La fabrique de l’instrumentation scientifique

Peu visibles dans la littérature scientifique, les processus de conception des prototypes racontent la recherche en marche ainsi que l’ingéniosité déployée par les équipes au sein des laboratoires. Ils mettent en avant les gestes de la science, conciliant méthodologie expérimentale et savoir-faire techniques.

Ces gestes sont ceux des ingénieurs et des techniciens fabriquant des pièces sur-mesure ou adaptant un instrument existant et ceux des chercheurs expérimentant les prototypes ainsi réalisés. Un dialogue permanent se noue au sein des équipes des laboratoires pour mettre à l’épreuve une hypothèse. Les techniciens façonnent les pièces sur mesure, puis les ingénieurs et chercheurs testent le dispositif expérimental réajusté en fonction des résultats obtenus.

C’est par cette complémentarité que la recherche scientifique aboutit à des résultats. À la croisée des gestes et des savoirs, les prototypes apparaissent comme la matérialisation de la recherche en cours. Ils gardent une trace des pratiques, des savoir-faire et des connaissances, véritables témoins en devenir de la fabrique des sciences. Le prototype, cet instrument souvent complexe, permet de raconter les coulisses de la recherche et d’aller au-delà d’une image d’Épinal bien souvent répandue, celle du chercheur-créateur travaillant seul dans son laboratoire.

Very Wide Field Camera (VWFC)

La caméra à très grand champ VWFC est un instrument d’observation astronomique fonctionnant dans le domaine ultraviolet, embarquée dans le laboratoire européen Spacelab, qui a volé à deux reprises à bord de la navette spatiale américaine : Spacelab 1 à bord de Columbia en novembre 1983, puis Spacelab 3 dans Challenger en avril 1985. Sa pièce maîtresse est un miroir hyperbolique convexe de 30 centimètres. Placée dans la soute de la navette, la caméra est exposée au vide spatial au travers d’un sas et prend des clichés par le biais d’une voie photométrique à trois bandes passantes et d’une voie spectrographique. Les clichés rapportés ont permis aux équipes du LAS de détecter de nouvelles étoiles entre le Petit et le Grand Nuage de Magellan, galaxies satellites de la nôtre.

Société Barras Provence Laboratoire d’astronomie spatiale, Aix-Marseille Université-CNES-CNRS
1983
Titane
Inv. LAM-CNRS-AMU-CNES-328
© Service photographique du LAS
Corps de sonde atomique linéaire

Inventée aux États-Unis dans les années 1960 par Erwin Muller, la sonde atomique permet d’analyser les matériaux métalliques à l’échelle atomique en conjuguant la microscopie ionique afin de visualiser l’ordonnancement des atomes à la surface et la spectrométrie à temps de vol pour déterminer la nature chimique de ces atomes. L’élément présenté ici est une partie emblématique de la première sonde atomique française. La plupart des pièces ont été dessinées au laboratoire et usinées par les techniciens de l’atelier de la faculté des sciences de l’université de Rouen. L’instrument est modifié au gré des avancées technologiques avant de devenir obsolète face à l’apparition, dans les années 1990, de sondes tomographiques capables de reconstruire en trois dimensions le matériau analysé.

Groupe de physique des matériaux
1970-1974
Inox
Inv. GPM- 181
Photographies argentiques d’un échantillon de tungstène analysé par microscopie ionique. Service Patrimoine Normandie/Collection J.- M. Sarrau/Archives RéSITech
Corps de sonde atomique linéaire, vers 1974. Région Normandie, Inventaire général, Denis Couchaux
Viscosimètre de Couette par Ducretet

Un viscosimètre mesure la résistance à l’écoulement d’un fluide (liquide ou gaz). Maurice Couette le conçoit dans le cadre de sa thèse soutenue à la Sorbonne en 1890 puis le transporte à Angers, où il est professeur et où l’objet est oublié jusqu’à sa redécouverte en 1990. Le viscosimètre est constitué de deux cylindres de rayons légèrement différents tournant sur le même axe. Le fluide introduit entre les deux cylindres est entraîné par le plus grand (actionné par un moteur) et entraîne le petit par viscosité. Le petit cylindre est suspendu à un fil qui se tord en fonction de la vitesse de rotation. La mesure de la torsion permet de déterminer la viscosité du fluide.
Des viscosimètres de ce type, « en rotation », sont toujours commercialisés de nos jours.

Université catholique de l’Ouest, Angers
1888
Fonte, laiton, acier
Inv. UCO-1096-PHY
© UCO
UDock

Udock est un serious game sur l’amarrage moléculaire, c’est-à-dire la prédiction de la géométrie de l’interaction entre deux molécules de protéines, qui composent la majorité de la machinerie du vivant. Prédire les interactions permet de comprendre et d’intervenir dans le fonctionnement de la cellule, notamment dans le cadre de recherches thérapeutiques. L’interface est ludique, en transformant l’énergie d’interaction en score à battre. Les résultats de la manipulation peuvent être exploités pour la modélisation moléculaire.

Udock est utilisé comme outil pédagogique pour des étudiants et utilisateurs non avertis mais également comme outil d’exploration rapide et léger par des utilisateurs experts. L’application est encore en développement dans le cadre du projet ERC Vidock mais il est déjà possible d'y jouer en ligne.

Laboratoire Génomique, bioinformatique et chimie moléculaire (GBA, EA7528)
Centre d’études et de recherche en informatique et communication du Cnam (Cédric, EA4629)
Conservatoire national des arts et métiers, Paris (Cnam)
Depuis 2013
© Cnam Paris
RAMO (Réacteur autoclave micro-ondes) & Coconut

RAMO et Coconut utilisent la technique de l’autoclave, similaire à l’autocuiseur domestique. Les autoclaves existants, métalliques pour une meilleure résistance, ne peuvent pas être soumis aux microondes, le métal ne laissant pas pénétrer l’énergie électromagnétique. Le défi a donc été de réaliser une structure résistant à la pression sans l’utilisation de métal. Les polymères employés permettent un transfert d’énergie jusqu’au milieu réactionnel ou les solvants et les sels métalliques se transforment, grâce à un procédé breveté, en des nanocristaux réguliers en quelques minutes. Ceux-ci sont ensuite directement exploitables dans les domaines cosmétique et médical. Successeur de RAMO, Coconut, par sa forme ovoïde non symétrique, monte en température cinq fois plus rapidement, avec un haut niveau de focalisation des ondes électromagnétiques.

RAMO
Université de Bourgogne Michael Lallemant, Didier Stuerga
Années 1990
Matériaux polymères : Ultem et Téflon
Inv. UB.ST.CHI.009
© Vincent Arbelet

Coconut
Université de Bourgogne Pierre Pribetich, Didier Stuerga
Années 1990
Matériaux polymères : Ultem et Téflon
Inv. UB.ST.CHI.010
© Vincent Arbelet
Sonde de mesure de la composante verticale du champ électrique d’orage

Cette sonde renseigne sur la distribution verticale du champ électrique sous et dans les nuages d’orage afin d’en obtenir une caractérisation électrostatique, impossible à mesurer depuis le sol. Elle est expérimentée en France et aux États-Unis à partir de 1989, au cours de campagnes coopératives. Emportée par un ballon, la sonde peut atteindre la troposphère (10 à 12 kilomètres) et réaliser un sondage vertical grâce à une combinaison de signaux recueillis par deux moulins à champs situés de part et d’autre de l’instrument. Les données, transmises en temps réel par télémesures, permettent de caractériser l’intérieur du cumulonimbus, et de déterminer les seuils de champ électrique conduisant au déclenchement des éclairs. Ces informations permettent de savoir quand lancer les procédures de protection contre la foudre.

Laboratoire d’aérologie (Observatoire Midi-Pyrénées – Cnes / CNRS / IRD / Météo-France / Université Toulouse III-Paul Sabatier)
1989
Coque : aluminium
Inv. OMP.CHA.006
Détail des cartes électroniques de la sonde
© Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées
Cône catalytique

Le cône catalytique permet de réaliser une réaction en mélange triphasique (gaz-liquide-solide). Son objectif est d’oxyder un composé organique volatil naturel, l’acétaldéhyde, en glyoxal, qui est un produit intermédiaire polyvalent ayant de nombreuses applications en chimie fine et en chimie textile. Le cône est une cellule à trois parois dans sa partie inférieure et deux dans sa partie supérieure. Un compartiment très fin, en bas et au centre, permet l’admission du gaz oxydant. Une circulation d’eau maintient la température de réaction stable. L’agitation créée au centre de la cellule entraîne la composition d’un mélange nouveau, qu’il est possible d’identifier par analyse chromatographique. Faute de rentabilité, cette expérimentation, menée avec la société Clariant France SA, n’a pas été poursuivie.

Institut de chimie des milieux et matériaux de Poitiers (IC2MP, UMR 7285, anciennement LACCO, Laboratoire de Catalyse en Chimie, UMR 6503), université de Poitiers
1999
Verre borosilicaté
Inv. UP-CHI-1185
© Université de Poitiers (CVCU)
Préleveur de fluide hydrothermal

Cet instrument témoigne de l’épopée de l’exploration des grands fonds marins, longtemps terrains méconnus tant l’observation de la croûte terrestre sous les océans est un défi technique et humain. Il est conçu dans les années 1980 pour prélever des fluides hydrothermaux découverts à l’aplomb des dorsales océaniques. Afin de résister à des conditions extrêmes (600 bars à 6 000 mètres de profondeur et jusqu’à 450 °C), il est constitué d’un alliage de titane et comprend six bouteilles de prélèvement entourées de cylindres de compensation de la pression. La sphère, en matériau composite, sert à la préhension par le bras télémanipulateur du Nautile, sous-marin habité prévu pour plonger jusqu’à 6000 mètres de profondeur. Malheureusement, son utilisation trop complexe, notamment son nettoyage, en a limité l’utilisation.

Ifremer, service Archives et Patrimoine
Vers 1984
Titane, acier inoxydable
Inv. Ifremer.OCEANO.0006
© Ifremer/Photo Gilles Chatry