges de Buffon à Montbard, où le naturaliste faisait beaucoup d’expériences pour en améliorer la qualité.

La Grande Forge de Buffon à Montbard

Au milieu du XVIII^e siècle, de nombreuses expériences sont réalisées sur la résistance des matériaux, tout particulièrement sur celle du fer. Parmi celles-ci, on doit distinguer celles de Buffon qu’on peut considérer comme l’un des pionniers de la métallurgie. Dès 1768 il avait fait construire une forge dans sa propriété de Buffon, sa ville natale proche de Montbard en Bourgogne et avait fait un laboratoire de sciences appliquées. Son but était d’optimiser les étapes de la fabrication du fer forgeable et ainsi d’améliorer la qualité de la fonte de fer.

À la fin du XVIII^e siècle, 400 ouvriers y travaillaient à produire environ 450 tonnes de fer par an. Elle était considérée comme la plus innovante de l’époque. Le minerai de fer y était chauffé à 1200°C pendant 12 h dans le haut-fourneau avec du charbon de bois ou du charbon de terre (coke), pour être alors réduit à l’état de fonte (alliage de fer et de carbone), puis dans la forge d’affinerie elle était transformée en un matériau plus résistant et plus flexible, le fer ⁽ⁱⁱⁱ⁾. Enfin la production était facilitée par l’organisation des bâtiments industriels et leur proximité des logements des ouvriers. Cette forge avait aussi produit le fer utilisé par Buffon pour fabriquer les grilles qui entourent le Jardin des Plantes, ainsi que diverses rampes d’escalier et des ferronneries.

C’est vers cette époque que l’on a commencé à distinguer le fer, l’acier et la fonte, mais leur connaissance précise sur la base du taux de carbone qu’ils contiennent ne viendra qu’au début du XIX^e siècle. Buffon a été l’un des fondateurs de la « Compagnie pour l'exploitation du charbon de terre (houille/coke) », afin de développer la fabrication du coke déjà expérimentée par les Anglais à une échelle importante. Mais son vaste domaine forestier lui fournissant du charbon de bois à bon compte il a plutôt utilisé ce dernier. Buffon était soucieux d’appliquer les sciences au service de ses entreprises. Il était ami d’Antoine-Gabriel Jars (le jeune), inspecteur des forges royales et célèbre pour ses « Voyages Métallurgiques » en Europe au cours desquels il étudiait les différentes méthodes utilisées dans chaque pays. S’en inspirant, Buffon écrivait en 1768 « je suis parvenu à faire avec nos plus mauvaises mines de Bourgogne du fer d’aussi bonne qualité que celles de Suède ».

La construction de la Gloriette, ses symboles et ses problèmes

Les travaux de la Gloriette ont commencé en avril 1786 et ont été terminés en mars 1787. Haute de plus de 8,1 m, de forme circulaire avec un diamètre d’environ 4,2 m, elle est composée de huit colonnes formant une armature en fonte de très haute qualité. Elle présente des superstructures et des décorations composées de divers métaux, qui dissimulent en grande partie l’ossature en fer. Elles étaient fixées par des rivets, car la soudure n’existait pas encore à cette époque.

A l’origine, la Gloriette était surmontée, d’une « sphère armillaire ^(iv) » en fonte et cuivre, modélisant le mouvement des étoiles. Elle renfermait un gong qui marquait le midi solaire : à midi, une loupe focalisait les rayons du soleil sur un fil de crin, ce qui le brûlait provoquant sa rupture et par suite déclenchait un mécanisme qui frappait les douze coups de midi sur un tambour chinois. Le fil était changé chaque jour. Ce mécanisme a aujourd'hui disparu.

Sans fonction matérielle en dehors de proposer un point de vue sur Paris, l’édifice a une valeur symbolique qui tient notamment à l’utilisation d’une variété de métaux. En effet, elle est caractérisée par l’emploi de sept métaux : or, argent, cuivre, fer, étain, plomb et mercure, renvoyant au symbolisme alchimique des éléments et à l’astrologie antique. Une correspondance avait été établie entre les sept « planètes », en fait le soleil, la lune et les cinq planètes observables à l'œil nu, reliées aux sept couleurs de l’œuvre alchimique et elles-mêmes associées aux dieux du panthéon gréco-romain.

Mais outre le sens symbolique, le mélange de métaux a eu un effet néfaste sur la stabilité de cette construction en favorisant la corrosion par effet de pile, liée à l’exposition aux intempéries, pluie et atmosphère humide. La Gloriette au cours du temps s’est transformée en une pile polymétallique, ce qui a conduit à la dégradation des éléments constitutifs par électrolyse et par suite la corrosion de l’ensemble. Ces phénomènes d’électrolyse n’étaient pas connus au moment de la construction, car la découverte du courant électro-galvanique par Louis Galvani date de 1789 et le développement des piles par Volta est encore ultérieur.

Ainsi, malheureusement les matériaux, structure en fer et décorations, se dégradèrent rapidement par électrolyse, ce qui avait conduit à une première restauration en 1983 et l’édifice avait alors retrouvé son aspect originel. Mais ensuite, les intempéries, la pollution, la corrosion et la stagnation des eaux, entre autres, ont à nouveau détérioré les décors et fragilisé la structure, la rendant potentiellement dangereuse pour le public. Ce qui a contraint le Muséum à fermer son accès en 2016. Pour réaliser une rénovation intégrale, le Muséum a alors lancé un appel aux dons auprès du grand public et de ses mécènes, qui ont largement répondu, en particulier la Fondation de la Maison de la Chimie a fortement soutenu cette rénovation. La restauration, effectuée en atelier (par La Forge d'Art Loubière), a débuté par le sablage des principales pièces métalliques de la structure, afin de nettoyer le support en fonte sans l’abîmer et de permettre une bonne adhésion avec la couche métallique utilisée pour le protéger contre la corrosion et la rouille. Cette métallisation, deuxième étape de la restauration, a été réalisée par projection au moyen d’un pistolet à flamme, d’un fil constitué d’un alliage zinc/aluminium (85%/15%). Puis, les différentes pièces ont été « montées à blanc », c’est-à-dire assemblées provisoirement en atelier pour vérifier la stabilité de l’ensemble et enfin remontées définitivement sur le site.

En 2018, la Gloriette a été ainsi mise en sécurité et le lieu a retrouvé tout son charme, vérifiant la devise autrefois inscrite sur la corniche « Horas non numero nisi serenas (Je ne compte que les heures heureuses) ».

Notes

(i) Gloriette : nom issu des pavillons où les guerriers antiques étaient glorifiés.
(ii) Verniquet a été aussi l’architecte du Grand Amphithéâtre du Muséum (1787-1788) et a coordonné le Plan de la Ville de Paris dans sa nouvelle enceinte (1796) qui constitue la première représentation topographique exacte de Paris.
(iii) Fer/Fonte/Acier : la différence physique entre la fonte, le fer et l’acier tient à la teneur en carbone. Il faut attendre le début du XIX^e siècle pour que la distinction entre « fer », « acier » et « fonte » se fonde sur le taux de carbone contenu dans l’alliage.
(iv) Sphère armillaire : utilisée autrefois pour modéliser la sphère céleste selon la représentation géocentrique (système de Ptolémée), et le mouvement apparent des astres autour de la Terre qui était considérée alors comme le centre de l’univers (du latin armilla, cercle ou bracelet).
* Iron Bridge : ce pont sur le fleuve Severn à Shropshire en Angleterre, au N-O de Birmingham, est la première grande structure métallique réalisée en 1779. D'une portée de 30,60 m, il est constitué de 384 tonnes de fonte de fer.
* Le pont des Arts est le premier pont métallique parisien. Construit en 1801, traversant la Seine il joint le Louvre à l’Institut. Sa passerelle était alors constituée de huit arches en fonte.

Pour en savoir plus

- Le belvédère du labyrinthe. Laissus Yves, Pronteau Jeanne, Gotteland Andrée, préface de Jean Dorst (1985) Ed. Muséum national d’Histoire naturelle - Hachette.
- Buffon. La nature en majesté. Laissus Yves (2007) Ed. Découvertes Gallimard Sciences et Techniques.
- Les Voyages métallurgiques, Gabriel Jars (1774) sur le site de la BNF ;  Les Voyages métallurgiques de Gabriel Jars (1774-1781), un imprimé au service de l’art de l’exploitation des mines. Isabelle Laboulais (2010) Presses universitaires de Rennes, pp.181-196
- Des voyages métallurgiques au XVIII^e siècle. Catherine Marchal (site Mediachimie.org)
- L’acier en Europe avant Bessemer. Ph. Dillmann, L. Hilaire-Pérez et C. Verna ; Colloque. Internat. (2005) Musée des arts et métiers ; La question de l’acier en France au XVIII^e siècle : l’histoire d’un rendez-vous manqué entre science et industrie. Jean-François Belhoste. In : L’acier en Europe avant Bessemer (2011) Ed. Presses universitaires du Midi
- Histoires de fontes. Les descriptions du XVIIIe siècle. Partie III : Propositions pour l'interprétation physicochimique de l'affinage des fontes au bas foyer. Jean Le Coze. Comptes Rendus Chimie Vol. 12 (2009)  pp. 297-318

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