Empa Quarterly - BÂTIR PLUS INTELLIGEMMENT FOCUS
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Empa Quarterly
RECHERCHE & INNOVATION II #73 II OCTOBRE 2021
FOCUS
BÂTIR PLUS INTELLIGEMMENT
ACCUMULATEURS DE CHALEUR EXPÉRIMENTAUX
UN TRAITEMENT DU CANCER PLUS DOUX
TRACES DE POISON DANS LE PARC NATIONAL
www.empaquarterly.ch
[ ÉDITORIAL ]
[ CONTENT ]
[ FOCUS: BÂTIR PLUS INTELLIGEMMENT ]
DES IDÉES
ASTUCIEUSES
[ FOCUS ] [THÈMES] [ RUBITS ] Chère lectrice,
cher lecteur
13 FENÊTRES 08 NANOMÉDECINE 04 LA PHOTO
Économiser l›énergie Particules d›oxyde Si vous connaissez votre
grâce à l›isolation recyclée métallique pour une 06 EN BREF matériau, vous pouvez en
thérapie plus douce faire les choses les plus
16 CONSTRUCTIONS 24 ZUKUNFTSFONDS étonnantes : de la cellu-
LÉGÈRES 10 INFRAROUGE lose à un adhésif pour restaurer de vieilles
Nouvelle unit HiLo Écran composé de 34 EN ROUTE œuvres d‘art, des oxydes métalliques à un
dans le NEST nanocouches traitement contre le cancer avec moins
d‘effets secondaires, ou des couches ultra-
19 CYCLE DES 26 PORTRAIT fines à une caméra thermique à bas prix.
MATIÈRES Le microscopiste Rolf Erni
Un «sprint» vers le fait des recherches et aide Des idées astucieuses, chacune dévelop-
Économie circulaire pée dans l‘un des quelque 30 laboratoires
30 POLLUTION PCB de l‘Empa, qui ont une chose en commun :
22 ENERGIE Source de poison dans le Leurs inventeurs ont regardé au-delà de leur
Stockage expérimental de Parc national suisse domaine respectif et se sont mis en réseau
la chaleur dans les profon- avec des collègues d‘autres disciplines.
30 deurs
Même si nous ne faisons que «construire»,
nous essayons de trouver des idées pour de
nouvelles approches des solutions. Par exemple,
avec un champ de sondes géothermiques à
haute température comme système de stoc-
Photos: Schweizerischer Nationalpark, Roman Keller, Nicolas Zonvi, Hochuli advanced, Wikimedia/ Extreme CCTV
[ COUVERCLE ] [ IMPRESSUM ] kage de chaleur durable pour l‘hiver, que nous
De vieilles moquettes
comme matériau d‘iso- ÉDITEUR: Empa installons actuellement sous notre nouveau
lation acoustique pour
les cloisons de bureaux Überlandstrasse 129 bâtiment de laboratoire à une profondeur
? Ça marche ! Et ça a
l‘air bien. L‘unité NEST 8600 Dübendorf, Schweiz d‘environ 100 mètres (p. 22) ou dans la nou-
Sprint établit de nouvelles
normes en matière de www.empa.ch velle unité NEST Sprint, qui a été créée entiè-
bâtiments recyclés et a
été construite en dix mois RÉDACTION: Empa Kommunikation rement à partir de matériaux usagés (p. 19).
seulement (page 19).
Image: Martin Zeller DIRECTION ARTISTIQUE:
16 10 PAUL AND CAT.
www.paul-and-cat.com
Tant de créativité demande souvent du temps,
c‘est-à-dire de l‘argent. C‘est pourquoi nous
CONTACT: Tel. +41 58 765 47 33 avons décidé de nous adresser de plus en plus
empaquarterly@empa.ch aux donateurs privés. Nous rendrons régulière-
www.empaquarterly.ch ment compte de la manière dont nous utilisons
PUBLICATION: les fonds collectés, en commençant par un
Imprimé
publié quatre fois par an article sur un procédé permettant de rendre
myclimate.org/01-21-387731 le béton beaucoup plus écologique (p. 24).
ISSN 2673-1746
Empa Quarterly (édition française) Bonne lecture!
Votre MICHAEL HAGMANN
13 26
2 I EMPA QUARTERLY II OCTOBRE 2021 II # 73 # 73 II OCTOBRE 2021 II EMPA QUARTERLY I 3
[ LA PHOTO ]
ART COLLÉ
Préserver les objets culturels historiques en bois pour
la postérité est tout sauf anodin. La pyrogravure du
19e siècle sur un mince panneau de bois de tilleul,
ici dans la photo, est complètement brisée. La petite
image en haut à gauche ne montre qu‘une moitié de
l‘artefact. Les chercheurs de l‘Empa et de la Haute
école des arts de Berne ont développé une colle à
base de cellulose qui lie le bois de tilleul de manière
à la fois stable et douce. En effet, la colle à base
de bois ne détruit pas l‘œuvre d‘art et résiste aux
conditions environnementales souvent difficiles des
biens culturels dans les vieux châteaux ou les voûtes
humides des églises.
Plus d´informations ici: www.empa.ch/web/gei/wnb
Photo: Karolina Soppa, HKB
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[ BRIÈVEMENT ]
LE RETOUR DU VIOLON BIOTECHNOLOGIQUE DE MEILLEURS MODÈLES CLIMATIQUES GRÂCE AUX SUPERORDINATEURS
UN EXEMPLE
Irina Pak de l’orchestre
Tonhalle de Zurich
Walter Fischli, président du Conseil de fondation
a joué avec le violon
de la fondation du même nom à Allschwil (BL), a CALCULÉ AVEC ICON-ART
Mycowood – avec un
La carte montre la distribution du
enthousiasme évident. récemment remis à l’Empa le violon Mycowood monoxyde d’azote (NO) le 19 janvier
«Caspar Hauser II». La fondation soutient un pro- 2015 à 16 heures. Vous pouvez voir que
les villes et les routes sont des sources
jet de recherche de longue date de l’Empa dans le
d’oxydes d’azote. La distribution est
cadre duquel des violons biotechnologiques sont plus régulière à l’ouest qu’à l’est – en
développés: À l’aide d’un champignon de moi- raison de processus chimiques et parce
que le soleil s’est déjà couché à l’est.
sissure blanche, l’équipe dirigée par le chercheur
Francis Schwarze a réussi à mettre au point un
processus dans lequel les moisissures décom-
posent les cellules du bois de manière ciblée – et
améliorent les propriétés acoustiques du bois.
C’est ainsi qu’a été produit dans les laboratoires
de l’Empa le «mycowood» qui a donné son corps
au «Caspar Hauser II». L’instrument est une copie Depuis juillet, la «Platform for Advanced Scientific Computing» suisse finance un projet de trois ans dirigé par le chercheur de l’Empa Dominik Brunner –
exacte d’un maître violon Guarneri de 1724, et les sur un défi majeur pour les modèles de calcul, à savoir le climat. Les processus atmosphériques, avec leurs interactions et leurs conséquences sur le réchauf-
premières analyses acoustiques comparatives de fement de la planète ou la pollution atmosphérique, ont depuis longtemps poussé les ordinateurs conventionnels à leurs limites – et les architectures plus
l’original et de sa copie biotechnologique se sont puissantes à entrer en jeu. Les GPU («Graphic Processing Units») dotés de nombreux processeurs calculent massivement en parallèle, mais ils nécessitent
déjà révélées prometteuses. Aujourd’hui, l’instru- une programmation différente. Avec le projet HAMAM, l’équipe souhaite adapter aux GPU deux extensions particulièrement gourmandes en ressources
ment Mycowood est retourné à son «lieu de nais- de calcul du modèle météorologique et climatique ICON: les modules ART pour les simulations de la qualité de l’air et HAM pour les interactions entre les
sance». Mais seulement pour un laps aérosols et le climat. Ces modèles seront développés et testés sur le superordinateur «Piz Daint» du «Swiss National Supercomputing Center» à Lugano.
PRÉCIOSITÉ de temps: afin que le «Caspar Hauser
www.empa.ch/web/s503/team-modelling
Le président de la II» puisse développer une âme unique
Fondation Walter
Fischli (à droite) remet
en plus de son corps extraordinaire,
à Francis Schwarze, l’instrument pourra développer sa
chercheur à l’Empa, le sonorité en jouant régulièrement
violon Mycowood.
dans les années à venir. Pour célébrer
cette remise, la violoniste virtuose
UNE SPIN-OFF SUR LA VOIE DU SUCCÈS
Irina Pak de l’Orchestre de la Tonhalle de Zurich Sur la bonne voie en quelques années seulement: IRsweep
a joué sur le «Caspar Hauser II». La violoniste a a été fondé en 2014 – en tant que spin-off de l’Empa et de
fait sortir du nouveau violon des sons contempo- l’ETH Zurich. En mai, Sensirion, un fabricant de microcap-
rains ainsi que des mélodies baroques datant de teurs et de systèmes numériques, a repris la jeune entreprise
l’époque de la construction du violon original. et ses onze employés. Ses spectromètres de laboratoire
dotés de la technologie du peigne de fréquences dans
le domaine de l’infrarouge moyen sont utilisés dans la
www.empa.ch/web/s604/mycowood-violin recherche et le développement pour détecter des réactions
chimiques rapides dans les plus brefs délais. Les dispositifs
DES RÉACTIONS IRsweep sont déjà utilisés en Europe, en Amérique du Nord
RAPIDES DANS et en Asie. À long terme, cette technologie sera utilisée
LE VISEUR
Un spectromètre pour créer des capteurs peu coûteux, capables de détecter
Photos: Empa, IRsweep AG
IRsweep utilisé des traces de gaz dans l’environnement, par exemple.
dans l’analyse des
processus.
https://irsweep.com/
Photos: Empa
6 I EMPA QUARTERLY II OCTOBRE 2021 II # 73 # 73 II OCTOBRE 2021 II EMPA QUARTERLY I 7
[ NANOMÉDECINE ]
À L’INTÉRIEUR
Les nanoparticules de
dioxyde d’hafnium
TRAITEMENT
(colorées) s’accumulent
finalement sensibles aux rayonnements. ment à une application industrielle: Il dans les cellules cancé-
L’équipe dirigée par Lukas Gerken et s’est appuyé sur la synthèse de flamme reuses et peuvent provo-
quer des dommages cel-
Inge Herrmann du Laboratoire des inte- pour obtenir des oxydes d’hafnium,
lulaires après irradiation.
PLUS DOUX DES TUMEURS
ractions particules-biologie de l’Empa à de zirconium et de titane de la plus (Microscopie électronique,
Saint-Gall et du Laboratoire d’ingénierie haute qualité. «Grâce à la méthode de post-coloration)
des systèmes de nanoparticules de l’ETH production, il est même possible de
Zurich travaille donc avec les oncologues synthétiser plusieurs kilogrammes par
de l’Hôpital cantonal de Saint-Gall pour jour – selon l’usine», explique Lukas
trouver des moyens de sensibiliser les Gerken. Pour les analyses de laboratoire
cellules tumorales aux rayonnements. de l’Empa, le scientifique s’est toute-
La radiothérapie est l’une des pierres Les chercheurs ont jeté leur dévolu sur fois contenté de quelques grammes. OUTIL BRILLANT
angulaires du traitement du cancer. des nanoparticules composées d’oxydes L’élément chimique hafnium porte le nom
Toutefois, certains types de tumeurs ne métalliques, qui peuvent agir en tant MIEUX QUE L’OR de son lieu de découverte, Copenhague (lat.
répondent pas ou peu aux radiations. que radiosensibilisateurs. L’équipe Une fois les nanoparticules disponibles Hafnia). Le chimiste et lauréat du prix Nobel
S’il était possible de rendre les cellules a maintenant réussi à produire ces en quantités suffisantes, Lukas Gerken a George de Hevesy et le physicien Dirk Coster
tumorales plus sensibles, le traitement radiosensibilisateurs en grande quantité pu examiner les «bijoux» en détail, par ont finalement réussi à détecter l’élément du
serait plus efficace et plus doux. Des et à analyser leur effet de manière plus exemple à l’aide de la spectroscopie aux groupe du titane en 1923 au moyen de la
chercheurs de l’Empa ont réussi à utiliser détaillée. Les chercheurs ont récem- rayons X et de la microscopie électro- spectroscopie à rayons X, alors que plusieurs
des nanoparticules d’oxyde métallique ment publié leurs résultats dans la revue nique. Son verdict: «Nous pouvons scientifiques, comme le lauréat du prix Nobel
comme «radiosensibilisateurs» et à scientifique «Chemistry of Materials». produire des nanoparticules d’oxyde Niels Bohr, n’avaient auparavant que soup-
les produire à l’échelle industrielle. métallique stériles et de haute quali- çonné son existence. Le hafnium n’est nor-
MÛRI DANS LE FEU té qui semblent inoffensives pour les malement pas présent dans le corps humain
Texte: Andrea Six Dans le domaine de la recherche sur le cellules saines de l’organisme», explique et n’est pas toxique. En oncologie, on espère
A
cancer, des études sont actuellement le chercheur. Il l’a prouvé à l’aide de que le hafnium aura un effet de soutien dans
ujourd’hui, il existe en cours sur différentes classes de cultures cellulaires qu’il a traitées en le traitement du cancer. Les premiers essais
plusieurs méthodes de substances pour rendre l’irradiation des laboratoire avec différentes suspensions cliniques ont déjà été réalisés avec succès.
traitement du cancer, qui tumeurs plus efficace. On ne sait pas en- de nanoparticules. Les oxydes métal-
peuvent se compléter. core exactement comment fonctionnent liques se sont accumulés en grande
On a souvent recours à les nanoparticules d’or ou d’oxydes quantité à l’intérieur des cellules. Le puissant: les cellules tumorales traitées
la radiothérapie, qui peut être associée métalliques plus exotiques comme le dioxyde d’hafnium était en tête de liste: avec des particules d’hafnium ont pu
à la chirurgie et à la chimiothérapie, dioxyde d’hafnium dans ce contexte. On Ici, un demi-milliard de nanoparticules être éliminées avec moins de la moitié de
par exemple. Bien que le traitement par sait qu’une cascade de réactions com- ont pénétré dans chaque cellule indi- la dose de rayonnement. Cette première
rayonnements ionisants soit utilisé en plexes exerce un stress oxydatif dans les viduelle sans être toxiques. Par rapport étude comparative a également montré
médecine depuis plus de 100 ans, même cellules cancéreuses. De cette façon, les aux oxydes métalliques, le nano-or a fait que le dioxyde d’hafnium fonctionne
l’oncologie moderne n’est parfois pas mécanismes de réparation des cellules beaucoup moins bien à taille de particule même quatre fois mieux que le nano-or
satisfaite de son efficacité. La raison: malignes peuvent éventuellement être égale: environ 10 à 30 fois moins de et le dioxyde de titane. En revanche,
les tumeurs malignes ne réagissent pas dépassés. Afin de rendre les nanoparti- particules d’or ont pénétré à l’intérieur les cellules humaines saines (appelées
toujours de manière assez sensible aux cules disponibles pour un usage clinique, des cellules.Aussi inoffensives que soient fibroblastes) n’ont montré aucun effet
rayonnements. «Si la sensibilité des deux obstacles ont d’abord dû être sur- initialement ces substances pour les cel- négatif des rayonnements après le trai-
cellules tumorales pouvait être aug- montés: La production par les méthodes lules saines, elles déploient puissamment tement par nanoparticules. Ces résultats
mentée, la radiothérapie pourrait être classiques de la chimie par voie humide leurs effets lorsqu’elles sont utilisées rendent Lukas Gerken confiant: «Nous
plus efficace et plus douce», explique rend difficile la production de quantités à dans les rayonnements. L’équipe a pu allons poursuivre dans cette voie pour
FEU ET GLACE
Lukas Gerken, chercheur à l’Empa. En l’échelle industrielle, et il y a un manque le démontrer en utilisant des lignées de explorer le mécanisme d’action des na-
Lukas Gerken, chercheur à l’Empa,
produit des nanoparticules pour d’autres termes: Un objectif de trai- d’analyses comparatives sur l’efficacité cellules cancéreuses. Si les cultures cel- noparticules et optimiser encore leur ef-
la thérapie du cancer en utilisant tement souhaité pourrait être atteint des différentes substances. Le chercheur lulaires étaient traitées avec des oxydes ficacité.» Il espère que ses études feront
la synthèse de flamme. Pour rendre
visibles les minuscules particules avec une dose de rayonnement plus de l’Empa Lukas Gerken a maintenant métalliques puis bombardées par des ainsi progresser l’application clinique des
métalliques, le microscope faible qu’actuellement, ou des tumeurs réussi à produire des radiosensibilisateurs rayons X, l’effet de destruction aug- nanoparticules en radiothérapie. ■
Photo: Empa
Photo: Empa
électronique est refroidi à des
particulièrement résistantes aux rayon- à base d’oxydes métalliques en utilisant mentait considérablement. Le dioxyde
températures glaciales avec de
l’azote liquide. nements pourraient même devenir une méthode qui convient parfaite- d’hafnium s’est avéré être l’outil le plus Plus d´informations ici: www.empa.ch/web/s403
8 I EMPA QUARTERLY II OCTOBRE 2021 II # 73 # 73 II OCTOBRE 2021 II EMPA QUARTERLY I 9
[ INFRAROUGE ]
VOIR LE MONDE L
a lumière infrarouge (IR) est et à la rendre visible. Le composant tance à la température. Les chercheurs
invisible pour les humains. développé par l’Empa est en fait un ont modifié chimiquement l’acide
Cependant, certains animaux, écran OLED avec trois couches supplé- squarique pour qu’il absorbe dans la
AVEC DES YEUX DIFFÉRENTS
comme les serpents à sonnette mentaires (voir graphique). La lumière gamme de la lumière SWIR. «Actuelle-
ou les chauves-souris suceuses SWIR tombe à travers une vitre électri- ment, nous travaillons avec des colorants
de sang, peuvent percevoir le rayonne- quement conductrice sur une couche qui absorbent à un peu moins de 1000
ment IR et l’utiliser pour trouver de la de colorant dans un photodétecteur. nanomètres», explique Roland Hany.
nourriture. Mais même pour les humains, Là, les électrons commencent à mi- «Mais nous travaillons déjà à déplacer
la capacité de voir dans la gamme des grer – ce mouvement migratoire est l’absorption vers des longueurs d’onde
infrarouges à ondes courtes (SWIR) amplifié par une tension électrique. Les plus grandes, plus loin dans la gamme
La lumière infrarouge à ondes courtes (SWIR) est utile à de nombreux égards: elle permet de trier
serait parfois utile. Avec l’aide de la seule charges électriques migrent ensuite IR. Si nous y parvenons, notre cap-
les fruits abîmés et d’inspecter les puces en silicium, et elle permet aux dispositifs de vision nocturne de fournir
lumière des étoiles, on pouvait alors dans la couche OLED et y produisent teur sera capable de détecter l’eau et
des images nettes. Mais jusqu’à présent, les caméras SWIR reposaient sur des composants
voir assez distinctement la nuit. Pour un point lumineux vert. Le traitement l’humidité bien mieux qu’aujourd’hui.»
électroniques coûteux. Des chercheurs de l’Empa, de l’EPFL, de l’ETH Zurich et de l’Université
les mécaniciens, la chaleur d’une panne électronique du signal par un ordinateur
de Sienne ont développé un écran SWIR composé de huit couches seulement sur une surface en verre.
de fer à souder serait visible au premier n’est pas nécessaire: la lumière SWIR À LA RECHERCHE D’UN PARTENAIRE
Texte: Rainer Klose coup d’œil. Et les marchands de fruits incidente (invisible) est amplifiée «ana- INDUSTRIEL
pourraient reconnaître la marchandise logiquement» pour ainsi dire et affichée Roland Hany préfère appeler le mo-
endommagée avant même que le pro- directement sur l’écran. La couleur de dule découvert par son groupe OUC:
cessus de décomposition ne commence. la lumière visible émise – bleu, vert, «organic upconversion device». En effet,
jaune ou rouge – peut être ajustée en elle convertit une faible lumière infra-
Mais la lumière IR a un «problème»: elle sélectionnant le colorant dans l’OLED. rouge en une lumière visible plus forte
FAUX COULEURS
Le monde semble diffé- est plus faible que la lumière visible et («conversion ascendante») et fonctionne
rent en infrarouge: que la lumière UV, de l’autre côté du UTILE POUR LA VISION NOCTURNE à l’aide de fines couches de colorant
Photos de paysages avec
une caméra SWIR.
spectre lumineux. Ainsi, alors que la lu- ET POUR LE TRI DES HARICOTS issues de la chimie du carbone («orga-
mière UV fait briller en bleu les chemises La lumière SWIR est utile pour de nique»). L’un des problèmes est que le
blanches et les dents des danseurs dans nombreuses applications dans l’indus- savoir-faire en matière de production
une discothèque – il suffit d’un colorant trie alimentaire, la logistique ou l’ar- industrielle de composants organiques
fluorescent dans un détergent – tisanat. Par exemple, on peut rendre et optoélectroniques se trouve princi-
la lumière IR est difficile à rendre visible visible la température des pointes de palement en Asie. Cependant, Roland
pour l’œil humain. En effet, les colorants soudure ou surveiller le refroidissement Hany est confiant dans le fait que sa
peuvent convertir directement la lumière des bocaux et bouteilles nouvellement découverte se concrétisera bientôt:
à haute énergie en lumière à basse fabriqués. La lumière SWIR fait paraître «Pour le moment, nous travaillons à
énergie, mais pas la lumière à basse les objets humides plus sombres, ce augmenter la sensibilité du module et à
énergie en lumière à haute énergie. qui est utile pour trier les grains de café améliorer sa stabilité à long terme.»
▲
ou les olives noires: les pierres et les
UNE CAMÉRA IR COMPLÈTE SUR UNE PUCE objets métalliques, en tant qu’impure-
Les caméras IR ont donc besoin d’élec- tés, brillent sur le tapis roulant parmi
tronique pour capturer la lumière IR, tous les fruits sombres (humides).
d’un amplificateur électronique et
enfin d’un écran pour afficher l’image La clé de l’écran SWIR de Roland Hany
générée artificiellement. Cela coûte réside dans des colorants spéciaux sur
de l’argent. Aujourd’hui, les camé- lesquels lui et ses collègues ont mené
ras SWIR standard à usage industriel des recherches depuis longtemps. Ils
coûtent environ 7000 francs suisses. sont appelés squaraine – le nom vient
Fotos: 120_foto-bylines_x12
de la structure de base de la molécule Que pouvez-vous faire avec de tels dispositifs de vision
Les chercheurs de l’Empa Roland Hany, chimique, l’acide squarique. Cette classe SWIR? Un film promotionnel du fabricant
Photo: iStockfoto
Karen Strassel, Wei-Hsu et Michael de colorants a été découverte dans les d’appareils photo Sony le montre:
Bauer ont maintenant réussi à capter la années 1960 et se caractérise par une
lumière SWIR avec un seul composant couleur profonde et une bonne résis- https://youtu.be/mS4EBbALAFM
10 I EMPA QUARTERLY II OCTOBRE 2021 II # 73 # 73 II OCTOBRE 2021 II EMPA QUARTERLY I 11
[ INFRAROUGE ] [ FOCUS: BÂTIR PLUS INTELLIGEMMENT ]
Structure du photodétecteur
ISOLATION À PARTIR
Électrode
OLED
Électrode d'aluminium (100nm)
Ca (10nm)
Alq3 (40nm)
TPD (50nm)
MoO3 (15nm)
DE BOUTEILLES VIDES
OPD
Électrode Colorant (65nm) Les bandes isolantes sont essentielles pour une bonne isolation thermique des profilés de fenêtres et des façades
TiO2 (35nm)
Électrode ITO (135 nm)
en aluminium. Les chercheurs de l’Empa et leurs partenaires travaillent depuis un certain temps sur un nouveau
Vitre de verre type de produit «sandwich» dont le remplissage est écologique: du matériau recyclé provenant de bouteilles en PET.
La mise sur le marché est maintenant imminente – avec de bonnes perspectives de succès.
Texte: Norbert Raabe
Lumière infrarouge Lumière visible
E
lles sont encore mieux cachées
Absorption de l’eau que les vis, dont on peut au
Intensité lumineuse 100
moins encore voir les têtes,
du photodétecteur mais elles sont tout aussi
omniprésentes: des bandes
Transmission [%]
isolantes sont collées à l’intérieur des
profilés en aluminium et en métal pour
Luminosité d’un pixel [cd/m2]
Lumière NIR (980nm) 50
100
les fenêtres et les vitrages de façade
10 – comme isolateurs thermiques entre
1 (on/off)max l’extérieur et l’intérieur, car sinon le
0 froid ou la chaleur circuleraient sans
0 1000 2000
0.1 contrôle à travers le métal. Un com-
Longueur d’onde [nm]
sombre posant discret, en d’autres termes, qui
0.01
devient encore plus important avec le
0 6 12
Voltage [V] réchauffement climatique et la néces-
sité de réduire les émissions de CO2.
STRUCTURE DU PHOTODÉTECTEUR INTENSITÉ LUMINEUSE DU PHOTODÉTECTEUR ABSORPTION DE L’EAU Mais bien qu’elle soit établie depuis plus
Le photodétecteur IR est comme un sandwich de Plus la tension est élevée, plus les charges L’eau n’absorbe pas la lumière dans le domaine de quatre décennies, la bande isolante a
plusieurs couches. La lumière infrarouge (IR) est générées par la lumière IR migrent facilement visible, elle est donc «incolore». Cependant, un potentiel d’amélioration. Une équipe
absorbée par le photodétecteur organique (OPD), dans l’OLED et s’y recombinent, émettant ainsi elle présente quelques bandes d’absorption de l’Empa dirigée par Michel Barbezat
créant des charges électriques: Électrons et trous. de la lumière visible. L’intensité de la lumière proéminentes entre 760 nm et 2000 nm. Si, par et Giovanni Terrasi du département
Les électrons se déplacent vers l’électrode positive visible est exprimée en candela par mètre carré exemple, une pomme est irradiée par une lumière Génie des systèmes mécaniques travaille
(et transparente) (dioxyde de titane, TiO2/oxyde (cd/m ). Pour les tensions élevées – ici entre six
2
IR à 1450 nm, l’eau contenue dans la pomme sur un nouveau type de produit – avec
d’étain et de dium, ITO), les trous se déplacent et douze volts – cependant, même en l’absence absorbe ces rayons, tandis que les composants des experts de l’entreprise de construc-
à travers une couche de transport (oxyde de de lumière IR («obscurité»), un petit courant non aqueux de la pomme réfléchissent la lumière tion métallique Hochuli à Wigoltin-
molybdène, MoO3) dans la diode électrolumines- de fuite circule déjà, qui émet faiblement de la IR. Ainsi, les processus de dégradation internes gen, qui a fondé à cet effet sa propre
cente organique (OLED). Là, ils se combinent lumière visible. Pour obtenir le meilleur contraste des pommes, par exemple, sont immédiatement vi- société sœur «hochuli advanced».
avec les électrons qui sont injectés via l’électrode d’image possible, la différence d’intensité de sibles sous forme de taches sombres. Cela permet
négative (aluminium, Al/calcium, Ca). Ce faisant, la lumière visible émise avec et sans rayons IR de trier facilement les pommes endommagées afin Le point fort de la bande isolante «Al-
Photo: Shutterstock
Graphique: Empa
ils émettent de la lumière visible. Abréviations: TBD doit être la plus grande possible: «(on/off)max». de les transformer directement en jus de pomme. pet»: à l’intérieur du plastique renforcé
PROTECTION DU CLIMAT
= N,N’-Bis(3-méthylphényl)-N,N’-diphénylbenzi- de fibres de verre se trouve une bande Les façades en verre doivent être
dine; Alq3 = Tris(8-hydroxyquinoline)aluminium Plus d´informations ici: www.empa.ch/web/s209 de mousse en polyéthylène téré- bien isolées.
▲
12 I EMPA QUARTERLY II OCTOBRE 2021 II # 73 # 73 II OCTOBRE 2021 II EMPA QUARTERLY I 13
[ FOCUS: BÂTIR PLUS INTELLIGEMMENT ] [ FENÊTRES ]
ment Michel Barbezat, chercheur à tions haut de gamme actuelles, Frank Des tests détaillés sont ensuite effectués
LA MÉTHODE l’Empa. «Techniquement, nous avons Hochuli estime que l’isolation thermique par les fabricants eux-mêmes, dans leurs
«STEPPED ISOSTRESS» certainement de très bonnes chances», d’un nouvel immeuble de bureaux, par propres laboratoires, avec leurs propres
Comment un composant en plastique se dit-il. Les valeurs mesurées et le pro- exemple, pourrait être améliorée de près systèmes de profilés. Des discussions ont
déforme-t-il sur une période de 30 ans duit, qui peut être facilement recyclé d’un cinquième. Et comme la bande iso- eu lieu à ce sujet; les premiers clients
ou plus – sous une charge continue et de malgré l’utilisation de deux matériaux, lante, avec sa «queue d’aronde» comme commencent déjà à faire des essais. «Je
grandes différences de température? Les sont déjà convaincants. Et les experts raccord de montage, est compatible suis résolument optimiste», déclare M.
«essais de fluage» courants effectués en la- sont également confiants quant à la avec tous les systèmes courants, les Hochuli. «Sinon, je n’aurais pas fondé
LE BANDE ISOLANTE boratoire pendant plus de 1000 heures sous stabilité à long terme nécessaire sur de solutions existantes peuvent être mises une entreprise pour mettre notre idée
La couleur verdâtre provient
des charges thermomécaniques combinées nombreuses années, que son équipe a à niveau relativement facilement – par sur le marché». Mais le projet ne fera pas
de l’utilisation de PET prove-
nant de bouteilles recyclées. ne permettent pas de faire des déclarations tenté d’estimer à l’aide d’expériences exemple, pour répondre aux exigences cavalier seul: les experts de l’Empa conti-
En dessous : Un premier sérieuses. Cependant, pour pouvoir faire et de la méthode innovante des « élevées des normes relatives aux maisons nueront à soutenir la bande isolante
prototype de la chaussée.
des prévisions à long terme, de nouvelles Stepped Isostress» (voir encadré). passives. «Avec les profilés en aluminium, avec leur savoir-faire après de nom-
méthodes ont été développées et affinées on ne peut le faire que très difficile- breuses années d’accompagnement. ■
ces dernières années, dont la «Stepped TESTS INDÉPENDANTS EN ALLEMAGNE ment de nos jours, dit-il, notre système
Isostress Method» (SSM) que les experts de Michel Barbezat reconnaît qu’il n’est faciliterait certainement les choses.» Plus d´informations ici: www.empa.ch/web/s304
l’Empa ont appliquée à la nouvelle bande pas facile de convaincre une grande
isolante. En termes simples, les déforma- entreprise de systèmes qui fabrique et
tions de nombreux essais individuels avec vend des profilés pour les fabricants
des charges croissantes sont additionnées de fenêtres de coopérer. «Après tout,
pour former une «courbe maîtresse», qui par rapport aux grandes entreprises,
fournit des informations sur de plus grandes nous ne sommes rien», dit-il. C’est
périodes de temps. Cette procédure peut pourquoi les partenaires ont envoyé
également être réalisée en une seule fois, leur bande isolante «Alpet» à l’insti-
phtalate – PET, autrement dit, prove- cette manière – autour de la bande de avec des charges augmentant progressi- tut de contrôle ift de Rosenheim, en
SIMULATION
nant de bouteilles en PET recyclées. PET. Mais cela soulève à son tour des vement, et facilite l’étude simultanée de Bavière, qui est une référence dans
Calcul de la charge
Les nombreux pores d’air de cette questions, par exemple sur la proportion plages de températures critiques. kritische le secteur depuis des décennies. sur le bande isolante.
couche isolent efficacement: la conduc- de vides d’air dans ce «remplissage». Temperaturbereiche zu untersuchen.
MICROSCOPE
tivité thermique des prototypes est en Les experts n’ont pas seulement répété Le plus grand
moyenne, en fonction de la largeur de «Autant que possible» est la réponse, les tests suisses, mais ont également les vides d’air sont
0,5 millimètre de
la bande, d’environ 0,1 W/mK – bien afin d’obtenir un effet isolant important. 1000 mètres de bande isolante – et soumis les prototypes à des essais taille.
moins qu’une bande isolante standard Seulement: «Trop» mettrait en danger les ont finalement utilisées pour créer au feu, à des essais de rupture et à
EXPERIMENT
en polyamide (environ 0,25 W/mK) et la stabilité du brin de PET préparé, car le prototype final qui servira de base d’autres contraintes – par exemple, à
La bande isulante
aussi nettement moins que les produits son encastrement dans le plastique noir aux produits finis. Une étape impor- des microfissures invisibles après 1000 est testé pour la
haut de gamme disponibles aujourd’hui. se fait à des températures allant jusqu’à tante du processus de production a heures de stockage dans l’huile ou stabilité.
300 degrés et sous haute pression. également été réalisée de cette ma- l’acide léger, ou à une forte tension
RÉGLER DE NOMBREUX DÉTAILS Les chercheurs ont également adapté nière: La bande se soude pratiquement dans le sens transversal. Selon Frank
Une approche simple, comme cela l’épaisseur de cette «coque» aux né- d’elle-même grâce à la chaleur – sans Hochuli, les certifications officielles pour
semble être le cas à première vue – mais cessités: aussi étroite que possible pour qu’il soit nécessaire de coller un autre le comportement au feu, la capacité
pour transformer l’idée en produit, un bon effet isolant – mais suffisam- «joint». «C’est déjà un gros avantage», de charge statique et pour l’isolation
un travail conceptuel important a été ment épaisse pour que la bande puisse déclare Frank Hochuli, ingénieur en thermique ont maintenant été délivrées.
nécessaire dans le cadre d’un projet ensuite bien résister aux contraintes construction métallique, du parte-
Innosuisse. Prenons par exemple la mécaniques; y compris le post-traite- naire industriel. «Il n’y a pas de points PLUS RESPECTUEUX DE L’ENVIRONNEMENT
AVEC PEU D’EFFORTS
Photos: Hochuli advanced, Empa
méthode de production: après avoir ment du profilé global fini, comme le faibles locaux où le matériau pourrait
testé différents procédés, les experts ont revêtement en poudre ou l’anodisation. se détacher. Et moins il y a d’étapes, Quel effet la nouvelle bande isolante
Photos: Hochuli advanced
opté pour ce que l’on appelle l’extru- plus le produit est bon marché.» aurait-elle sur l’ensemble du système
sion, dans laquelle le plastique fondu et À partir de nombreux échantillons, les «fenêtre», y compris les vitres, les profilés
chauffé est pressé à travers une fente développeurs ont distillé sept variantes Un long processus qui a fini par porter en aluminium, les joints et tous les
sous forme de pâte molle et façonné de pour les tester – soit un total d’environ ses fruits, comme le constate égale- autres détails? Par rapport aux concep-
14 I EMPA QUARTERLY II OCTOBRE 2021 II # 73 # 73 II OCTOBRE 2021 II EMPA QUARTERLY I 15
[ FOCUS: BÂTIR PLUS INTELLIGEMMENT ] [ CONSTRUCTIONS LÉGÈRES ]
CONSTRUIRE LÉGER –
Début octobre, la dernière unité
a été inaugurée dans le bâtiment
de recherche et d’innovation de
NEST – HiLo. HiLo est un exemple
EXPLOITER EFFICACEMENT
de la manière dont une architecture
attrayante peut être combinée à
une construction et une exploitation
respectueuses en termes d’émissions
et de ressources. L’unité combine
des méthodes de planification et de
construction innovantes pour des
structures en béton efficaces avec une
technologie de construction intégrée
et adaptative. Le module à deux
étages a été développé et réalisé par
deux groupes de recherche de l’ETH L’AVANT-PROPOS
Les plafonds en béton
Zurich en étroite collaboration avec spécial du HiLo per-
de nombreux partenaires industriels. mettent d’économiser
environ 70 % de
matériaux.
Texte: Stephan Kälin
Ci-dessus: une fenêtre
avec des panneaux
solaires adaptatifs
régule l’apport de
chaleur de l’extérieur.
D
ans la dernière unité HiLo
de NEST, les principes de
construction du Moyen-Âge
rencontrent les méthodes
de construction de l’avenir
: le module de deux étages avec son toit
en béton à double courbure a été pla-
nifié et construit selon les méthodes de
conception et de fabrication les plus mo-
dernes. Les chercheurs de l’ETH Zurich se
sont toutefois inspirés des anciens bâtis-
seurs de cathédrales qui savaient com-
ment créer des structures autoportantes.
HiLo est un environnement de bureau
qui sera bientôt occupé. Son nom
signifie «High Performance – Low
Emissions» : l’unité examine com-
ment la construction et l’exploitation
des bâtiments peuvent être conçues
pour être aussi efficaces que possible
Photos: Roman Keller
AU DESSUS en termes d’énergie et de ressources,
Photo: Roman Keller
L’unité HiLo trône
tout en garantissant une architecture
dans l’angle sud-
ouest du bâtiment attrayante et un niveau élevé de confort
de recherche NEST. pour les utilisateurs des bâtiments.
16 I EMPA QUARTERLY II OCTOBRE 2021 II # 73 # 73 II OCTOBRE 2021 II EMPA QUARTERLY I 17
[ FOCUS: BÂTIR PLUS INTELLIGEMMENT ] [ CYCLE DES MATIÈRES ]
DÉMOLITION ET PERCÉE
DE NOUVEAUX CONCEPTS DEVENUS RÉALITÉ STRUCTURES EN BÉTON ÉCONOMES le moins de matériaux possible. La
Pour réaliser HiLo - désormais le hui- EN RESSOURCES construction légère du plancher HiLo
tième module du NEST - les deux Le toit à double courbure est particu- permet d’économiser plus de 70 % de
groupes de recherche de l’ETH dirigés lièrement frappant, tirant sa stabilité matériau par rapport aux planchers en
par Philippe Block, professeur d’ar- principalement de sa géométrie. Il se béton traditionnels. Cette économie
chitecture et de structures, et Arno compose de deux couches de béton re- est obtenue grâce à la structure fine
Schlüter, professeur d’architecture et de liées par un réseau de nervures en béton et incurvée des nervures du plancher. Le nouveau module NEST Sprint pose de nouvelles normes en matière d’économie circulaire
systèmes de construction, ont uni leurs et d’ancrages en acier. Il a été construit Les méthodes de fabrication numé- dans le domaine de la construction: En dix mois seulement, des bureaux flexibles et conformes
forces. Au cours de plusieurs années à l’aide d’un coffrage flexible composé rique utilisées permettent d’intégrer à la norme COVID-19 ont été construits en recourant essentiellement à des matériaux et des
de recherche, ils ont mis au point de d’un filet de câbles tendus et d’une la ventilation, le refroidissement et le composants issus de déconstructions. Sprint montre: Le «stock» de matériaux réutilisables
nouveaux concepts et technologies membrane sur laquelle le béton a été chauffage à basse température dans la ainsi que le potentiel de réutilisation dans l’industrie sont énormes – il suffit de s’en servir.
révolutionnaires, construit des proto- projeté. Cette méthode de construction structure des nervures, ce qui permet
types en étroite collaboration avec des permet d’économiser de grandes quanti- de réaliser des économies supplémen- Texte: Annina Schneider
partenaires industriels et perfectionné tés de béton et de matériel de coffrage. taires de matériau et de volume.
leurs idées avant que ces innovations
ne soient finalement utilisées pour la Pour les étages intermédiaires de l’unité TECHNOLOGIE DE CONSTRUCTION
première fois dans un projet de construc- à deux niveaux, les chercheurs se sont AUTO-APPRENANTE
tion réel, c’est-à-dire dans HiLo. également fixé pour objectif d’utiliser En ce qui concerne l’intégration de la
technologie du bâtiment, la façade
devient également de plus en plus
importante. Une façade solaire adapta-
tive développée par le groupe d’Arno
Schlüter est utilisée dans l’unité HiLo. Il
s’agit de 30 modules photovoltaïques
qui peuvent s’aligner sur le soleil. Les
modules flexibles peuvent également
être utilisés pour contrôler l’incidence de
la lumière du soleil dans la pièce afin de
chauffer passivement ou - au contraire -
de réduire le besoin de refroidissement. RE-USE
Pour la façade de
l’unité Sprint, les
La façade solaire adaptative fait partie lattes de bois de
d’une série d’éléments technologiques la «backbone» de
NEST, qui ont été
de construction innovants destinés à
démontées lors de
réguler efficacement le climat intérieur. l’insertion de la
Pendant le fonctionnement, les cher- nouvelle unité, ont
été réutilisées.
cheurs optimisent en permanence l’inte-
raction des différentes technologies avec
la participation des utilisateurs, en utili-
A
sant l’»apprentissage automatique» pour
étudier comment obtenir des conditions vec Sprint, un nouveau individuels conformes à la norme L’achèvement de Sprint devrait dissi-
intérieures confortables avec le moins module de bureau réali- COVID-19. L’ensemble – au caractère per le scepticisme qui prévaut dans
d’énergie et d’émissions possible. ■ sée largement à l’aide de unique – suit l’approche «design for le secteur de la construction en dé-
matériaux et de compo- disassembly» (voir l’encadré); ainsi, montrant que construire en offrant
AÉRÉ ET LÉGER sants de seconde main a par exemple, les cloisons flexibles une nouvelle vie aux matériaux et aux
Le toit autoportant
été inauguré récemment dans le NEST. sont démontables, ce qui permet de composants est une alternative valable
Photo: Roman Keller
Photo: Martin Zeller
et arqué a été
créé en projetant Des cloisons démontables fabriquées regrouper les bureaux individuels en à la construction à partir de maté-
du béton sur une
membrane précon-
à partir de matériaux récupérés parti- bureaux pour plusieurs personnes. riaux neufs et répond aux critères de
trainte. Plus d´informations ici: www.empa.ch/web/nest/hilo tionnent le module en douze bureaux rapidité et de flexibilité du marché.
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18 I EMPA QUARTERLY II OCTOBRE 2021 II # 73 # 73 II OCTOBRE 2021 II EMPA QUARTERLY I 19[ FOCUS: BÂTIR PLUS INTELLIGEMMENT ] [ CYCLE DES MATIÈRES ]
sur le temps de construction», explique en ont testé l’isolation aux bruits aériens «Nous avons besoin d’une réemployés comme la pierre naturelle des composants neufs. Le contrôle de
«DESIGN FOR DISASSEMBLY» Kerstin Müller, architecte et membre dans le laboratoire d’acoustique. Ayant taxe sur le CO2 qui rende ou les portes coupe-feu à ferme- la durée de vie de ces éléments tech-
«Design for Disassembly» est une approche de l’équipe de direction de Baubüro in fait ses preuves au niveau acoustique, les nouveaux matériaux ture automatique se font subitement niques est possible, mais il est long et
qui prévoit le désassemblage dès la concep- situ qui a planifié le module Sprint. elle est maintenant testée dans les abordables. En outre, ces matériaux coûteux. «Le défi de la construction
plus chers et soulage les
tion du projet, ce qui facilite d’une part les bureaux du Sprint (voir l’encadré). peuvent également être intégrés dans avec des matériaux de seconde main est
Construire avec des matériaux réutili-
matériaux usagés.»
transformations et, d’autre part, le désas- une comptabilité des économies de CO2. de trouver un équilibre entre ce qui est
semblage final à fins de récupération des sés nécessite également de repenser EXPLOITER LES OPPORTUNITÉS ET techniquement faisable et ce qui a du
systèmes, des composants et des matériaux. l’efficacité économique. Une part de RECONNAÎTRE LES LIMITES matériaux de seconde main et en souli- Pour ce qui concerne les pompes, les sens», explique Maike Stroetmann, res-
On garantit ainsi que, lorsqu’un bâtiment la valeur ajoutée du réemploi est le Sprint n’a pas encore démontré que le gnerait la valeur ajoutée écologique.» vannes et autres composants techniques, ponsable du département BIM CAD chez
arrive au terme de sa vie, ses composants respect ainsi manifesté pour le maté- réemploi était intrinsèquement meil- la question est de savoir si leur réutilisa- Bouygues Energies & Services. ■
et ses éléments pourront être efficacement riau. Hans Emmenegger, responsable leur marché. Cependant, pour Oliver La réutilisation offre également de tion se justifie en termes de garantie et
réutilisés pour un nouveau cycle vie. de la division menuiserie chez HUSNER Seidel: «Dès qu’un marché de matériaux nouvelles possibilités. Ainsi, certains de durée de vie. Il est tout à fait possible
Holzbau, y voit de grandes opportunités: et des composant de seconde main matériaux ou éléments de construction qu’il soit plus judicieux de se procurer Plus d´informations ici: www.empa.ch/web/nest/sprint
«Je trouve que le bois, par exemple, est comparable au marché classique se sera
«Dans un monde où les ressources ne une matière première très gratifiante. établi, les avantages en termes de coûts
cessent de se raréfier, la construction Il se laisse aisément travailler, ce qui en s’additionneront. En outre, je pense
circulaire est plus urgente que jamais et facilite le réemploi. Si le bois est installé qu’il est souhaitable d’instaurer une
doit nous servir de base pour atteindre de manière saine, c’est-à-dire au sec, taxation du CO2 sur les matériaux neufs,
les objectifs fixés en matière de CO2», il ne perd pas de valeur. Il peut même laquelle donnerait un coup de pouce aux
souligne Enrico Marchesi, responsable en prendre sur le plan esthétique.»
de l’innovation et chef de projet pour
le NEST. «Avec le module Sprint, nous LE RÉEMPLOI COMME MOTEUR
nous sommes donc fixé pour objectif DE L’INNOVATION MEILLEURE ISOLATION ACOUS-
de trouver des solutions aussi généra- Construire de la sorte exige non seule- TIQUE DES VIEUX TAPIS
lement applicables que possible pour ment une certaine souplesse dans les Les chercheurs de l’Empa ont testé dans leur VIEUX ET FLEXIBLE
Les cloisons entre les
simplifier la réutilisation des matériaux.» projets et leur exécution, mais aussi laboratoire d’acoustique les propriétés d’iso-
bureaux sont faites de
une plus grande flexibilité dans leur lation aux bruits aériens de la cloison en mo- vieux livres, de briques de
REPENSER LA PLANIFICATION, conception. Les projeteurs doivent être quette spécialement conçue pour Sprint. Elle récupération et de dalles
de moquette et peuvent
L’EXÉCUTION ET L’ÉCONOMIE conscients, par exemple, que les maté- a été installée entre deux locaux d’essai et sa être facilement démon-
La construction avec des matériaux de riaux trouvés influenceront le résultat transmission des sons aériens mesurée. Les tées si nécessaire.
seconde main est un processus itératif final. «Sprint démontre de manière résultats obtenus en fonction de la fréquence
qui repose la question des matériaux impressionnante que la réutilisation de ont été utilisées pour calculer l’»indice
disponibles à chaque étape de son matériaux n’est en aucun cas un obstacle d’affaiblissement acoustique pondéré» (Rw).
déroulement. Pour qu’un projet puisse au design, mais qu’avec de la créativité,
être rapidement mis en œuvre, il faut, on peut créer des éléments auxquels Plusieurs mesures ont permis aux chercheurs
entre autres, repenser la planification et on n’aurait initialement pas pensé. Les d’identifier la manière dont les pans de
la conduite du chantier et prévoir une différentes cloisons en sont un bon moquette devaient être pliées pour assurer
certaine flexibilité du calendrier. «Le exemple. Certaines ont été construites une isolation acoustique optimale. Dans
facteur temps est un grand défi dans le en briques de récupération, d’autres à le meilleur des cas, les chercheurs ont
réemploi, car les matériaux doivent être partir de vieux livres et d’autres en- obtenu une isolation acoustique de 26dB,
trouvés et mis à disposition à temps. core à partir de vieux tapis», souligne soit beaucoup mieux que, par exemple, les
Alors que le respect du calendrier nous Oliver Seidel, architecte et membre de cloisons mobiles des bureaux collectifs.
a initialement beaucoup préoccupé, l’équipe de direction de Baubüro in situ.
nous avons pu trouver les matériaux Cette cloison innovante et s’inscrivant
de seconde main plus rapidement que Ainsi, la cloison de séparation en mo- dans une économie circulaire a sa
les matériaux neufs! Cela s’explique quette a été développée pour Sprint par
Photos: Martin Zeller
place partout où les bâtiments doivent
principalement par la rareté actuelle Jonas Schafer, chasseur de composants faire preuve de flexibilité ou lorsqu’il
des ressources, et montre également chez Baubüro in situ. Elle est entièrement s’agit d’installations provisoires.
que la réutilisation n’a pas d’incidence démontable. Les chercheurs de l’Empa
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