Le silence règne sur l'ancien Hôpital Boucicaut, à Paris. Ici, ni ambulance ni brancard… Et pour cause, médecins et patients ont abandonné les lieux à une partie des chercheurs de l'université Paris-VI, dont les bâtiments, à Jussieu, sont en cours de désamiantage. C'est dans l'un des pavillons de briques rouges, derrière la petite chapelle, que s'est installé le tout nouvel Institut de minéralogie et de physique des milieux condensés (IMPMC) ¹. Créé le 1er janvier dernier, il réunit les anciens Laboratoires de minéralogie et cristallographie de Paris (LMCP) et Physique des milieux condensés (PMC). Il est divisé en quatre départements, Matériaux : structures et dynamique, Physique des milieux denses, Minéralogie et Biologie structurale. Des physiciens, des minéralogistes et des biologistes… Voilà une bien étrange association. « Notre maître mot est la pluridisciplinarité, explique avec enthousiasme Bernard Capelle, le directeur de l'Institut. C'est notre originalité. » Mais si les scientifiques travaillent tous main dans la main, ils n'en demeurent pas moins des spécialistes dans leur domaine propre. Pas question de faire d'eux des touche-à-tout ! « Un chercheur qui ne travaillerait qu'à l'interface entre deux domaines perdrait peu à peu contact avec sa culture originelle, estime Bernard Capelle. Or il est indispensable qu'il reste à la pointe dans sa spécialité afin d'enrichir de ses connaissances toujours renouvelées les travaux interdisciplinaires. » Le ton est donné.

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© T.Mamberti/CNRS Photothèque

Les spectromètres permettent aux chercheurs de l'IMPMC d'analyser les échantillns de matière à l'aide d'une lumière laser.

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Que ce soit en physique, en minéralogie ou en biologie, les chercheurs de l'Institut s'intéressent à la structure de la matière. Autant dire que l'instrumentation a son importance. Les salles du sous-sol regorgent de spectromètres, chromatographes et diffractomètres en tout genre. Ils ont été rejoints récemment par un microscope électronique dernier cri. Une équipe s'est d'ailleurs spécialisée dans la cryomicroscopie, une technique qui permet de saisir sur le vif des échantillons biologiques sans qu'ils soient endommagés par le faisceau d'électrons du microscope. « Pour les protéger et les garder dans un état d'hydratation adéquat, nous avons développé une méthode de congélation rapide par l'éthane liquide », explique Nicolas Boisset, qui dirige ce pôle. L'équipe reconstitue ainsi la structure tridimensionnelle de virus, de complexes enzymatiques, etc.

Que les biologistes examinent de près des êtres vivants, rien de plus normal. Mais que les minéralogistes leur emboîtent le pas, voilà qui est moins orthodoxe. De fait, plusieurs d'entre eux à l'IMPMC analysent les liens qui unissent les minéraux à certains micro-organismes. Guillaume Morin est de ceux-là. « Outre le transfert naturel des métaux lourds (plomb, zinc, arsenic) dans les sols, j'étudie l'influence des micro-organismes sur les minéraux. » En collaboration avec le laboratoire Hydrosciences de Montpellier ², il a notamment fait des recherches sur un petit cours d'eau, dans le Gard, qui se charge en arsenic lorsqu'il traverse un ancien site minier. Or, après quelques kilomètres, l'eau redevient claire. Les scientifiques ont noté la présence de bactéries dans cet environnement hostile. Après examen, il s'avère qu'elles tirent leur énergie du fer, en transformant le fer II en fer III, beaucoup moins soluble dans l'eau. Résultat : il précipite et entraîne avec lui les métaux lourds qui se déposent sur le lit du ruisseau. En un kilomètre, la concentration de l'eau en arsenic est divisée par 200 ! « Ces recherches qui réunissent les compétences des minéralogistes, des biologistes et des chimistes de l'eau sont très importantes, car elles pourront peut-être être appliquées à la dépollution de sites à l'aide de micro-organismes », assure Guillaume Morin.

Les micro-organismes pourraient faire plus. En collaboration avec l'Institut de physique du Globe de Paris, François Guyot, responsable du département de minéralogie de l'IMPMC, étudie les capacités de stockage du dioxyde de carbone de certaines espèces. « L'une des solutions envisagées au problème des gaz à effet de serre est l'injection du dioxyde de carbone dans le sous-sol, explique-t-il. En y mêlant certaines bactéries, ou en comptant sur celles qui vivent déjà dans la croûte terrestre, il serait possible de le transformer en carbonate et donc de l'immobiliser. » Comme il est possible d'immobiliser les déchets nucléaires, à l'aide de verres particuliers. Certains minéralogistes de l'IMPMC explorent la structure de ces verres de stockage, en relation avec les études sur leur stabilité menées au CEA ³. D'autres, comme Thierry Allard, analysent avec l'Andra ⁴ le comportement des argiles qui seront utilisées comme barrière autour des sites de stockage. « À l'aide des accélérateurs de particules, nous pouvons simuler la radioactivité et ainsi connaître les défauts qu'elle peut induire dans la roche. » Dans le domaine des verres, l'Institut combine mesures spectroscopiques et modélisation pour comprendre leurs propriétés, notamment en relation avec le secteur industriel. « Une autre spécialité dans laquelle se distingue l'IMPMC est l'étude de la couleur des minéraux », ajoute Georges Calas, son directeur adjoint. En détaillant la position des atomes d'un minéral et leur environnement proche, le rouge rubis ou le vert émeraude dévoilent enfin leurs secrets !

La visite continue. Autre porte, autre question : qu'y a-t-il à l'intérieur de la Terre ? Grâce à des cellules à enclumes de diamant, Guillaume Fiquet et ses collègues peuvent recréer des conditions de pression et de température proches de celles du manteau terrestre sur de petits échantillons de minéraux. En mesurant les vitesses de propagation du son dans ces roches fortement comprimées et chauffées et en les comparant aux mesures sismologiques, ils affinent les modèles de la structure interne de la planète. « Nous faisons également de la pétrologie expérimentale, ajoute le chercheur. Nous appliquons de fortes pressions et températures à des matériaux, et nous observons ce que nous avons fabriqué. »

L'étude de la matière sous pression constitue également l'axe de recherche du département Physique des milieux denses de l'IMPMC. Analyse du magnétisme, de l'élasticité et des propriétés optiques, vibrationnelles, structurales de solides et de fluides, moléculaires ou non, le tout sous haute pression… quatre équipes de physiciens s'y consacrent entièrement. Une presse mise au point au laboratoire a même été brevetée. Et tout récemment, une énigme scientifique vieille de vingt ans a été résolue.

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© IMPMC/Hydrosciences

Les bactéries Thiobacillus ferrooxidans, observées ici au microscope électronique, vivent en milieu acide et sont capables de dépolluer les métaux lourds comme l'arsenic.

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« Grâce à nos techniques d'observation, nous avons découvert pourquoi la glace d'eau cristalline (les molécules d'eau sont « rangées », NDLR) devient amorphe (les molécules sont placées sans ordre particulier, comme dans l'eau liquide, NDLR) à haute pression, un peu comme si elle “fondait” », explique le responsable du département, Stefan Klotz. Ce phénomène, observé pour la première fois en 1984, était resté inexpliqué. « Nous avons démontré qu'il s'agit d'une fusion mécanique, due à des instabilités dans le réseau cristallin de la glace », précise le chercheur. C'est aussi dans ce laboratoire que les synthèses sous haute pression de matériaux intéressant l'industrie, comme le nitrure de bore, sont étudiées.

Après deux jours passés à l'IMPMC, une chose est certaine : cet institut n'est pas tout à fait comme les autres. Véritable carrefour des sciences, il abat les murs qui se sont dressés peu à peu entre les disciplines et permet l'éclosion d'une nouvelle génération de chercheurs curieux de tout. Ici, le terme de « communauté scientifique » prend tout son sens.

Fabrice Demarthon