laboratoire de physique statistique de l'École normale

Laboratoire de Physique Statistiquede L'École Normale Supérieure

UMR 8550 associée

au CNRS

à l'Université Pierre et Marie Curie

et à l'Université Denis Diderot

Rapport d'activité 2004�2008

Contractualisation : ENS 2010�2013

Septembre 2008

24 rue Lhomond

75231 Paris cedex 05

Table des matières

Remerciements 1

Présentation du LPS 3Organigramme du LPS et répartition des crédits par équipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

I Rapport scienti�que 7

1 Super�uidité, supersolidité, gaz ultrafroids 91.1 Ressaut hydraulique dans l'hélium liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.2 Cristaux : surface, nucléation, instabilités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.3 Supersolidité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.4 Condensation d'ondes classiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.5 Gaz ultrafroids fermioniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.6 Mouillage de l'hydrogène liquide sur le césium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.7 Mouillage de l'hélium près d'un point critique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2 Physique numérique 152.1 Algorithme d'échantillonnage exact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2 Gaz de Bose quasi-bidimensionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3 Mouvement du type creep des systèmes élastiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3 Instabilités 173.1 Propagation de �ssures dans un matériau homogène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.2 Propagation d'une �ssure dans un matériau hétérogène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.3 Fracture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.4 Con�nement d'objets élastiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.5 Adhésion et décollement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.6 Ondes non linéaires et auto-organisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.7 Un modèle pour la croissance par déposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.8 Le problème d'Ulam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.9 Spectre des puissances du Laplacien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.10 Flamme et convection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.11 Ondes dans les milieux excitables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203.12 Systèmes hamiltoniens non linéaires présentant une bifurcation n÷ud-col . . . . . . . . . . . . . . 20

4 Hydrodynamique, magnéto-hydrodynamique, turbulence, écoulements 234.1 Évaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.2 Singularités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.3 Dynamique des singularités complexes et relaxation turbulente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.4 Variables de Weber-Clebsch et reconnexion de la vorticité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.5 Magnétohydrodynamique et e�et dynamo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.6 Conversion de l'énergie des marées en ondes internes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.7 Suivi lagrangien de particules inertielles en turbulence hydrodynamique . . . . . . . . . . . . . . 264.8 Convection et intermittence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.9 Turbulence d'ondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

iii

iv TABLE DES MATIÈRES

5 Systèmes hors d'équilibre, systèmes désordonnés, transitions de phase et équations d'état 295.1 Amas globulaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295.2 Friction quantique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295.3 Bruit de courants dans des systèmes mésoscopiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295.4 Physique Statistique des systèmes vitreux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295.5 Fluctuations et grandes déviations dans les systèmes hors d'équilibre . . . . . . . . . . . . . . . . 305.6 Propriétés statistiques des �uctuations de systèmes dissipatifs hors équilibre . . . . . . . . . . . . 305.7 E�ets du bruit sur les systèmes hors-équilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315.8 La nucléation dans l'eau et l'hélium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

6 Systèmes granulaires, mécanique du contact 356.1 Impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356.2 Mécanique du contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356.3 Transduction de l'information tactile dans le toucher humain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366.4 Milieux granulaires vibrés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366.5 Pâtes granulaires et rhéo-épaississement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366.6 Gaz granulaires en micro-gravité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

7 Matière molle, mousses, �uides complexes et systèmes élastiques 397.1 Interaction entre surfaces de polymères à faibles densités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397.2 Formation de pores de longue durée de vie en milieu aqueux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397.3 Dynamique en milieu con�né . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397.4 Coalescence de gouttes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407.5 Rhéologie et adhésion des mousses aqueuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407.6 Systèmes de tension interfaciale ultrafaible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417.7 E�et Casimir critique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417.8 Mouillage de surfaces hydrophobes texturées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427.9 Évaporation de gouttelettes mouillantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427.10 Étalement de cristaux liquides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

8 Biophysique moléculaire 458.1 La théorie JKR appliquée aux cellules vivantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458.2 La résistance d'un lien moléculaire : une histoire de temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458.3 Fonctionnement de protéines échafaudages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458.4 Fusion membranaire induite par les protéines SNARE et quelques propriétés étonnantes de lipides 468.5 Dynamique de l'adhésion de cellules exprimant les cadhérines E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468.6 La reconnaissance sucre/sucre : une interaction qui produit de l'adhésion cellulaire. . . . . . . . . 468.7 L'ancrage protéique : un outil de fonctionnalisation de cellules sans modi�cation du patrimoine

génétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478.8 Interaction Gamétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478.9 Interactions des couches S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478.10 Compressibilité des protéines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488.11 Nouvelle méthode pour la caractérisation des interactions entre les protéines insérées dans les

bicouches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488.12 Vésicules inhomogènes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488.13 Tubes de membranes inhomogènes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498.14 Boucles dans l'ADN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498.15 Dégra�age de l'ADN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498.16 Moteurs moléculaires et ségrégation des chromosomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498.17 Les enzymes impliquées dans la réplication de l'ADN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508.18 Remodelage de la chromatine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528.19 Fidélité de la traduction génétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528.20 Fluctuations dans les réseaux biochimiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

9 Biophysique de l'organisme 559.1 Croissance et morphogenèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559.2 Intégration des modalités sensorielles et comportement chez Caenorhabditis elegans . . . . . . . . 559.3 Contrôle de l'activité de protéines dans une seule cellule du poisson zèbre . . . . . . . . . . . . . 569.4 Steady-State Chemotaxis in Escherichia Coli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

TABLE DES MATIÈRES v

10 Évolution 5910.1 Dynamique de populations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5910.2 Évolution in silico et structures des réseaux génétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5910.3 Dynamique de fronts bruités, généalogie, verres de spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

11 Réseaux sociaux et éconophysique 6111.1 Réseaux et �rmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6111.2 Choix discrets sous in�uence sociale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

12 Neurosciences 6312.1 Cellules de Purkinje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6312.2 Analyse de données de cellules ganglionnaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6312.3 Vers une architecture pour la mémoire visuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6312.4 Transmission synaptique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6412.5 Perception et codage de catégories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6412.6 Approach Sensitivity in the Mammalian Retina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Auto-évaluation 67

II Production scienti�que des quatre dernières années 69

1 Bibliographie 711.1 Publication dans des journaux avec comité de lecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 711.2 Actes de colloques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 881.3 Livres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 891.4 Chapitres de livres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 901.5 Autres publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

2 Activité scienti�que 932.1 Prix et distinctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 932.2 Conférences invitées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 932.3 Organisation de conférences nationales et internationales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1002.4 Conférences et autres activités grand public . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

3 Valorisation de la recherche 1053.1 Création d'une start-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1053.2 Contrats Industriels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1053.3 Contrats avec l'UE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1053.4 Contrats ACI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1063.5 Contrats ANR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1073.6 Contrats internationaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1093.7 Autres contrats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

III Enseignement et responsabilités administratives 111

1 Enseignement 113

2 Responsabilités et tâches administratives 117

3 Encadrements de thèses 119

IV Hygiène et sécurité 123

V Formation permanente 127

vi TABLE DES MATIÈRES

Remerciements

Jean-François Allemand et Éric Brunet ont rassemblé, et parfois réécrit, les contributions des équipes du LPS.Ils les ont structuré et mis en forme pour produire ce rapport. Joseph da Silva Quintas a rédigé la partie Hygièneet sécurité. Annie Ribaudeau a rédigé la partie Formation. Marie-Christine Ge�ot, Annie Ribaudeau et NoraSadaoui ont renseigné tous les tableaux. Qu'ils soient tous remerciés ici pour leur contribution déterminante àce rapport.

1

2 Remerciements

Présentation du LPS

Le LPS a été fondé en 1988 pour amener des théoriciens et des expérimentateurs à travailler ensemble sur desproblèmes de physique statistique, non-linéaire, matière condensée ou biophysique représentant un large spectred'activités. La physique qui s'y pratique est une physique � légère � ce qui permet aux chercheurs de changer ra-pidement de sujets, même pour les expérimentateurs. Le LPS regroupe quarante chercheurs permanents répartisen dix équipes totalisant une centaine de personnes. L'unité a lancé plusieurs domaines nouveaux de recherche,et est à l'origine de plusieurs percées, dont certaines ont été remarquées par la presse (par exemple, Le Figarodu 12 mars 2007 pour l'e�et dynamo, ou Le Monde du 14 septembre 2005 pour les � gouttes qui marchent surl'eau �). D'autres résultats moins médiatisés mais constituant de grandes avancées scienti�ques ont été obtenus,comme les calculs des fonctions des grandes déviations pour des systèmes maintenus hors d'équilibre par contactavec deux thermostats. La biophysique a connu une forte évolution au LPS. Une équipe a inventé les pincesmagnétiques qui permettent d'observer en temps réel une enzyme en train d'e�ectuer sa fonction biologique.Une autre équipe a observé le vieillissement d'une liaison biochimique individuelle. Des théoriciens modélisentl'évolution de réseaux génétiques à l'origine de motifs segmentés. Ces avancées ainsi que d'autres seront dé-taillées dans la section suivante. Le LPS a développé une recherche en mécanique, élasticité et singularités,sous la forte impulsion d'Yves Pomeau pour la théorie et d'Yves Couder pour l'expérience. Dans ce contexte, leLPS a créé une nouvelle équipe � Morphogenèse et phénomènes multi-échelles �, s'intéressant au con�nementet au repliement d'objets élastique aux instabilités d'interface telles que fracture et friction, et aux vibrationsde feuilles en présence de singularités ou de structures organisées. Le LPS est fortement lié à la FondationPierre-Gilles de Gennes, RTRA dédié à l'interface physique-chimie-biologie qui regroupe l'ENS, l'institut Curieet l'ESPCI. L'évolution croissante de la biophysique au LPS, qui constitue aujourd'hui 50% de son activité,entraîne la nécessité de veiller à maintenir un équilibre avec la physique pure. Par ailleurs, plusieurs départs dethéoriciens vers d'autres laboratoires ou en retraite créent la nécessité de veiller à l'équilibre entre théoricienset expérimentateurs. Les enseignants-chercheurs du LPS sont fortement impliqués dans l'enseignement et dansla vie des universités Paris 6 (Roland Combescot est responsable de l'ED 107 et Anne-Marie Cazabat de l'ED389, Martine Ben Amar est responsable d'une fédération de recherche) et Paris 7 (forte contribution dans lamise en place du pôle MSC sur Tolbiac, présidence d'une commission de spécialistes). L'un des rôles du LPSest aussi d'essaimer équipes et chercheurs d'excellence dans le paysage académique français. Ainsi, l'équipe� Turbulence et chaos � a-t-elle rejoint les nouveaux locaux de Paris 7. Une autre, � chaos Spatio-temporel �est allée à l'ESPCI. Dans ce contexte, l'équipe � Systèmes biologiques intégrés �, dont l'activité porte sur lesréseaux biochimiques ainsi que sur le biomimétisme du toucher, a le projet de fonder un nouveau laboratoiresur un site de l'UPMC. Le LPS, tout en prospectant pour faire venir une nouvelle équipe, souhaite maintenirun fort niveau d'interaction avec ce laboratoire, et, dans les temps di�ciles de réinstallation, aider le groupe àdémarrer.

Quelques faits marquants :

Physique statistique de la matière condensée L'observation d'un écoulement d'hélium solide, phénomèneappelé � supersolidité �, a apporté un renouveau à la recherche sur l'hélium et les basses températures. L'équipeBalibar a découvert le rôle des joints de grains dans cette � supersolidité � en montrant que l'hélium solidene présente cette supersolidité que lorsqu'il est fortement polycristallin. Derrida a centré sa recherche sur les�uctuations de courant dans les systèmes hors d'équilibre. Dans une série de travaux commencée en 2004 avecun important résultat publié avec Bodineau (Département de mathématiques, ENS), ils ont montré comment oncalcule les cumulants de �uctuations de courant dans les systèmes di�usifs hors d'équilibre. Ce travail a donnélieu à des développements ultérieurs comme la découverte de transitions de phase dans les fonctions de grandesdéviations de courant, ou l'existence de �uctuations universelles de courant dans les circuits en boucle. Avecune nouvelle méthode basées sur le groupe de renormalisation, Krauth a étendu l'algorithme exact de Proppet Wilson à des systèmes complexes tels que les verres de spin, alors que la plupart des experts a�rmaient que

3

4 Présentation du LPS

c'était impossible. Il a collaboré avec Dalibard (LKB) sur les gaz de Bose bidimensionnels. Ses simulations avecun très grand nombre de particules ont permis d'explorer pleinement la transition Kosterlitz-Thouless dans lesgaz quasi bidimensionnels. En incluant la troisième dimension, en théorie de champ moyen, qui avait été négligéedans les études précédentes, un accord excellent a été obtenu avec l'expérience. En étudiant le mouillage et lacoalescence sur des mélanges colloïdes-polymères de très faible tension de surface, l'équipe de Bonn a pu montrerque ce sont les �uctuations qui produisent la coalescence des gouttes et leur détachement. Ce système se situeau point de rencontre de l'hydrodynamique et de la physique statistique puisque ce sont les �uctuations quidéterminent son comportement. Les travaux de cette équipe ont également porté sur les systèmes � vieillissants �comme les gels ou verres colloïdaux dans lesquels le cisaillement produit une rejuvénation. L'équipe a mis enévidence ces mêmes e�ets dans les sables mouvants, mais considérablement ampli�és puisque la viscosité peutchuter de six ordres de grandeur.

Physique non-linéaire Depuis que Larmor a proposé son hypothèse que le champ magnétique du soleilprovient de l'e�et dynamo, plusieurs équipes de par le monde ont tenté de produire un champ magnétique à partird'un écoulement turbulent d'un liquide conducteur. En 2006, l'équipe Fauve a produit l'e�et dynamo en générantun champ magnétique par un écoulement pleinement turbulent de sodium liquide. Di�érents régimes dynamiquesont été observés, en particulier, des renversements aléatoires du champ magnétique. Cette collaboration avecdes équipes du CEA Saclay et de l'ENS-Lyon met les études de géomagnétisme à la portée d'expériences delaboratoire. La croissance d'objets élastiques génère des contraintes qui peuvent être internes dans le cas dela croissance di�érentielle d'un tissu à deux couches (la peau) ou externes lorsqu'elle a lieu en milieu con�né.Adda Bédia et Boudaoud, dans leur nouvelle équipe, étudient les structures induites par ces contraintes. Dansle cas du con�nement de �ls élastiques dans une sphère, ces contraintes font transiter ces structures d'un étatdésordonné (isotrope) vers un ordre nématique en augmentant la densité ; cette transition pourrait être liée àl'organisation de l'ADN dans les capsides virales. Couder et Boudaoud ont montré qu'une goutte de liquidepeut rebondir indé�niment et � marcher � au dessus du même liquide si le récipient oscille verticalement avecune accélération su�samment forte.

Physique tournée vers le vivant L'équipe Bensimon/Croquette/Allemand étudie l'interaction ADN/protéine. Pour ce faire, ils ont développé une nouvelle technique pour manipuler des molécules individuelles :les pinces magnétiques, un nouvel outil breveté et commercialisé par Picotwist, la start-up qu'ils ont fondée.Sur la base de leur exploration du comportement de l'ADN soumis à des tensions et torsions, ils ont abordé lesinteractions de l'ADN avec les nombreuses enzymes impliquées dans le métabolisme de la cellule. Ils peuventaujourd'hui observer en temps réel une enzyme individuelle réaliser sa fonction biologique. Par exemple, lestopoisomérases sont impliquées dans le contrôle de la topologie de l'ADN. Les pinces magnétiques ont permis demesurer le nombre de super-tours qui sont relaxés par l'action de ces protéines pendant un cycle enzymatique.L'équipe a également étudié d'autres enzymes qui interviennent dans la réplication et la réparation de l'ADN(polymérases et hélicases), et a découvert que l'enzyme UVrD impliqué dans les processus de réparation, peutchanger de brin lorsqu'il catalyse l'ouverture de la double hélice. Elle a aussi étudié des enzymes liées à latranslocation de l'ADN : la protéine FtsK (le plus rapide des moteurs sur l'ADN), le facteurs de remodelagede la chromatine, etc. Pincet a quanti�é l'action de protéines d'adhésion cellulaires, les cadhérines, à l'aide dudispositif de micromanipulation de cellules, qu'il a développé. Après avoir comparé di�érentes cadhérines, il aquanti�é le dialogue croisé entre protéines d'adhésion, phénomène de signalisation par lequel l'activation de l'unefait augmenter l'adhésion produite par l'autre. Pincet a étudié la transition entre di�érents états métastablesd'une liaison individuelle streptavidine/biotine. Par une approche théorique et expérimentale, il a dénoué unecontroverse vive en montrant que la liaison n'atteint l'état le plus lié qu'après un temps moyen qui dépend desbarrières d'énergie séparant ces états, ce qui, pour la streptavidine/biotine est d'environ dix secondes. Urbach amontré que le modèle Sa�man-Delbrück, utilisé depuis trente ans par les biologistes, ne décrit pas correctementla di�usion de peptides ou de protéines dans les membranes. Ses résultats expérimentaux ainsi que ceux de lalittérature sont par contre bien décrits par une loi de type Stokes�Einstein. Avec la thèse de François, Hakima initié la modélisation des réseaux d'interactions entre gènes et protéines qui sont actuellement étudiés expé-rimentalement de façon extensive. Ils ont mis en évidence à l'aide d'un algorithme d'évolution sur ordinateur,les architectures possibles de petits réseaux avec des dynamiques intéressantes (bistables, oscillantes). Cela les aconduit à analyser précisément un motif d'interaction entre gènes et protéines qui joue un rôle important dansces réseaux et que, par ailleurs, des études de génomique et protéomique ont trouvé être surreprésenté à l'échelledes génomes entiers. Ils ont récemment étendu cette approche à l'étude des structures spatiales dans les orga-nismes multicellulaires et proposé un nouveau modèle de segmentation dynamique, telle que celle observée dansla somitogénèse chez les vertébrés. Hakim et Nadal coopèrent avec les neurobiologistes de l'ENS. Avec Barbour,ils ont proposé une explication à l'observation surprenante de la forte proportion de synapses � silencieuses �

5

(i.e. qui ne permettent pas le passage d'un courant synaptique détectable) entre �bres parallèles et cellules dePurkinje. En utilisant des méthodes de physique statistique sur des réseaux de neurones formels, ils ont montréqu'un grand nombre de synapses silencieuses est nécessaire pour optimiser l'apprentissage. En collaboration avecdes biologistes suisses (FMI Bale), A. da Silveira a découvert un nouveau mécanisme de détection du mouvementdans la rétine (looming detection) par lequel certaines cellules ganglionnaires répondent à l'image d'un objetqui parcourt un mouvement d'approche, mais ne répondent pas si l'objet recule ou se déplace latéralement.

Le LPS est donc un laboratoire foisonnant d'idées et de réalisations scienti�ques sur un large spectre d'ac-tivités, et qui renouvelle régulièrement ses thèmes et ses équipes.

6 Présentation du LPS

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Première partie

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Chapitre 1

Super�uidité, supersolidité, gaz ultrafroids

1.1 Ressaut hydraulique dans l'hélium liquide

Quand un jet liquide frappe perpendiculairement une surface plane, on observe très souvent que l'écoulementest mince près de l'impact et que la nappe s'épaissit brutalement à une certaine distance du jet : c'est le ressauthydraulique. Contrairement au modèle purement inertiel proposé par Rayleigh en 1913, il est maintenant admisque la position du ressaut est liée au développement de la couche limite visqueuse.

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Fig. 1.1: Evolution du ressaut avec la temperature : lerayon change peu, mais une onde capillaire se développesur le �lm mince en dessous de la température super�uide

É. Rolley et C. Guthmann ont réalisé cette expérience classiqueavec un �uide non conventionnel : l'hélium liquide. Le but premierétait évidemment d'observer ce qui se passait à la transition su-per�uide. Ils ont montré que, essentiellement, il ne se passe rien(Fig. 1.1). Ce n'est pas vraiment surprenant car la vitesse du jetest toujours supérieure à la vitesse critique où l'écoulement devientdissipatif à cause de la vorticité générée par l'écoulement. En suppo-sant que le super�uide se comporte comme un �uide normal avec uneviscosité e�ective, ces chercheurs ont montré que leurs mesures sonten bon accord avec les modèles classiques du ressaut, où il est traitécomme un choc, à condition d'ajouter les forces capillaires dans lebilan de quantité de mouvement au niveau du choc : la tension desurface réduit le rayon du ressaut.

Quand on diminue la température en dessous de la transitionsuper�uide (de 2,17 à 1,5K), le rayon du ressaut est pratiquementconstant. Sa valeur est cohérente avec celle de la viscosité e�ective dusuper�uide qui change peu. En revanche, une onde capillaire se déve-loppe progressivement sur le �lm mince. É. Rolley et C. Guthmannont montré que l'apparition de cette instabilité ne peut pas être ex-pliquée en terme de viscosité e�ective, mais ils n'ont pour l'instantpas d'explication alternative1.

1.2 Cristaux : surface, nucléation, instabilités

Les cristaux d'helium constituent un sytème modèle pour l'étude de nombreuses propriétés de l'état cristallin,en particulier leur surface. S. Balibar a publié un long article de revue2 sur tout ce qui concerne la transitionrugueuse, c'est-à-dire l'existence de facettes à la surface des cristaux, leurs conditions d'existence, leur e�et surles mécanismes de croissance, avec comparaison à la theorie dite � de renormalisation � de cette transition. Cetterevue décrit aussi la dynamique des surfaces rugueuses, diverses instabilités des surfaces cristallines (mécaniques,dendritiques, etc.), les propriétés des marches en dessous de la température de transition rugueuse : énergie,largeur, interactions mutuelles, dynamique, �uctuations.

Par ailleurs, S. Balibar et F. Caupin ont étudié la nucléation homogène des cristaux d'hélium à partir duliquide3. Pour cela, ils ont utilisé la technique acoustique mise au point pour l'étude de la cavitation (focalisationd'ultrasons intenses dans le liquide, loin de toute paroi), démontré qu'il s'agissait d'une nucléation homogène,

1É. Rolley, C. Guthmann et M. Pettersen, Physica B, 394 46�55 (2007).2S. Balibar, H. Alles et A. Parshin, Reviews of Modern Physics, 77 317�370 (2005).3R. Ishiguro, F. Caupin et S. Balibar, Europhysics Letters, 75 91�97 (2006).

9

10 CHAPITRE 1. SUPERFLUIDITÉ, SUPERSOLIDITÉ, GAZ ULTRAFROIDS

et estimé la pression de nucléation à 160 bar. Toutefois, cette estimation demanderait une con�rmation par uneméthode plus directe (di�usion Brillouin de la lumière) qui est en cours de mise au point sur le problème de lacavitation dans l'eau. Sur le même sujet, la nucléation de cristaux a partir d'un liquide, S. Balibar et F. Caupinont publié un article de revue commandé par les Comptes Rendus de l'Académie des Sciences4,5.

Ces chercheurs ont également étudié l'instabilité de dripping dans le cas d'un solide, où le problème estpurement géométrique. À quelques nuances près, ils ont trouvé les comportements critiques prévus par lathéorie pour la vitesse d'étranglement du col au moment de la formation d'une goutte qui est cristalline dansnotre cas (c'est de l'hélium 3 solide).

1.3 Supersolidité

1.3.1 Approche expérimentale

Fig. 1.2: Joint de grains dans l'hélium solide. L'épais-seur d'un joint de grains est microscopique, car l'angledièdre qu'il forme en émergeant à l'interface liquide-solideest strictement positif, ce qui signi�e que son énergie eststrictement inférieure à deux fois l'énergie de l'interfaceliquide-solide. Un joint de grains n'est pas un ensemble dedeux interfaces solide-liquide, même à l'équilibre liquide-solide.

En 2004�2005, Kim et Chan (Penn State, USA) ont montré que,dans un pendule de torsion rempli d'hélium solide, une partie de lamasse semblait se découpler du mouvement oscillant des parois endessous d'environ 100mK, comme si 1% de l'hélium solide devenaitsuper�uide. Cette découverte a déclenché de très nombreux travauxsur la � supersolidité �. En 1969, Andreev et Lifshitz pensaient pos-sible que les cristaux d`hélium 4 contiennent des lacunes pouvantse condenser au sens de Bose-Einstein et permettre un courant demasse super�uide à travers ces cristaux. Aujourd'hui on pense queles anomalies observées sont liées au désordre à l'intérieur de l'hé-lium solide mais on ne comprend toujours pas comment. En 2006 ene�et, S. Balibar et F. Caupin ont fait une expérience simple de vasescommunicants avec de l'hélium solide a�n de mettre en évidence unéventuel transport de masse à travers celui-ci. Ils ont montré qu'uncourant de masse super�uide était observable seulement en présencede joints de grains6, ce qui implique que la supersolidité n'est pasune propriété intrinsèque de l'état cristallin dans l'hélium, mais unepropriété de ses défauts. À la suite d'expériences trouvant jusqu'à20% de fraction supersolide dans des échantillons trempés et d'autrestrouvant 0,03% dans des monocristaux, ces chercheurs pensent au-jourd'hui que les défauts responsables de la supersolidité peuventêtre des joints de grains comme dans leurs expériences mais aussipeut-être des dislocations ou même des régions vitreuses. D'autresexpériences (Beamish, 2007) montrent une augmentation du modulede cisaillement transverse qui semble dû au piégeage des défauts àbasse température, lorsque des impuretés hélium 3 s'y attachent. Ducôté de la théorie, on invoque soit les lacunes comme en 1969�70,soit une super�uidité des joints de grains, des c÷urs de dislocations

ou de régions vitreuses, soit une variation de la mobilité des dislocations. S. Balibar et F. Caupin ont passéen revue les di�érentes controverses en cours sur ce sujet dans un �topical review� commandé par le Journalof Physics Condensed Matter7. Pour leurs expériences, ils ont concentré leur étude sur les joints de grains, quisont des systèmes quantiques bidimensionnels désordonnés dans lesquels Boninsegni et al. ont prédit l'existenced'une transition vers un état supersolide très interessant : à basse température, en principe, il existe une fractiond'atomes localisés qui confère au système une élasticité transverse non-nulle mais aussi une fraction super�uidequi permet un transport de masse sans dissipation. L'énergie de ces joints de grains (Fig.1.2) a été mesurée8. Deplus, une expérience de propagation d'ondes acoustiques transverses et une expérience d'écoulement à traversun joint de grains contrôlé sont en cours a�n de mettre en évidence la transition supersolide de ces joints.

La plupart des échantillons considérés comme supersolides sont préparés à volume constant. S. Balibaret F. Caupin ont montré que ces échantillons sont polycristallins avec une taille micronique de grains. Ils ontégalement montré que le contact d'un joint de grain avec une paroi est généralement un canal liquide8,9.

4S. Balibar et J. Villain, Comptes Rendus Physique, 7 943�945 (2006).5S. Balibar et F. Caupin, Comptes Rendus Physique, 7 988�999 (2006).6S. Sasaki, R. Ishiguro, F. Caupin, H. Maris et S. Balibar, Science, 313 1098�1100 (2006).7S. Balibar et F. Caupin, Journal of Physics Condensed Matter, 20 173201 (2008).8S. Sasaki, F. Caupin et S. Balibar, Physical Review Letters, 99 205302 (2007).9F. Caupin, S. Sasaki et S. Balibar, Journal of Low Temperature Physics, 150 267�275 (2008).

1.4. CONDENSATION D'ONDES CLASSIQUES 11

1.3.2 Approche théorique

Le récent regain d'intérêt dans les supersolides a suscité une activité théorique visant à parvenir à unecompréhension claire des propriétés mécaniques de ces matériaux. En particulier, pourquoi un comportementsuper�uide est observé dans une expérience de rotation, alors que, comme dans un solide ordinaire, il n'existepas de �ux de matière engendré par un gradient de pression ?

En 1994, avec Y. Pomeau, S. Rica avait proposé un modèle de supersolide où de nombreuses propriétéspeuvent être discutées en détails. Ils se sont remis à ré�échir à ce modèle, notamment en ce qui concerneses propriétés d'élasticité couplées à sa capacité à réaliser une sorte de � super-écoulement � en l'absence dedéfauts10,11,12.

Ce modèle est basée sur l'équation de Gross-Pitaevksii avec un terme d'interaction non locale et il permetd'obtenir le spectre d'excitations, trouvé il y a longtemps par Bogolioubov, en fonction du potentiel non locald'interaction. Dans ce cadre, le minimum de � rotons � est un précurseur de la cristallisation. En augmentantla densité, la cristallisation apparait comme une transition de phase du premier ordre.

La caractéristique la plus importante du modèle est qu'il prévoit un comportement paradoxal pour le su-persolide : l'existence d'une inertie de rotation non classique dans la limite de faible vitesse de rotation, mais ilne prévoit pas de super-écoulement comme conséquence d'une contrainte ou d'une faible force externe. Le seul�ux de matière possible à contrainte �nie est dû à la plasticité10,11.

1.4 Condensation d'ondes classiques

Avec leurs collaborateurs, S. Rica et Y. Pomeau ont considéré le régime défocalisant de l'équation NLS oude Gross-Pitaevskii, qui est connue pour être également appropriée pour la description des gaz de bosons àinteraction faible à basse température.

Comme exposé indépendamment par Pomeau et par Dyachenko et al. en 1992, ce régime d'interactionest caractérisé par une évolution irréversible du système vers une solution homogène avec des �uctuationsturbulentes de petite amplitude. Notons que la solution homogène réalise le minimum d'énergie (hamiltonienne)dans le cas défocalisant. En conséquence, l'équation de NLS décrirait une sorte de processus de condensation,un mécanisme que ces chercheurs ont con�rmé tout récemment dans le contexte de simulations numériquesintensives de l'équation (projetée) de NLS e�ectuées en trois dimensions13.

Leur but est de fournir une description thermodynamique à l'aide de la théorie cinétique de ce processus decondensation classique. L'équation NLS à trois dimensions d'espace montre un véritable processus de condensa-tion dont les propriétés thermodynamiques sont analogues à celle de la condensation de Bose-Einstein, malgréle fait que la condensation des bosons est en soi un e�et quantique. Leur analyse est basée sur une théorie ciné-tique de l'équation NLS dans laquelle ils introduisent une coupure à haute fréquence pour éviter une catastropheultra-violette inhérente à la nature classique d'une équation d'ondes (paradoxe de Rayleigh-Jeans).

Bien que ces chercheurs présentent leur théorie dans le cas particulier de l'équation NLS, leur analyseest générale et peut facilement être appliquée à d'autres systèmes d'ondes non-linéaires. Ainsi, s'il n'existepas de description à la Zakharov en turbulence forte, des travaux numériques récents de M.-É. Brachet etde ses collaborateurs14 montrent un mécanisme similaire. De même, à deux dimensions d'espace, l'apparitionet la persistance des structures localisées à grande échelle au milieu de �uctuations à échelle réduite est uncomportement commun de beaucoup de �uides turbulents, des plasmas ou des systèmes optiques.

1.5 Gaz ultrafroids fermioniques

R. Combescot et X. Leyronas ont consacré une grande partie de leur activité aux problèmes liés directementou indirectement au thème des gaz ultrafroids fermioniques. Une partie de ce travail a porté sur les phasessuper�uides exotiques FFLO, qui pourraient apparaître lorsque ces gaz sont polarisés. Ils ont été à cet égard desprécurseurs, concentrant leurs e�orts dans le secteur déjà très di�cile, mais néanmoins contrôlable, du couplagefaible. Ce sujet a eu récemment un développement explosif dans les gaz froids, l'aspect théorique étant biensouvent moins contrôlé. De façon plus spéci�que, ces chercheurs ont étudié avec C. Mora, alors étudiant en thèse,

10C. Josserand, Y. Pomeau et S. Rica, European Physical Journal, 146 47�61 (2007).11C. Josserand, Y. Pomeau et S. Rica, Physical Review Letters, 98 195301 (2007).12N. Sepúlveda, C. Josserand et S. Rica, Physical Review B, 77 054513 (2008).13C. Connaughton, C. Josserand, A. Picozzi, Y. Pomeau et S. Rica, Physical Review Letter, 95 263901 (2006).14C. Cichowlas, P. Bonaiti, F. Debbasch et M.-É. Brachet, Physical Review Letters, 95 264502 (2005).


la nature de la transition état normal/état super�uide à deux et trois dimensions15,16,17,18. À deux dimensionscette transition est toujours du second ordre, mais lorsque la température décroit le nombre d'ondes planesintervenant dans le paramètre d'ordre augmente indé�niment, donnant ainsi lieu à une cascade de transitions.Avec une étudiante, G. Tonini, ils ont montré que cette situation subsistait en présence d'anisotropie19. À troisdimensions, la transition se trouve être du premier ordre et donc beaucoup plus di�cile à étudier. Là encore lenombre d'ondes planes dans le paramètre d'ordre croit quand la température décroit, mais il sature.

Un autre volet de l'activité de R. Combescot et de X. Leyronas a porté sur la fréquence des modes collectifsdans les gaz froids piégés. Il s'agit d'une question beaucoup plus proche de l'expérience car la fréquence de cesmodes est l'une des mesures les plus précises dans ces systèmes, et parce qu'elle donne un accès direct à l'équationd'état, un élément essentiel dans la connaissance de ces systèmes en interaction forte. Ces chercheurs ont montréen particulier qu'on pouvait ainsi accéder directement à la longueur de di�usion entre molécules constituées dedeux fermions dans la limite BEC20. Plus généralement, avec le groupe de S. Stringari21, ils ont montré que, sion prenait les résultats obtenus par des méthodes Monte-Carlo pour l'équation d'état, les fréquences obtenuesétaient en désaccord avec les expériences. Les expériences ultérieurement a�nées ont �nalement donné desrésultats en accord avec leurs calculs. Par ailleurs une collaboration avec S. Stringari et M. Kagan22 a permisd'étudier, dans le cadre simple de l'approximation BCS, le mode collectif de Bogoliubov-Anderson à températurenulle dans la transition progressive BEC-BCS. En particulier on peut ainsi déduire la vitesse critique de Landaudans le super�uide, qui s'est trouvée être en excellent accord avec des résultats expérimentaux obtenus au MITdans le groupe de W. Ketterle.

Dans un autre registre, R. Combescot et X. Leyronas ont mis sur pied, en collaboration avec le groupede M. Kagan, un formalisme diagrammatique permettant de calculer exactement le problème à quatre corpsdans ces gaz23,24,25, où la très courte portée du potentiel et la très basse température permettent de ca-ractériser l'interaction de façon particulièrement simple par la seule connaissance de la longueur de di�usionfermion/fermion. Ils l'ont d'abord utilisé pour retrouver par une méthode originale la longueur de di�usionmolécule fermionique/molécule fermionique dans le régime BEC. Ils ont également utilisé cette méthode pourobtenir à deux dimensions l'énergie des états liés en présence d'un tel potentiel. Ils ont ensuite utilisé cette mé-thode comme point de départ pour établir un formalisme rigoureux permettant de traiter, à température nulle,ces gaz super�uides en interaction forte, plus particulièrement dans la limite BEC. Ce formalisme a été utilisétout récemment pour démontrer l'existence du terme de Lee-Huang-Yang26 dans l'équation d'état dans ce casdu régime BEC, où physiquement on a a�aire à des bosons qui sont composites puisque ce sont des moléculesfaites de deux fermions. Un autre aspect étudié a été celui du cas limite d'un gaz extrêmement polarisé. Il s'agitprécisément du système formé d'une particule et d'une mer de Fermi (sans interaction) d'autres particules. Ceproblème en apparence simple est déjà un problème à N corps non trivial, dont la solution pourrait s'avérer trèsriche en enseignements. R. Combescot a déjà traité, en collaboration avec le groupe de Trento et F. Chevy duLKB27, ce problème dans une approche très simple qui est en accord remarquable avec des calculs Monte-Carlo ;un étudiant en thèse a rejoint l'équipe pour poursuivre dans cette direction.

En�n, en collaboration avec M. Kagan, R. Combescot et X. Leyronas ont utilisé l'approximation de la matriceT pour traiter le gaz normal28, en calculant en particulier la température de transition super�uide dans toutel'étendue de la transition progressive BEC-BCS. Ils ont aussi obtenu le domaine où apparaissent les moléculesqui, contrairement à la situation en limite diluée, n'apparaissent pas immédiatement à la résonance (où lalongueur de di�usion est in�nie), à cause de la présence de la mer de Fermi. Un autre étudiant en thèse doitétendre ce traitement dans la phase super�uide, les approches théoriques existantes menant à des contradictionslorsqu'on les examine en détail.

15R. Combescot et C. Mora, Europhysics Letters, 68 79�85 (2004).16R. Combescot et C. Mora, Physical Review B, 71 144517 (2005).17R. Combescot et C. Mora, European Physical Journal B, 44 189�202 (2005).18C. Mora et R. Combescot, Physical Review B, 71 214504 (2005).19R. Combescot et G. Tonini, Physical Review B, 72 094513 (2005).20R. Combescot et X. Leyronas, Europhysics Letters, 68 762�768 (2004).21G. Astrakharchik, R. Combescot et L. Pitaevskii, Physical Review A, 76 063616 (2007).22R. Combescot, M. Kagan et S. Stringari, Physical Review A, 74 042717 (2006).23I. Brodsky, A. Klaptsov, M. Kagan, R. Combescot et X. Leyronas, Jetp Letters, 82 273�278 (2005).24I. Brodsky, M. Kagan, A. Klaptsov, R. Combescot et X. Leyronas, Physical Review A, 73 032724 (2006).25I. Brodsky, M. Kagan, A. Klaptsov, R. Combescot et X. Leyronas, Laser Physics, 17 523�526 (2007).26X. Leyronas et R. Combescot, Physical Review Letters, 99 170402 (2007).27R. Combescot, A. Recati, C. Lobo et F. Chevy, Physical Review Letters, 98 180402 (2007).28R. Combescot, X. Leyronas et M. Kagan, Physical Review A, 73 023618 (2006).

1.6. MOUILLAGE DE L'HYDROGÈNE LIQUIDE SUR LE CÉSIUM 13

1.6 Mouillage de l'hydrogène liquide sur le césium

L'hystérésis et la dynamique de mouillage est un vieux problème, qui a connu un fort regain d'intérêt depuisune dizaine d'année lorsqu'on s'est rendu compte que le bord d'un ménisque sur un substrat solide (ou lignede contact) était un exemple de système élastique en milieu aléatoire, au même titre qu'une paroi de domainemagnétique ou un réseau de vortex. É. Rolley et C. Guthmann mènent des expériences sur ce sujet depuiségalement une dizaine d'année en utilisant plusieurs systèmes plus ou moins simples ou modèles. En e�et, unepierre d'achoppement pour la comparaison entre les nombreux travaux théorique et les données expérimentalesest la réalisation de substrat avec un désordre contrôlé, ou du moins raisonnablement caractérisé.

Ces deux chercheurs ont choisi ces dernières années d'utiliser de l'hydrogène liquide sur des substrats decésium évaporés à basse température. L'hydrogène est un liquide pur aux propriétés bien connues ; c'est aussiun liquide visqueux à la di�érence de l'hélium que nous avions utilisé jusqu'à présent. Par ailleurs, des expériencesd'imagerie STM menées à Constance permettent d'avoir une idée assez précise de la topographie des surfacesde césium. Pour étudier la dynamique de mouillage, ils ont construit un dispositif de translation sans frictionqui permet d'atteindre des vitesses de 1mm/s.

En étudiant une série de surfaces di�érentes à plusieurs températures, É. Rolley et C. Guthmann ont pumontrer que la dynamique de la ligne était activée à basse vitesse. La surface d'activation est de l'ordre del'échelle latérale qui caractérise la rugosité du substrat. Ils ont également déterminé l'énergie d'activation E∗

dont la valeur est cohérente avec un piégeage par les défauts topographiques du substrat. En�n, ils ont mesurél'hystérésis de mouillage, qui est de l'ordre de E∗. L'ensemble de ces mesures démontre clairement que ledésordre du substrat contrôle à la fois l'hystérésis et la dynamique au seuil de dépiégeage29. Ils pensent quecette description � uni�ée � s'applique également à des systèmes classiques pour peu qu'ils soient assez simples.

1.7 Mouillage de l'hélium près d'un point critique

S. Balibar a terminé son étude30 du mouillage près d'un point critique dans le cas des mélanges d'hélium 3et 4 et la revue Nature l'a invité à écrire un point de vue31 sur les forces de Casimir critiques en 2008.

29É. Rolley et C. Guthmann, Physical Review Letters, 98 166105 (2007).30R. Ishiguro et S. Balibar, Journal of Low Temperature Physics, 140 29�49 (2005).31S. Balibar, Nature, 451 136�137 (2008).

Chapitre 2

Physique numérique

2.1 Algorithme d'échantillonnage exact

C. Chanal et W. Krauth ont réussi1 à implémenter, pour des systèmes complexes tels les verres de spin àdeux et à trois dimensions, l'approche de Propp et Wilson qui permet de décorréler complètement une chaîne deMarkov (au sein d'une simulation de Monte Carlo) de sa con�guration initiale. Le résultat d'une simulation necontient donc plus aucun souvenir de la con�guration initiale, et donne un échantillon exact de la distribution deBoltzmann. La méthode utilisée par C. Chanal et W. Krauth consiste en une renormalisation numérique exacte.Elle ouvre de nombreuses possibilités pour la simulation de systèmes complexes, où le temps de convergenced'une chaîne de Markov habituelle (sans l'approche de Propp et Wilson) est notoirement di�cile à estimer.

2.2 Gaz de Bose quasi-bidimensionnel

M. Holzmann (LPTMC) et W. Krauth2 ont utilisé des méthodes de simulation de Monte-Carlo quantiquepour déterminer, sans erreur systématique, les pro�ls de densité, le moment d'inertie non-classique et la fractioncondensée d'un gaz de bosons quasi-bidimensionnels piégés en interaction contenant jusqu'à N ∼ 5×105 atomespour des paramètres de simulation comparables aux valeurs expérimentales. Ils ont analysé la transition deKosterlitz-Thouless et la phase super�uide et ont mis en exergue un e�et de population des niveaux transverses(dans la direction fortement contrainte par le piège) responsable du comportement tres di�érent du gaz quasibidimensionnel par rapport au gaz strictement bidimensionnel. Cette di�érence n'est pourtant pas dû à un e�età N corps. Avec M. Holzmann et M. Chevallier3 (doctorante au LPS sous sa direction), W. Krauth a généraliséla théorie semiclassique au cas quasi bidimensionnel, où elle rend parfaitement compte du gaz au-dessus dela transition de Kosterlitz-Thouless. La prise en compte de la population des niveaux transverses permet deconcilier les résultats expérimentaux récents avec la description quasiclassique.

2.3 Mouvement du type creep des systèmes élastiques

0

20

40

fc0

corr

elati

on len

gth

s

driving force f

ζeq

ζdep

ζdep

ζtherm

(fc−f)−νdep

ξ∼(f− fc)−νdep

f−νeq

Lrelax

Lopt

Avec A. Kolton, A. Rosso et T. Giamarchi, W. Krauth4 a étudiéla dynamique stationnaire à très basse température de systèmes élas-tiques désordonnés, où la dynamique, sur un échantillon donné, estdominée par une seule con�guration (comme un système à l'équilibreest dominé par l'état fondamental, à basse température). Un nouvelalgorithme numérique exact a permis d'identi�er cette con�gurationdominante, et d'en analyser ses propriétés statistiques. Le diagrammede phases dynamiques obtenu tranche avec le point de vue habituel. Ilse trouve, par exemple, que l'exposant de dépiégeage ζ(dep) reste per-tinent à grandes échelles même en dessous du seuil fc (voir la �gure).L'algorithme utilisé a permis les premières simulations parfaitementcontrôlées dans le régime de creep à très basse température.

1C. Chanal et W. Krauth, Physical Review Letters, 1 060601 (2008).2M. Holzmann et W. Krauth, Physical Review Letters, 100 190402 (2008).3M. Holzmann, M. Chevallier et W. Krauth, Europhysics Letters, 82 30001 (2008).4A. Kolton, A. Rosso, T. Giamarchi et W. Krauth, Physical Review Letters, 97 057001 (2006).

15

16 CHAPITRE 2. PHYSIQUE NUMÉRIQUE

Chapitre 3

Instabilités

3.1 Propagation de �ssures dans un matériau homogène

Les expériences sur la propagation dynamique d'une �ssure montrent une variété de comportements. Quandsa vitesse de propagation dépasse une valeur critique, la �ssure subit des branchements, de façon quasi-périodique, ce qui rend rugueuses les surfaces créées par la �ssure. Cette instabilité est accompagnée d'uneoscillation de la vitesse de la �ssure et d'une augmentation des émissions acoustiques. M. Adda-Bedia et E. Kat-zav, en collaboration avec R. Arias (Université du Chili) ont étudié quantitativement le comportement descontraintes au voisinage de la �ssure quand la fracture initiale bifurque en produisant deux fractures symé-triques1,2,3. C'est un problème analytique di�cile, mais ils ont réussi à comparer la con�guration d'une propa-gation d'une fracture unique avec celle d'une fracture branchée. En étudiant le bilan énergétique de ces deuxcon�gurations, ils ont montré qu'une fracture peut se brancher si sa vitesse de propagation est supérieure à unevitesse critique indépendante de la géométrie de l'expérience et des contraintes appliquées. Comme ce modèlen'utilise que les paramètres élastiques du matériau, il a permis une comparaison systématique (et satisfaisante)avec des expériences sur di�érents matériaux. En�n, ils ont évalué le champ des contraintes asymptotiques auvoisinage de chaque branche et déterminé leurs e�ets sur les trajectoires ultérieures des branches. Ces étudessont importantes pour la sismologie car elles devraient déboucher sur l'évaluation de l'énergie rayonnée par unefaille branchée.

3.2 Propagation d'une �ssure dans un matériau hétérogène

Dans le cadre de la dynamique de propagation d'une �ssure dans un milieu hétérogène, une quantité géné-ralement étudiée est l'exposant de rugosité α qui décrit le caractère auto-a�ne du front de �ssure. L'exposantcaractérisant cette rugosité a été mesuré dans di�érents matériaux, et il s'est avéré que sa valeur se situe tou-jours autour de 0,5�0,6. En dépit de nombreux e�orts, il n'y avait aucune théorie satisfaisante qui prévoyait lavaleur de cet exposant. Dans une première étape, M. Adda-Bedia et E. Katzav, en collaboration avec D. Van-dembroucq, ont développé au second ordre le facteur d'intensité des contraintes d'un front de �ssure courbe,autour de sa solution pour un front droit. Ce calcul a été rendu possible grâce à l'introduction d'une nouvelleméthode par M. Adda-Bedia pour l'étude de l'instabilité d'un front de décollement4. Ils ont ainsi pu proposerune équation stochastique du mouvement d'un front de �ssure qui se propage dans un milieu hétérogène5. Dansun second temps, ils ont utilisé un développement auto-cohérent introduit par Schwartz et Edwards pour étu-dier les conséquences de cette équation6. Ils ont découvert une transition de phase dynamique continue entreune phase lisse (à grande échelle) et une phase rugueuse, avec un exposant de rugosité α = 1/2. La phase ru-gueuse devient possible à cause de la déstabilisation des modes linéaires par les termes non linéaires. En tenantcompte de l'irréversibilité de la propagation de la �ssure, ils ont en déduit que l'exposant de rugosité mesuréexpérimentalement pourrait devenir dépendant de la manière dont le front est amené à se propager. Ainsi, cerésultat peut être considéré comme une limite inférieure pour cet exposant, ce qui est en très bon accord avecles mesures expérimentales. Avec M. Ben Amar et A. Boudaoud7, ils ont étendu cette approche au mouvement

1M. Adda-Bedia, Physical Review Letters, 93 185502 (2004).2M. Adda-Bedia, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 53 227�248 (2005).3E. Katzav, M. Adda-Bedia et R. Arias, International Journal of Fracture, 143 245�271 (2007).4M. Adda-Bedia et L. Mahadevan, Proceedings of the Royal Society A, 462 3233�3251 (2006).5M. Adda-Bedia, E. Katzav et D. Vandembroucq, Physical Review E, 73 035106 (2006).6E. Katzav et M. Adda-Bedia, Europhysics Letters, 76 450�456 (2006).7E. Katzav, M. Adda-Bedia, M. Ben Amar et A. Boudaoud, Physical Review E, 76 051601 (2007).

17

18 CHAPITRE 3. INSTABILITÉS

de la ligne de contact d'un liquide sur un substrat hétérogène, en relation avec les expériences de S. Moulinet,C. Guthmann et E. Rolley. En�n, avec B. Derrida8, ils ont étudié le chemin d'une �ssure dans un matériauhéterogène bidmensionnel. Ils ont obtenu une équation du mouvement pour la �ssure à partir des équations del'élasticité (cette équation du mouvement est une grande première) ; ensuite ils ont résolu cette équation et ontmontré que la surface laissée par la �ssure ne possède pas d'exposant de rugosité, résultat qui remet en cause laméthodologie utilisée jusqu'à présent pour l'exploitation des données de pro�lométrie post-mortem de �ssures.

3.3 Fracture

Le développement des méthodes de champ de phase a conduit V. Hakim et A. Karma à réexaminer laquestion classique des lois du mouvement des fractures. Dans la description traditionnelle, une fracture est uneligne de discontinuité du champ des déplacements qui ne supporte pas de contraintes normales. Son mouvementest obtenu en deux étapes distinctes. Après avoir résolu les équations de l'élasticité linéaire (dans le cas le plussimple) et obtenu les contraintes dans le voisinage de la tête de fracture, le mouvement de la pointe est obtenu enpostulant un critère d'évolution fondé sur des considérations de symétrie qu'il est malaisé de justi�er entièrementet encore plus di�cile de généraliser à des milieux anisotropes. La formulation du champ de phase décrit lacroissance d'une fracture à l'aide de l'évolution de champs couplés et partout dé�nis. Cela est utile, d'une part,pour les simulations numériques, dans la mesure où la résolution d'un problème à frontière libre et le suivi d'uneinterface ne sont pas nécessaires. Par ailleurs, dans ce cadre théorique complet, il devient possible de dériver (etnon plus de postuler), les lois de mouvement de la tête de fracture9. On retrouve ainsi le classique � principe desymétrie locale � (et une variante peu connue pour la propagation en mode III pur) et une généralisation pourles milieux anisotropes.

3.4 Con�nement d'objets élastiques

Les objets élastiques con�nés apparaissent dans la nature à plusieurséchelles. Des capsides virales de 25 nm de rayon peuvent contenir des brinsd'ADN (ou d'ARN) de 10µm de long ; les �eurs et les feuilles de plantes sontparfois enfermées dans des bourgeons dix fois plus petits. Dans ces deux cas,se pose les questions de la formation de la structure repliée et du passage àune structure dépliée ; en particulier, comment le brin d'ADN est-il injectée�cacement dans la cellule envahie ou comment la feuille se déploie-t- elle ?Le comportement du système dépend crucialement de la dimensionnalité dela structure con�née (tige ou feuille).

A. Boudaoud, en collaboration avec L. Schouveiler (IRPHE, Marseille), aétudié la recon�guration d'une feuille dans un écoulement10. L'expérience estinspirée de l'observation que les feuilles de certains arbres se replient dans lesvents forts, permettant de réduire la traînée de l'arbre. Ils ont montré que lafeuille se replie en cône et ont quanti�é ce repliement. É. Sultan et A. Bou-daoud ont construit un modèle minimal pour une feuille de papier froissé11,a�n de pouvoir étudier les propriétés statistiques des con�gurations, et enparticulier les distributions de longueur. La simpli�cation apportée a permisdes simulations numériques extensives ; ils ont ainsi montré une transitionentre distributions log-normales (le logarithme de la longueur est Gaussien)et Gamma (dépendance algébrique à petites valeurs et queue exponentielle)en fonction du con�nement imposé.

Une expérience permettant de mesurer la pression exercée sur le containerpar une tige con�née a été conçu par L. Boué (doctorant de M. Adda-Bedia)et ses collaborateurs12 ; ils ont ainsi pu ainsi étudier les premières bifurcationsqui se succèdent lorsque la longueur de la tige augmente. S'il n'y avait pasde friction, la tige s'enroulerait en spirale. D'un point de vue théorique, L.

8E. Katzav, M. Adda-Bedia et B. Derrida, Europhysics Letters, 78 46006 (2007).9V. Hakim et A. Karma, Physical Review Letters, 95 235501 (2005).

10L. Schouveiler et A. Boudaoud, Journal of Fluid Mechanics, 563 71�80 (2006).11E. Sultan et A. Boudaoud, Physical Review Letters, 96 136103 (2006).12L. Boué, M. Adda-Bedia, A. Boudaoud, D. Cassani, Y. Couder, A. Eddi et M. Trejo, Physical Review Letters, 97

166104 (2006).

3.5. ADHÉSION ET DÉCOLLEMENT 19

Boué, E. Katzav, M. Adda-Bedia et A. Boudaoud13,14 ont étudié les propritétés d'une tige élastique con�néedans le cadre de la physique statistique des champs. Ils ont montré la transition d'un état désordonné isotropevers un état ordonné (nématique) puis le blocage du système, quand le con�nement est augmenté. Dans saversion tridimensionnelle, ce calcul s'applique aux con�gurations de l'ADN dans une capside virale.

3.5 Adhésion et décollement

L'adhésion entre objets élastiques apparait à plusieurs échelles, allant de l'adhésion entre cellules animalesà l'adhésion d'insectes ou de lézards sur une paroi. Les lézards et les insectes ont essentiellement des poils quiinteragissent selon des forces de Van der Waals avec le substrat. On peut alors se demander pourquoi les poils nese collent pas entre eux. En collaboration avec R. Bastien, J. Bico, C. Py. et B. Roman (ESPCI), A. Boudaouda étudié des � brosses � de poils ou de lamelles plongées dans un liquide mouillant de sorte que les forcescapillaires remplacent celles de Van der Waals. Quand la brosse est retirée, les poils s'agrègent en des tou�es deplus en plus grosses. Ils ont d'abord montré comment l'événement élémentaire � le collage de deux lamelles � estdéterminé par un équilibre entre capillarité et élasticité. La généralisation de cet argument permet de prédire lenombre maximal de lamelles par tou�e15,16. Toutefois, la distribution du nombre de lamelles est étendue. Pourl'interpréter, ils ont introduit un modèle d'agrégation de particules dans une boîte. La théorie de champ moyenélaborée introduit un concept nouveau : l'agrégation avec une taille maximale17.

Le décollement d'une plaque mince est également en relation avec les pattes de lézard. M. Adda-Bedia, encollaboration avec L. Mahadevan (Harvard), a étudié l'instabilité oscillante d'un front de décollement initiale-ment droit produit en décollant une plaque élastique �exible d'un �lm mince d'élastomère collé à un substratrigide18. Ils ont développé une analyse de stabilité linéaire qui a permis de prouver l'existence d'un seuil d'in-stabilité qui dépend du rapport des deux échelles de longueur qui surgissent naturellement dans ce problème ;l'épaisseur du �lm d'élastomère et une longueur élastique dé�nie par la rigidité de la plaque et celle du �lm. Ilsont aussi montré que la longueur d'onde de l'instabilité est proportionnelle à l'épaisseur du �lm. Leurs résultatssont en accord quantitatif avec des expériences récentes. Plus généralement, ils montrent comment les fronts dedécollement (ou de �ssure) peuvent être déstabilisés par la compétition entre des e�ets de volume et de surface.

3.6 Ondes non linéaires et auto-organisation

A. Boudaoud a participé à l'étudie de deux systèmes non-linéairesqui s'auto-organisent par l'intermédiaire des ondes qui se propagent.L'inhibition de la coalescence d'une goutte avec un bain vibré est unpremier point de départ19. Y. Couder, S. Protière et A. Boudaoud,en collaboration avec E. Fort (MPQ, Paris 7), ont montré qu'uneune goutte rebondissante acquiert un mouvement horizontal qui faitd'elle un � marcheur �. Ils ont identi�é les mécanismes élémentairesde cette transition : d'une part, légèrement en dessous du seuil del'instabilité de Faraday, des ondes capillaires sont générées par le re-bond des gouttes ; d'autre part, une goutte qui rebondit sur une sur-face inclinée acquiert une impulsion horizontale. Un modèle simpleexplique la bifurcation et prédit tous les comportements expérimen-taux concernant les orbites et les chocs apparaissant quand plusieurs� marcheurs � sont présents20,21,22. A. Boudaoud, en collaborationavec E. Hamm et F. Melo (Université de Santiago, Chili), a introduitun équivalent élastique d'un marcheur. Dans leur expérience, ils en-foncent avec un indenteur le centre d'une feuille découpée en disqueet s'appuyant sur un anneau ; la feuille est en contact avec l'anneau

13E. Katzav, M. Adda-Bedia et A. Boudaoud, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States ofAmerica, 103 18900�18904 (2006).

14L. Boué et E. Katzav, Europhysics Letters, 80 54002 (2007).15J. Bico, B. Roman, L. Moulin et A. Boudaoud, Nature, 432 690�690 (2004).16C. Py, R. Bastien, J. Bico, B. Roman et A. Boudaoud, Europhysics Letters, 77 44005 (2007).17A. Boudaoud, J. Bico et B. Roman, Physical Review E, 76 060102 (2007).18M. Adda-Bedia et L. Mahadevan, Proceedings of the Royal Society A, 462 3233�3251 (2006).19Y. Couder, E. Fort, C. Gautier et A. Boudaoud, Physical Review Letters, 94 177801 (2005).20Y. Couder, S. Protiere, E. Fort et A. Boudaoud, Nature, 437 208�208 (2005).21S. Protiere, Y. Couder, E. Fort et A. Boudaoud, Journal of Physics : Condensed Matter, 17 S3529�S3535 (2005).22S. Protiere, A. Boudaoud et Y. Couder, Journal of Fluid Mechanics, 554 85�108 (2006).


sur un secteur angulaire (d'environ 240 degrés) et perd contact sur le reste. Si l'on impose une vibration sinu-soïdale bien choisie à l'indenteur, il apparait une onde où la partie de la feuille hors contact tourne ; cette ondeest accompagnée d'une lente rotation matérielle de la feuille, faisant de ce système un � rotateur �23.

3.7 Un modèle pour la croissance par déposition

E. Katzav a étudié le rôle d'interactions à longue portée dans la croissance d'une interface à l'aide d'uneversion non-locale de l'equation de Kardar-Parisi-Zhang24. Il a montré qu'une approche précédente était encontradiction avec un résultat exact en dimension un. Il a utilisé une méthode (développement auto-cohérent)qui retrouve le résultat exact et est en accord avec les simulations numériques pour des dimensions supérieures.Ces résultats pourraient s'appliquer à la déposition de colloïdes en milieu aqueux.

3.8 Le problème d'Ulam

E. Katzav, en collaboration avec S. Nechaev et O. Vasilyev (LPTMS, Orsay), a relié une question de pro-babilités connue sous le nom de problème d'Ulam à la solution d'une équation aux dérivées partielles (EDP)stochastique et non-linéaire25. Il s'agit de tirer uniformément N nombres aléatoires dans l'intervalle unité etd'étudier les propriétés de leur plus longue sous-séquence croissante. Cette collaboration a permis de déterminerla loi de ces sous-séquences en transformant le problème en la résolution d'une EDP stochastique.

3.9 Spectre des puissances du Laplacien

Les puissances du Laplacien ∆ interviennent dans de nombreuses équations de la physique. E. Katzavet M. Adda-Bedia26 ont étudié les fonctions propres et les valeurs propres de l'opérateur ∆N , obtenant desdéveloppements asymptotiques dans la limite de grand N , qui généralisent les résultats de Ramani, Grammaticoset Y. Pomeau27 obtenus pour l'état fondamental.

3.10 Flamme et convection

Y. Pomeau a détaillé la façon dont se comporte une �amme de prémélange dans un écoulement très rapideet stationnaire28. Il a aussi récapitulé les travaux faits à Saclay sur la convection de Rayleigh-Benard commegénérateur de structures cellulaires29.

3.11 Ondes dans les milieux excitables

V. Hakim a pousuivi l'étude des ondes dans les milieux excitables. En collaboration avec B. Echebarria, main-tenant chercheur à l'Institut Polytechnique de Barcelone après une année post-doctorale au LPS, il a formulé unmodèle simpli�é permettant de décrire les di�érents régimes d'instabilités des ondes spirales tridimensionnelles(scroll waves) et leurs développements nonlinéaires. En particulier, cela a permis d'analyser l'e�et d'un gradientd'excitabilité sur la dynamique de ces ondes30.

3.12 Systèmes hamiltoniens non linéaires présentant une bifurcationn÷ud-col

M. Brachet et C.-T. Pham, dans le cadre du travail de thèse de ce dernier, ont étudié les écoulements de�uides parfaits barotropes autours d'un obstacle. Deux types d'écoulements ont été considérés ; les écoulementssuper�uides décrits par l'équation de Schrödinger non linéaire, et les écoulement de �uides parfaits à surface

23A. Boudaoud, E. Hamm et F. Melo, Physical Review Letters, 99 254301 (2007).24E. Katzav, European Physical Journal B, 54 137�140 (2006).25E. Katzav, S. Nechaev et O. Vasilyev, Physical Review E, 75 061113 (2007).26E. Katzav et M. Adda-Bedia, Journal of Physics A, 41 022002 (2008).27A. Ramani, B. Grammaticos et Y. Pomeau, Journal of Physics A, 40 F391�F396 (2007).28Y. Pomeau, Chaos, 14 903�909 (2004).29Y. Pomeau, dans Dynamics Of Spatio-temporal Cellular Structures : Henri Benard Centenary Review, Volume 207. Berlin:

Springer-Verlag, 2006 95�102.30B. Echebarria, V. Hakim et H. Henry, Physical Review Letters, 96 098301 (2006).

3.12. SYSTÈMES HAMILTONIENS NON LINÉAIRES PRÉSENTANT UNE BIFURCATION N×UD-COL21

libre dans l'approximation d'eau peu profonde, où sont pris en compte les e�ets dispersifs dus à la tension desurface. Lorsque la longueur caractérisant la dispersion des ondes sonores tends vers zéro, ces deux écoulementsse réduisent à l'écoulement autour d'un disque d'un �uide parfait Eulérien auquel se superpose une couche limiteque l'on peut calculer analytiquement. Par des méthodes de suivi de branche basées sur des développementspseudo spectraux spécialement adaptés au système,le diagramme de bifurcation des deux écoulements a puêtre complètement déterminé. En étudiant la dynamique de ces deux systèmes au-delà de la bifurcation, lesexcitations émises ont été déterminées (leur nature dépend du rapport de la longueur de cohérence à la taille del'obstacle). Finalement, il a été montré que, dans le cas d'eau peu profonde, l'émission d'excitation est remplacéepar une singularité de dé-mouillage31,32.

31C. T. Pham, C. Nore et M.-É. Brachet, Physica D, 210 203�226 (2005).32C. T. Pham, C. Nore et M.-É. Brachet, Physics of Fluids, 17 062104 (2005).

Chapitre 4

Hydrodynamique,magnéto-hydrodynamique, turbulence,écoulements

4.1 Évaporation

É. Sultan, A. Boudaoud et M. Ben Amar1,2 ont étudié la stabilité de �lms minces en évaporation. L'ingrédientintroduit est la di�usion de la vapeur dans la phase gazeuse, que les théories précédentes ignoraient. Le �lmest décrit de manière classique par une équation de lubri�cation, où les e�ets thermiques dus à la chaleurlatente d'évaporation et les variations de la tension avec la température (e�et Marangoni) sont pris en compte.L'évaporation limitée par la di�usion de la vapeur est toujours stabilisante par l'e�et de pointe connu enélectrostatique : une bosse se résorbe car elle a un taux d'évaporation (un champ électrique) accru. Ils ontappliqué leur modèle aux gouttes macroscopiques d'alcanes (expériences de G. Guéna, C. Poulard et A.-M.Cazabat), pour lesquelles l'e�et Marangoni peut être déstabilisant ; les gouttes de certains alcanes ont unepériphérie qui ondule. Ils ont ainsi reproduit la hiérarchie de stabilité des di�érents alcanes et prédit un seuilde stabilité qui n'existerait pas si l'on ne tenait pas compte de la di�usion de la vapeur.

4.2 Singularités

Y. Pomeau et D. Sciamarella présentent un scénario d'apparition de singularité dans un �uide parfait in-compressible3. Ils montrent, à la fois théoriquement, numériquement et expérimentalement, que le déferlementd'une vague peut s'analyser comme l'apparition d'une singularité. Les exposants qu'on en déduit montrent unparfait accord entre la théorie et l'expérience4,5.

4.3 Dynamique des singularités complexes et relaxation turbulente

M.-É. Brachet et C. Cichowlas, dans le cadre de la thèse de ce dernier (soutenue en septembre 2005)ont intégré l'équation d'Euler numériquement par des méthodes pseudo-spectrales qui conservent exactementl'énergie, ce qui permet d'étudier la dynamique des singularités complexes. L'étude de l'écoulement de Kida-Pelza permis de mettre en évidence des interférences de singularités et d'étendre les méthodes d'analyse usuelles6.Sortie de l'approximation d'un écoulement continu, la solution du système d'équations di�érentielles ordinairestend vers un équilibre statistique, connue sous le nom d'équilibre absolu. La relaxation du système vers l'équilibreabsolu, fait apparaître une séparation spontanée d'échelles due à une thermalisation progressive de l'écoulementet ayant un e�et pseudo-dissipatif sur les grandes échelles. L'étude analytique et numérique des temps propresde ces équilibres conduit à les caractériser par une loi d'échelle : celle-ci permet une estimation dissipative

1E. Sultan, A. Boudaoud et M. Ben Amar, Journal of Engineering Mathematics, 50 209�222 (2004).2E. Sultan, A. Boudaoud et M. Ben Amar, Journal of Fluid Mechanics, 543 183�202 (2005).3Y. Pomeau et D. Sciamarella, Physica D, 205 215�221 (2005).4Y. Pomeau, M. Le Berre, P. Guyenne et P. Grilli, Nonlinearity, 21 T61�T79 (2008).5Y. Pomeau, T. Jamin, M. L. Bars, P. L. Gal et B. Audoly, Proceedings of the Royal Society A, 464 1851�1866 (2008).6C. Cichowlas et M.-É. Brachet, Fluid Dynamics Research, 36 239�248 (2005).

23

24 CHAPITRE 4. HYDRODYNAMIQUE, MAGNÉTO-HYDRODYNAMIQUE, TURBULENCE, ÉCOULEMENTS

de la séparation spontanée d'échelle apparaissant lors de la relaxation, grâce à un théorème de �uctuation-dissipation. En�n, il a été montré que le comportement des grandes échelles est compatible avec une turbulenceà la Kolmogorov7. G. Krstulovic, étudiant préparant une thèse sous la direction de M.-É. Brachet, continue cetravail depuis septembre 2006. Un modèle à deux �uides (un champ de vitesse et un champ de température)de la relaxation turbulente a déjà pu être obtenu. Des coe�cients de di�usion pour la vitesse et la températureont pu être determinés en utilisant l'approximation EDQNM et la méthode de Monte Carlo8.

4.4 Variables de Weber-Clebsch et reconnexion de la vorticité

Cette étude a été faite dans le cadre de la thèse de C. Cartes (soutenue le 6 juin 2008). M. Bustamente, quiétait en stage post doctoral avec M.-É. Brachet à l'ENS de 2004 à 2006 a collaboré sur ce sujet. Rappelons que lesvariables de Weber-Clebsch sont des champs scalaires pouvant représenter tout champ de vitesse incompressibleet qui permettent d'obtenir une formulation hamiltonienne de la mécanique des �uides parfaits. L'utilisation deces variables de Weber-Clebsch a été récemment généralisée à la description des �uides visqueux par Constantin(2003). Cependant, cette généralisation peut être vue comme un choix très particulier de variation des variablesde Clebsch pour accommoder l'e�et du terme visqueux. Dans sa formulation, Constantin interprète l'explosion(blowup) de ses calculs numériques comme provenant de la reconnexion de la vorticité, mais cette explosionpeut en fait être liée au choix particulier qu'il a pris pour accommoder l'e�et du terme visqueux. Le choix leplus général, qu'ont pris M.-É. Brachet, C. Cartes et M. Bustamente, conduit à un problème linéaire bien poséet donne un algorithme nouveau (et stable) de résolution des équations de Navier-Stokes. Un code numérique(méthode spectrale) permettant d'intégrer les équations de Navier-Stokes en représentation de Clebsch a étéutilisé pour étudier les phénomènes de reconnexion. Ils ont pu démontrer que la formulation de Constantinreprésente une limite singulière de leur formulation généralisée9.

En collaboration avec A. Pouquet du NCAR (Boulder, USA), M.-É. Brachet a étendu cette descriptionaux phénomènes de reconnexion présents en magnétohydrodynamique et a pu montrer, en étudiant une séried'écoulements MHD prototypes, que le critère de reconnexion obtenu est valide (article soumis).

4.5 Magnétohydrodynamique et e�et dynamo

S. Fauve, son doctorant M. Berhanu, N. Mordant et F. Pétrélis étudient l'e�et dynamo qui permet laconversion en énergie magnétique de l'énergie mécanique d'un écoulement de �uide conducteur de l'électricité.Cette instabilité est responsable de l'existence du champ magnétique des objets astrophysiques tels que la Terreet le Soleil. Dans le cadre d'une collaboration avec le CEA et l'ENS-Lyon, ils ont mis en évidence l'e�et dynamodans un écoulement fortement turbulent de sodium liquide10. L'écoulement considéré, dit de Von Karman, estengendré par deux disques en rotation. Lorsque les deux disques tournent avec des vitesses égales en valeurabsolue et de signes opposés (contra-rotation exacte), le champ magnétique engendré �uctue autour d'unedirection moyenne mais ne se renverse pas.

Lorsqu'un des disques tourne plus vite que l'autre, ce qui revient à ajouter de la rotation globale à l'écou-lement, le champ magnétique créé peut acquérir une dynamique complexe. En particulier, des renversementsaléatoires du champ magnétique, qualitativement analogues à ceux du champ magnétique terrestre, ont été misen évidence pour la première fois au laboratoire11, voir Fig. 4.1.

Cette étude (expérience dite VKS) a été e�ectuée au CEA cadarache en collaboration avec des équipes duCEA Saclay et de l'ENS-Lyon. M. Berhanu, S. Fauve, N. Mordant et F. Pétrélis ont en outre étudié le transportd'un champ magnétique localisé par un écoulement turbulent de sodium liquide et mis en évidence l'existencede �uctuations fortement intermittentes du champ transporté12.

Ils ont par ailleurs mis en place une expérience de taille plus modeste utilisant du gallium liquide et loca-lisée au LPS. L'avantage de cette expérience est la �exibilité d'utilisation du fait de l'innocuité du gallium encomparaison au sodium liquide. Si un régime dynamo n'est pas attendu dans cette expérience, elle permet de

7C. Cichowlas, P. Bonaiti, F. Debbasch et M.-É. Brachet, Physical Review Letters, 95 264502 (2005).8G. Krstulovic et M.-É. Brachet, Physica D, 237 2015�2019 (2008).9C. Cartes, M. Bustamante et M.-É. Brachet, Physics of Fluids, 19 077101 (2007).

10R. Monchaux, M. Berhanu, M. Bourgoin, M. Moulin, P. Odier, J.-F. Pinton, R. Volk, S. Fauve, N. Mordant,F. Pétrélis, A. Chiffaudel, F. Daviaud, B. Dubrulle, C. Gasquet, L. Marie et F. Ravelet, Physical Review Letters, 98044502 (2007).

11M. Berhanu,R. Monchaux, S. Fauve,N. Mordant, F. Pétrélis,A. Chiffaudel, F. Daviaud, B. Dubrulle, L. Marie,F. Ravelet, M. Bourgoin, P. Odier, J.-F. Pinton et R. Volk, Europhysics Letters, 77 59001 (2007).

12R. Volk, F. Ravelet, R. Monchaux, M. Berhanu, A. Chiffaudel, F. Daviaud, P. Odier, J.-F. Pinton, S. Fauve,N. Mordant et F. Pétrélis, Physical Review Letters, 97 074501 (2006).

4.6. CONVERSION DE L'ÉNERGIE DES MARÉES EN ONDES INTERNES 25

0 200 400 600 800−300

−200

−100

0

100

200

300

t

Bi [G

]

Fig. 4.1: À gauche : Photo de l'expérience VKS ayant permis de mettre en évidence l'instabilité dynamo. À droite : Exemple desérie temporelle du champ magnétique observé dans l'expérience VKS. Les trois composantes du champ mesuré à la paroi limitantl'écoulement changent de signe à des instants aléatoires.

mettre en évidence un certain nombre de phénomènes élémentaires intervenant dans la dynamo. Dans le cadrede sa thèse de doctorat, M. Berhanu a caractérisé l'hydrodynamique et les propriétés d'induction de plusieursécoulements sous diverses con�gurations de champ appliqué. L'e�et du freinage magnétique sur un écoulementde métal liquide soumis à un champ fort a également été mise en évidence13. Ce phénomène est à la base de lasaturation de la croissance du champ magnétique en régime dynamo.

Du point de vue théorique, ces chercheurs ont identi�é les di�érents mécanismes qui entrent en jeu dans leprocessus d'instabilité de l'expérience VKS et testé une prédiction concernant l'amplitude du champ magnétiquecréé par instabilité dynamo à partir des résultats de trois expériences dynamos14. Des lois d'échelles concernantle seuil d'instabilité, l'énergie magnétique créée et la puissance dissipée par e�et Joule ont été prédites pour desdynamos turbulentes15. En outre, l'e�et de certaines �uctuations turbulentes (dites � de phase �) sur le seuil del'instabilité dynamo a été étudié : pour un écoulement cellulaire, ils ont montré que ces �uctuations de phaseinhibent l'instabilité dynamo et augmentent le seuil d'apparition du champ magnétique16.

L'équipe de S. Fauve poursuit une autre collaboration sur la magnétohydrodynamique avec le Laboratoirede radioastronomie de l'ENS (LRA) depuis plusieurs années. Plus particulièrement, avec E. Dormy (IPGP),au LPS pendant deux ans et actuellement au LRA, l'e�et sur le seuil d'instabilité dynamo des conditions auxlimites pour le champ magnétique a été étudié17,18. Cette étude, ainsi que diverses modélisations relatives àl'expérience VKS19 impliquent le travail de C. Gissinger, doctorant co-dirigé par E. Dormy et S. Fauve.

4.6 Conversion de l'énergie des marées en ondes internes

La conversion de l'énergie des marées en ondes internes est une des sources de dissipation d'énergie du sys-tème Terre-Lune. Des mesures récentes ont montré que cette dissipation est localisée principalement près dessubmarine ridges : des zones sous-marines où la profondeur diminue très fortement, c'est-à-dire des montagnessous-marines. En collaboration avec l'UCSD (San Diego, USA), F. Pétrélis a calculé pour des topographiesmodèles la puissance qui est transmise par le courant de marée aux ondes internes. Ces résultats servent actuel-lement de modèles pour plusieurs expériences de laboratoire20.

13M. Berhanu, B. Gallet, N. Mordant et S. Fauve, Physical Review E, 78 015302 (2008).14F. Pétrélis, N. Mordant et S. Fauve, Geophysical and Astrophysical Fluid Dynamics, 101 289�323 (2007).15S. Fauve et F. Pétrélis, Comptes Rendus Physique, 8 87�92 (2007).16F. Pétrélis et S. Fauve, Europhysics Letters, 76 602�608 (2006).17A. Iskakov et E. Dormy, Geophysical and Astrophysical Fluid Dynamics, 99 481�492 (2005).18R. Teyssier, S. Fromang et E. Dormy, Journal of Computational Physics, 218 44�67 (2006).19C. Gissinger, A. Iskakov, S. Fauve et E. Dormy, European Physical Journal, 82 29001 (2008).20F. Pétrélis, S. Smith et W. Young, Journal of Physical Oceanography, 36 1053�1071 (2006).


4.7 Suivi lagrangien de particules inertielles en turbulence hydrody-namique

En collaboration avec le laboratoire de Physique de l'ENS Lyon, N. Mordant a étendu la technique devélocimétrie Laser Doppler pour suivre le mouvement de particules (solides ou bulles) dans un écoulementturbulent21. L'intersection de deux faisceaux laser de grand diamètre (environ 5mm de diamètre) crée un réseauétendu d'interférences. La lumière di�usée par une particule solide se déplaçant dans cette zone est modulée enfréquence. La démodulation du signal lumineux fournit une mesure de la vitesse et de l'accélération de particulespendant un temps long du fait de la grande taille des faisceaux. L'in�uence de l'inertie sur la dynamique desparticules a ainsi pu être étudiée en comparant le mouvement de bulles, de particules de même densité que le�uide (traceurs passifs) et de particules plus denses. De plus, ces résultats ont été comparés à des simulationsnumériques pour valider les modèles simpli�és de dynamique utilisés dans les simulations22.

4.8 Convection et intermittence

S. Fauve a poursuivi une collaboration avec l'équipe de K. Kumar (Indian Institute of Technology, Kharagpur,Inde). Ils ont étudié le problème de la convection de Rayleigh-Bénard dans la limite de nombre de Prandtl nul.Ils ont montré que dans cette limite, la convection peut apparaître par bou�ées intermittentes dont ils ontcaractérisé le comportement statistique23.

4.9 Turbulence d'ondes

La turbulence d'ondes concerne l'étude des propriétés dynamiques et statistiques d'un ensemble d'ondesdispersives en interaction non linéaire. C'est donc un phénomène que l'on rencontre dans de nombreux domainesde la physique. Il a fait l'objet d'un assez grand nombre de travaux théoriques mais, de façon surprenante, de trèspeu d'études expérimentales. L'équipe de S. Fauve a étudié expérimentalemnt les exemples d'ondes de gravitéet d'ondes capillaires à la surface de �uides simples (eau, mercure), ainsi que d'ondes de �exion de plaquesélastiques. S. Rica et ses collaborateurs ont également apporté une contribution théorique à l'étude de ces ondesde �exion de plaques élastiques.

4.9.1 Ondes de gravité-capillarité

Cette étude a été e�ectuée par S. Fauve en collaboration avec É. Falcon et C. Laroche (initialement à l'ENS-Lyon puis au LPS en 2006 et 2007). Ces chercheurs ont mesuré les spectres des �uctuations pour des ondesengendrées à la surface de l'eau ou du mercure à l'aide d'un piston vibrant. Ils ont mis en évidence des loisd'échelles di�érentes dans le régime de gravité à basse fréquence et de capillarité à haute fréquence24. La loiobservée pour le régime de capillarité est en bon accord avec les prédictions théoriques en régime de turbulencefaible. Ce n'est pas le cas de la pente du spectre de gravité qui dépend des paramètres du forçage. Cet e�et aété attribué à la discrétisation due à la taille �nie de l'expérience, beaucoup plus importante à grande longueurd'onde.

S. Fauve et ses collaborateurs ont étudié la statistique des incréments de vitesse de l'interface sur un tempsτ , et ont observé une loi de probabilité gaussienne pour τ grand et un écart de plus en plus important à lagaussienne à mesure que des échelles de temps τ de plus en plus petites dans la zone inertielle sont sondées. Ilsont ainsi mis en évidence le phénomène d'intermittence en turbulence d'ondes25. Ce phénomène est bien connuen turbulence hydrodynamique. Il est intéressant de constater qu'il est observé de façon tout aussi marquée enturbulence d'ondes alors que le nombre de Reynolds est beaucoup plus faible et que la vorticité ne joue pas lerôle important qu'elle possède en turbulence.

En�n, ils ont étudié la statistique des �uctuations du �ux d'énergie qui est nécessaire à la génération durégime de turbulence d'ondes (voir section 5.6).

21R. Volk, N. Mordant, G. Verhille et J.-F. Pinton, Europhysics Letters, 81 34002 (2008).22R. Volk, E. Calzavarini, G. Verhille, D. Lohse, N. Mordant, J.-F. Pinton et F. Toschi, Physica D, 237 2084�2089

(2008).23K. Kumar, P. Pal et S. Fauve, Europhysics Letters, 74 1020�1026 (2006).24E. Falcon, C. Laroche et S. Fauve, Physical Review Letters, 98 094503 (2007).25E. Falcon, S. Fauve et C. Laroche, Physical Review Letters, 98 154501 (2007).

4.9. TURBULENCE D'ONDES 27

4.9.2 Ondes de �exion élastique

Des ondes de �exion peuvent être propagées sur des plaques élastiques minces. Elles suivent l'équation deFöppl-Von Kármán qui prédit des ondes dispersives (ω ∝ k2) et une non linéarité cubique. Avec G. Düring etC. Josserand, S. Rica a dévelopé une théorie de la turbulence faible pour le spectre de l'onde26. Essentielle-ment, les ondes se propagent aléatoirement sur le système et agissent les unes sur les autres par l'intermédiaired'une résonance interne induite par les non-linéarités faibles. Les mathématiques au delà de cette conditionde résonance sont formellement identiques à la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement d'ungaz classique des particules. En ce sens, une plaque élastique est formellement équivalente à un gaz en deuxdimensions de particules classiques agissant les unes sur les autres avec une section de dispersion non triviale.En e�et, un système isolé évolue d'un état initial aléatoire à une situation d'équilibre statistique comme un gazde particules classiques. En plus de l'équilibre statistique pour les systèmes isolés, la théorie de la turbulencefaible prévoit ici une cascade d'énergie depuis la source (forçage) vers une échelle de dissipation typiquementcaractérisée par les déformations plastiques, l'impédance des bords, etc. D'ailleurs, alors qu'il manque des obser-vations directes des prévisions de la turbulence faible, ces chercheurs ont montré numériquement la relaxationà l'équilibre et la cascade d'énergie avec des spectres de Kolmogorov pour la dynamique d'une plaque.

Pour mettre en évidence ce phénomène expérimentalement, N. Mordant a utilisé une plaque d'acier inoxy-dable (1m×2m pour 0,4mm d'épaisseur)27. Cette plaque est �xée à une poutre et pend sous son propre poids.Les ondes sont engendrées au moyen d'un vibreur �xé en un point de la plaque et qui force une oscillation àbasse fréquence. On mesure alors localement la vitesse normale de la plaque au moyen d'un vibromètre laser (oubien son accélération par un accéléromètre). On observe que le forcage monochromatique de la plaque engendredes déformations de la plaque dont la dynamique est large bande : l'énergie est répartie sur un continuum defréquence allant jusqu'à quelques kilohertz pour un forçage basse fréquence à 30Hz. La décroissance du spectrede Fourier de la vitesse suit une loi de puissance d'exposant −0,6 tandis que la prédiction théorique de G. Dü-ring, C. Josserand et S. Rica26 prévoit un exposant nul (et une correction logarithmique). Au moyen d'unemesure di�érentielle entre deux points distincts de la plaque, il est possible de tester quelques hypothèses de laturbulence d'onde. En particulier, sous l'hypothèse d'isotropie, on peut prédire l'évolution du spectre de Fourierde la vitesse relative entre deux points en fonction de leur séparation. Les mesures ont mis en évidence un trèsbon accord avec cette prédiction. On peut en particulier en déduire que l'on a e�ectivement une superpositionisotrope d'ondes de �exion qui véri�ent la relation de dispersion théorique. On ne peut pas mettre en évidencede violation des hypothèses de la théorie de la turbulence faible qui expliquerait le désaccord entre le spectrede déformation observé et la prédiction théorique.

26G. Düring, C. Josserand et S. Rica, Physical Review Letters, 97 025503 (2006).27N. Mordant, Physical Review Letters, 100 234505 (2008).

Chapitre 5

Systèmes hors d'équilibre, systèmesdésordonnés, transitions de phase etéquations d'état

5.1 Amas globulaires

Y. Pomeau continue à ré�échir au problème des amas globulaires et à la mécanique statistique des systèmesavec interaction à très longue portée (gravitationnelle dans ce cas). Son cours à l'École d'été en Pologne1

explique pourquoi ces amas doivent être vu comme des structures hors d'équilibre où l'agrégation l'emporte surl'évaporation. Une théorie assez simple donne une bonne estimation du nombre d'étoiles moyen dans les amas(une fraction d'un million).

5.2 Friction quantique

Y. Pomeau a détaillé2,3 des applications de l'idée que dans certains cas, la di�usion des �uctuations du videpeut donner des phénomènes typiques du non-équilibre, comme force ou couple de friction. Avec D. Robert, ilmontre aussi4 que la di�usion des �uctuations de point zéro par les rugosités de surface peut être considéréecomme un processus conduisant à un équilibre sans production permanente d'entropie, comme le serait l'émissionde vortex.

5.3 Bruit de courants dans des systèmes mésoscopiques

X. Leyronas a collaboré avec C. Mora et N. Regnault (LPA)5 pour e�ectuer un calcul de bruit de courantdans des systèmes mésoscopiques tels que des points quantiques ou des nanotubes de carbone. Ils ont ainsi étécapables d'e�ectuer un calcul à température et tension �nies, dans le cas d'un nombre quelconque de degrés deliberté internes électroniques. Ce travail intéresse en particulier T. Kontos du LPA, qui mène actuellement desmesures de transport dans les nanotubes de carbone.

5.4 Physique Statistique des systèmes vitreux

D. Bonn et ses collaborateurs ont étudié la dynamique des verres colloïdaux, des suspensions concentrées depetites particules browniennes dans un solvant. Le � vieillissement � d'un verre est la dynamique d'évolutionde ce verre au cours du temps. À cause de ce vieillissement, un verre est éternellement hors d'équilibre. Ilexistait des indications théoriques qui montraient que la di�usion lente dans les verres peut être caractérisée parune température e�ective obtenue à partir de l'application du théorème de �uctuation-dissipation à ce systèmehors d'équilibre. Cependant, les expériences sur ce sujet n'étaient jusqu'à présent pas concluantes. D. Bonn

1Y. Pomeau, dans proceedings of the 2nd Warsaw school of Statistical physics, Warsaw University Press, 2007.2Y. Pomeau, Journal of Statistical Physics, 121 1083�1095 (2005).3Y. Pomeau, Europhysics Letters, 74 951�957 (2006).4Y. Pomeau et D. C. Roberts, Physical Review B, 77 144508 (2008).5C. Mora, X. Leyronas et N. Regnault, Physical Review Letters, 1 036604 (2008).

29

30 CHAPITRE 5. SYSTÈMES HORS D'ÉQUILIBRE OU DÉSORDONNÉS, TRANSITIONS, ÉQUATIONS D'ÉTAT

et ses collaborateurs ont démontré, en faisant des expériences de microrhéologie sur un verre colloïdal, qu'unetempérature e�ective peut être dé�nie6. Elle est égale à la vraie température du verre, et ne donne donc pas derenseignement utile permettant une caractérisation de l'état du système avec les outils de la physique statistique.On quali�e les systèmes vitreux souvent de � frustrés � : ils sont caractérisés par un paysage d'énergie libre trèscompliqué, et n'arrivent jamais à trouver le minimum absolu d'énergie. Le vieillissement peut ainsi également êtrevu comme une évolution du système dans ce paysage d'énergie complexe. Cette équipe de chercheurs a démontréexpérimentalement pour la première fois pour un système colloïdal que ce paysage d'énergie est e�ectivement trèscompliqué. Le système qui avait été choisi a la particularité de pouvoir former, pour la même fraction volumiquede particules colloïdales, soit un gel colloïdal (structure interconnectée), soit un verre colloïdal (structurellementressemblant à un liquide). Ceci montre déjà qu'il existe au moins deux minima d'énergie correspondant à cesdeux états. La dynamique montre qu'en réalité, les échantillons peuvent � hésiter � entre les deux états �nauxpendant longtemps, et même qu'un système qui évolue initialement comme un verre, peut devenir plus tard ungel7.

5.5 Fluctuations et grandes déviations dans les systèmes hors d'équi-libre

Après une série de travaux faits en collaboration avec J. Lebowitz et E. Speer (tous deux de Rutgers), surtoutau cours de la période 2000�2004, sur le calcul des �uctuations et des grandes déviations de densité dans lessystèmes hors d'équilibre8,9, B. Derrida travaille depuis 2004, essentiellement avec T. Bodineau, actuellementau Département de Mathématiques de l'ENS, sur les �uctuations et sur les grandes déviations du courantdans des systèmes maintenus dans un régime stationnaire hors d'équilibre par contact avec deux thermostats àtempératures di�érentes ou deux réservoirs de particules à densités di�érentes10,11,12,13. En ce qui concerne les�uctuations de densité, un des résultats récents les plus marquants14 a été de montrer que l'entropie dans unrégime stationnaire hors d'équilibre avait une contribution due aux corrélations à longue portée, qui sont unecaratéristitique des systèmes hors d'équilibre.

À la suite d'un calcul fait en collaboration avec B. Douçot et P.E. Roche10 B. Derrida avait montré, en2004 dans son premier travail avec T. Bodineau, comment calculer la fonction de grandes déviations et tousles cumulants du courant pour des systèmes di�usifs quelconques. Parallèlement à ces travaux, Bertini, DeSole, Gabrielli, Jona-Lasinio et Landim ont développé une théorie macroscopique des systèmes hors d'équilibrepermettant d'écrire les équations à résoudre pour obtenir cette fontion de grandes déviations. La théorie de2004 de B. Derrida et de ses collaborateurs revient de fait à résoudre ces équations, en supposant que la solutiondu pro�l optimal que le système adopte pour engendrer une certaine déviation de courant est indépendante dutemps. Comme l'ont remarqué Bertini et al en 2005, cette solution est valable sous certaines conditions, mais onpeut produire des exemples où ce pro�l se met à dépendre du temps. Les travaux récents11,13 de B. Derrida onteu pour but de déterminer dans quelles conditions ce pro�l optimal devient dépendant du temps et d'analyserce qui se passe alors.

En 2006, B. Derrida a donné un cours à L'Institut Newton de Cambridge, qui fait une revue de tous cestravaux sur les systèmes hors d'équilibre15.

5.6 Propriétés statistiques des �uctuations de systèmes dissipatifshors équilibre

A�n de maintenir un système dissipatif (un milieu granulaire, un écoulement turbulent, etc) dans un régimestatistiquement stationnaire, il faut qu'un opérateur extérieur lui fournisse une certaine puissance qui compensela dissipation. En général, l'opérateur ne contrôle pas la valeur de cette puissance mais applique une forceconstante ou impose un déplacement à vitesse constante. La puissance ou le �ux d'énergie depuis l'injection à la

6S. Jabbari-Farouji, D. Mizuno, M. Atakhorrami, F. MacKintosh, C. Schmidt, E. Eiser, G. Wegdam et D. Bonn,Physical Review Letters, 98 108302 (2007).

7S. Jabbari-Farouji, G. Wegdam et D. Bonn, Physical Review Letters, 99 065701 (2007).8B. Derrida, C. Énaud, C. Landim et S. Olla, Journal of Statistical Physics, 118 795�811 (2005).9B. Derrida, P. Gaspard et C. Broeck, Comptes Rendus Physique, 8 483�485 (2007).

10P. Roche, B. Derrida et B. Doucot, European Physical Journal B, 43 529�541 (2005).11T. Bodineau et B. Derrida, Physical Review E, 72 066110 (2005).12T. Bodineau et B. Derrida, Journal of Statistical Physics, 123 277�300 (2006).13T. Bodineau et B. Derrida, Comptes Rendus Physique, 8 540�555 (2007).14B. Derrida, P. Gaspard et C. Broeck, Comptes Rendus Physique, 8 483�485 (2007).15B. Derrida, Journal of Statistical Mechanics, P07023 (2007).

5.7. EFFETS DU BRUIT SUR LES SYSTÈMES HORS-ÉQUILIBRE 31

dissipation, dépend des paramètres du système. De plus, c'est en général une quantité �uctuante dont S. Fauveet ses collaborateurs ont étudié les propriétés à l'aide d'expériences ou de simulations numériques sur diverssystèmes. Contrairement aux �uctuations de systèmes à l'équilibre, aucun résultat général n'était connu dans lecas de systèmes dissipatifs hors équilibre (si l'on excepte le théorème de �uctuations qui ne s'applique que dansle cas de systèmes en contact avec des thermostats ou de systèmes dits réversibles très éloignés de toute réalité).L'équipe a montré analytiquement l'existence de relations générales entre les moments de la puissance injectéeet ceux de la puissance dissipée dans un système dissipatif forcé16. En particulier, le rapport des variances des�uctuations de puissances injectée et dissipée est inversement proportionnel au rapport des temps de corrélationde ces deux quantités.

Dans le cas des gaz granulaires, S. Fauve et ses collaborateurs ont montré l'existence d'une limite danslaquelle on retrouve les propriétés caractéristiques des systèmes proches de l'équilibre. Il faut pour cela fairetendre le coe�cient de restitution r des collisions vers 1 (collisions presque élastiques) et faire tendre le nombrede particules N vers l'in�ni en maintenant constant le produit de 1− r et d'une puissance de N dépendant dela dimension d'espace17.

Ils ont aussi étudié les �uctuations de la puissance injectée en turbulence d'ondes. Ils ont pour cela mesuréla force appliquée au piston vibrant engendrant les vagues ainsi que sa vitesse. Ils ont montré que lorsquele �uide utilisé est assez dense (mercure), la force appliquée au piston par le vibreur est approximativementopposée à la force appliquée par le �uide au piston. Ceci permet d'évaluer simplement la puissance injectée. Sadensité de probabilité possède un maximum en zéro et des ailes exponentielles dont l'asymétrie augmente avecle �ux d'énergie moyen. Ils l'ont modélisée à l'aide d'une approximation à la Langevin qui permet de décrire lesrésultats expérimentaux sans paramètre ajustable18.

5.7 E�ets du bruit sur les systèmes hors-équilibre

L'instabilité dynamo est, génériquement, une instabilité où le forçage est �uctuant. Cette problématiquemotive ce thème de recherche : l'étude d'e�ets du bruit sur des systèmes modèles hors d'équilibre.

Plusieurs résultats théoriques ont été obtenus par F. Pétrélis dans une collaboration avec K. Mallick etS. Aumaître. Près du seuil d'une instabilité, si l'écart à ce seuil �uctue, le système peut alterner des phasesoù son amplitude tend vers zéro et des phases de croissance. On parle d'intermittence on-o�. En étudiant dessystèmes intermittents on-o�, ils ont mis en évidence le rôle des basses fréquences des �uctuations vis-à-visde l'apparition de cette intermittence19,20. Avec N. Mordant et S. Fauve, ce résultat a été étendu à d'autresphénomènes hors-équilibre tels que le problème de sortie de puit de potentiel et celui de la résonance stochastiquepour lesquels il a été montré que, dans certains régimes, ils sont aussi contrôlés par les �uctuations à bassefréquence21.

Cet e�et d'intermittence on-o� concerne la dynamique au dessus du seuil d'instabilité. Une autre questiond'importance est l'e�et de �uctuations sur le seuil d'instabilité. Suivant l'instabilité et le type de �uctuationsplusieurs comportements peuvent être observés. Un oscillateur dont l'amortissement est bruité peut être instable.La position du seuil et la dynamique au-dessus du seuil ont été determinées22. Un autre exemple est uneinstabilité sous-critique pour laquelle un terme non-linéaire est bruité. Ils ont montré que le seuil d'instabilitédevient égal au seuil linéaire mais que la transition est discontinue sans hystérésis23.

L'approche théorique qui a été menée a considéré des systèmes d'équations scalaires qui n'ont donc pas dedegrés de liberté spatiaux. On s'attend à ce que des comportements nouveaux apparaissent lorsque plusieurséchelles spatiales �uctuent. Expérimentalement, nous avons pu étudier des e�ets du bruit sur des systèmes éten-dus. F. Pétrélis, S. Aumaître et S. Fauve ont considéré l'instabilité de Faraday qui se produit à la surface d'un�uide soumis à une accélération verticale sinusoïdale. Elle se manifeste par l'apparition de vagues à fréquencemoitiée de la fréquence excitatrice. Ils ont étudié l'e�et d'un bruit de phase, c'est-à-dire d'une vibration sinusoi-dale dont la phase est bruitée. Ce bruit augmente le seuil d'instabilité et diminue l'amplitude des vagues24. Lesmesures expérimentales sont en accord avec un calcul perturbatif qui prédit que le bruit de phase renormalise(en le diminuant) l'intensité e�ective du forçage.

16S. Aumaître, J. Farago, S. Fauve et S. Mc Namara, European Physical Journal B, 42 255�261 (2004).17S. Aumaître, A. Alastuey et S. Fauve, European Physical Journal B, 54 263�266 (2006).18E. Falcon, S. Aumaître, C. Falcon, C. Laroche et S. Fauve, Physical Review Letters, 1 064503 (2008).19S. Aumaître, F. Pétrélis et K. Mallick, Physical Review Letters, 95 064101 (2005).20S. Aumaître, K. Mallick et F. Pétrélis, Journal of Statistical Physics, 123 909�927 (2006).21F. Pétrélis, N. Mordant et S. Fauve, Geophysical and Astrophysical Fluid Dynamics, 101 289�323 (2007).22N. Leprovost, S. Aumaître et K. Mallick, European Physical Journal B, 49 453�458 (2006).23F. Pétrélis et S. Aumaître, European Physical Journal B, 51 357�362 (2006).24F. Pétrélis, S. Aumaître et S. Fauve, Physical Review Letters, 94 070603 (2005).


Dans cette expérience, les �uctuations sont uniquement temporelles et sont homogènes spatialement. Troisexpériences ont été développées pour mettre en évidence l'e�et de �uctuations spatio-temporelles sur des insta-bilités. Une première expérience étudie l'instabilité de Faraday à la surface d'une couche liquide en écoulementtourbillonnaire dans le cadre de la thèse de C. Falcon. Cet écoulement est engendré par le passage d'un fortcourant dans une couche de mercure placée au-dessus d'un réseau carré de 128 aimants de polarités alternées.Les premiers résultats indiquent que cet écoulement tourbillonnaire augmente le seuil d'instabilité et tend àdécorréler spatialement les vagues créées par l'instabilité de Faraday.

Deux autres expériences considèrent des systèmes granulaires de billes ferromagnétiques. Sur ces systèmes,les �uctuations peuvent être rendues importantes en excitant mécaniquement les billes. Ces chercheurs ont misen évidence une nouvelle instabilité à la surface d'un milieu granulaire constitué de billes soumises à un champmagnétique vertical. Au dela d'un champ magnétique critique, la surface se déforme et des pics apparaissent.Des mesures sont en cours pour caractériser plus précisément l'in�uence des �uctuations du milieu granulairesur cette nouvelle instabilité. Dans cette expérience, le mouvement désordonné des billes est engendré par lavibration verticale de la couche de billes et l'énergie est donc injectée en paroi. A�n que l'injection ait lieu envolume ils ont développé une expérience constituée d'un ensemble de billes ferromagnétiques plongées dans unécoulement turbulent et soumises à un champ magnétique vertical. Une instabilité de la densité de bille a étémise en évidence. Il s'agit d'une bifurcation de Hopf dans un écoulement turbulent. Les propriétés statistiquesde cette instabilité sont actuellement en cours d'étude dans le cadre du travail de thèse de B. Gallet.

5.8 La nucléation dans l'eau et l'hélium

L'eau sous pression atmosphérique devient solide à 0°C et bout à 100°C. Ces températures et leur variationavec la pression marquent les frontières de l'état liquide. Cependant, les transitions liquide-gaz et liquide-solidesont du premier ordre, et il est possible de franchir ces frontières : le liquide est alors dans un état métastable,surfondu par rapport au solide, ou surchau�é par rapport au liquide. L'observation d'un tel état exige desconditions de très grande pureté, car la présence de parois ou de poussières peut faciliter l'apparition de laphase la plus stable : on parle alors de nucléation hétérogène. Même en l'absence d'impuretés, il existe unelimite à partir de laquelle la nouvelle phase nuclée de manière homogène. La connaissance de cette limite demétastabilité intrinsèque au liquide renseigne sur les propriétés de cohésion de la matière condensée.

F. Caupin et S. Balibar étudient la métastabilité de l'eau par rapport à sa vapeur et celle de l'hélium super-�uide par rapport à sa phase solide. Pour franchir les frontières entre phases, ils utilisent la variation de pressionplutôt que de température, pour préparer de l'eau sous tension mécanique, ou de l'hélium � surpressurisé �. Àl'aide d'un transducteur piézoélectrique hémisphérique, ils focalisent des ultrasons au centre de l'hémisphère,dans un petit volume et loin de toute paroi. Le liquide est alors soumis à quelques cycles de compression etdétente de très grande amplitude, qui peuvent être répétés de manière reproductible. Cela a permis de mettreen évidence pour la première fois la cristallisation acoustique dans l'hélium25,26,27,28, et de mesurer la dépen-dance en température de la pression de cavitation (formation d'une bulle) dans l'eau29,30. F. Caupin s'intéresseégalement à la métastabilité dans d'autres systèmes31,32,33.

Les théories de nucléation utilisent comme ingrédient la tension de surface entre phases34. Des valeursexpérimentales existent pour le système super�uide/cristal et eau/vapeur. Le cas de l'hélium a conduit F. Caupinà plusieurs collaborations théoriques. D'une part pour décrire la transition liquide-solide et la tension de surface,il a utilisé avec T. Minoguchi (Tokyo) un modèle simple de fonctionnelle de densité35 ; un modèle plus ra�né afait l'objet d'une publication avec des collègues d'Italie et d'Espagne36. D'autre part, avec J. Boronat (Barcelone)et K. Andersen (Grenoble), il a réalisé une revue des mesures par di�usion de neutrons près du vecteur d'ondedes rotons, quasi-particules qui peuvent être vues comme des précurseurs du cristal d'hélium37.

25F. Werner, G. Beaume, A. Hobeika, S. Nascimbene, C. Herrmann, F. Caupin et S. Balibar, Journal of Low Tempe-rature Phys, 136 93 (2004).

26R. Ishiguro, F. Caupin et S. Balibar, Europhysics Letters, 75 91�97 (2006).27R. Ishiguro, F. Caupin et S. Balibar, Proc. of LT24 (Orlando, 2005), AIP Conf. Proc. (New York), 850 339 (2006).28R. Ishiguro, F. Caupin et S. Balibar, Journal of Low Temperature Physics, 148 645�652 (2007).29E. Herbert et F. Caupin, Journal of Physics : Condensed Matter, 17 S3597�S3602 (2005).30E. Herbert, S. Balibar et F. Caupin, Physical Review E, 74 041603 (2006).31F. Caupin, Physical Review Letters, 98 259601 (2007).32F. Caupin, Physical Review Letters, 99 079601 (2007).33F. Caupin, Physical Review B, 77 184108 (2008).34S. Balibar et F. Caupin, Comptes Rendus Physique, 7 988�999 (2006).35F. Caupin et T. Minoguchi, Journal of Low Temperature Physics, 138 331�336 (2005).36F. Ancilotto, M. Barranco, F. Caupin, R. Mayol et M. Pi, Physical Review B, 72 214522 (2005).37F. Caupin, J. Boronat et K. Andersen, Journal of Low Temperature Physics, 152 108�121 (2008).

5.8. LA NUCLÉATION DANS L'EAU ET L'HÉLIUM 33

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 20 40 60 80

Berthelot

Berthelot

Berthelot

centrifugeuse

onde de choc

acoustique

acoustique

acoustique

Pre

ssio

n d

e ca

vitat

ion (M

Pa)

Température (°C)

Fig. 5.1: Pression de cavitation de l'eau (à 50% de pro-babilité) en fonction de la température (cercles rouges).Nos résultats sont comparés à ceux obtenus par d'autresméthodes.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0,9 0,95 1 1,05

Probabilité de cavitation

Tension d'excitation normalisée Vrms/Vcav

Fig. 5.2: Statistique de cavitation. Chaque probabilitéest mesurée en répétant 1000 fois les salves acoustiquesdans les mêmes conditions expérimentales. Entre une ondeultrasonore à 1MHz (disques) et une autre à 1,3MHz(cercles), le volume focal est divisé par 1,33 = 2,2 ; pour-tant les statistiques mesurées sont identiques, et bien re-produites par une loi d'activation en double exponentielle(courbe).

Dans le cas de l'eau, il existe plusieurs scénarios concernant salimite de métastabilité, en rapport avec ses diverses anomalies : la va-riation de la pression de cavitation avec la température est di�érenteselon lequel des scénarios est correct38. Les mesures (voir Fig. 5.1)obtenues donnent une variation monotone, favorisant le scénario sug-géré par des simulations de dynamique moléculaire. La pression decavitation obtenue est de l'ordre de -25MPa à température ambiante,dépassant toutes les expériences antérieures qui donnaient une me-sure directe de la pression de cavitation39. En particulier, les mesuresprès de 0°C sont bien plus négatives que les précédentes ; en colla-boration avec des botanistes de Clermont-Ferrand40, F. Caupin amontré que cela excluait une limitation par la cavitation homogènedu transport de la sève dans les arbres à basse température.

Cependant, la pression de cavitation reste bien moins négativeque les attentes théoriques (-140MPa). On pense immédiatement àla présence d'impuretés qui empêcheraient d'observer la cavitationhomogène ; cependant, la reproductibilité des mesures (en particulierde la statistique de cavitation) au sein d'un même échantillon d'eau,et pour des échantillons de provenance diverse, exige des impuretésincroyablement bien calibrées. De plus, en utilisant une fréquencedes ultrasons plus élevée, le volume et le temps d'observation del'échantillon métastable a été réduit sans que la statistique de ca-vitation en soit changée (voir Fig. 5.2), ce qui exclut des impuretés� déterministes �, comme des bulles piégées sur des particules hydro-phobes. F. Caupin a imaginé une autre explication : elle nécessite quel'équation d'état de l'eau à pression négative soit très di�érente del'extrapolation que l'on peut faire des données mesurées à pressionpositive. Pour expliquer les mesures e�ectuées, la limite spinodale(où la compressibilité du liquide diverge, comme au point critiqueliquide-vapeur) devrait se trouver à -50MPa au lieu de -200MPa àtempérature ambiante. Il projète d'e�ectuer une mesure directe del'équation d'état de l'eau à pression négative pour véri�er cette hy-pothèse.

38F. Caupin, Physical Review E, 71 051605 (2005).39F. Caupin et E. Herbert, Comptes Rendus Physique, 7 1000�1017 (2006).40H. Cochard, T. Barigah, E. Herbert et F. Caupin, New Phytologist, 173 571�575 (2007).

Chapitre 6

Systèmes granulaires, mécanique ducontact

6.1 Impact

La dissipation lors d'un impact entre deux solides est représentée essentiellement phénoménologiquement parun coe�cient de restitution. M. Adda-Bedia1, en collaboration avec S. Llewellyn Smith (University of California,San Diego), a étudié la dynamique de propagation des ondes élastiques d'un disque entrant en contact avec unesurface rigide. Ils ont prouvé que, aux temps courts, la surface de contact croît plus rapidement que la vitesse depropagation des ondes élastiques. Ils ont déterminé le comportement du champ des contraintes durant le passagede ce régime supersonique vers le régime subsonique ; ils ont ainsi montré l'existence d'une singularité faible duchamp des contraintes au point transsonique qui pourrait être responsable de la détérioration systématique desmatériaux lorsqu'ils sont soumis à des chocs, ainsi que des e�ets dissipatifs correspondants.

6.2 Mécanique du contact

A. Prevost et G. Debrégeas, avec leurs doctorants S. Besson et J. Scheibert et dans le cadre d'une colla-boration avec J. Frelat (LMM, Université Paris 6) et P. Rey (LETI, CEA) se sont intéressés aux propriétésmécaniques du contact solide en développant plusieurs techniques expérimentales de mesure des champs méca-niques (déformation ou contrainte) au sein d'un contact étendu élastomère/verre.

La première technique utilise un micro-capteur de force de type MEMS noyé dans un �lm d'élastomère quipermet une mesure directe des contraintes mécaniques sous le contact. Les mesures obtenues dans le cas d'uncontact sphère-plan ont pu être comparées aux champs calculés par élements �nis avec des conditions aux limitesobéissant localement à une loi de frottement de type Amontons-Coulomb. Des écarts signi�catifs à cette loi ontainsi été mis en évidence et attribués à la compliance �nie de l'interface multi-contacts non prise en compte dansla loi de frottement (article soumis à Europhysics Letters). Pour un contact cylindre-plan en régime stationnairede glissement, les champs de pression et de cisaillement ont été mesurés et comparés avec succès à un modèlesemi-analytique développé par E. Katzav et M. Adda-Bedia (article en préparation).

La deuxième technique utilise l'image en transmission du contact : celui-ci est constitué d'un ensemble demicro-jonctions associées aux micro-aspérités qui sont autant des marqueurs de pression que de déplacementde l'interface. Le champ de pression est obtenu en analysant la répartition spatiale de l'intensité lumineuse quipeut être simplement reliée à la pression locale. Cette approche a permis la première con�rmation expérimentaledirecte du modèle de Greenwood-Tripp qui prédit une correction au pro�l de pression de Hertz associée à laprésence d'une couche rugueuse d'épaisseur �nie. Ce système d'imagerie a également permis à ces chercheursde déterminer quantitativement la dynamique du champ de glissement interfacial lors de la transition charge-glissement. Les micro-jonctions sont ici utilisées comme marqueurs de déplacement et permettent d'obtenir unemesure de l'amplitude locale de glissement avec une résolution submicronique. Les résultats obtenus ont étéconfrontés au modèle mécanique de Cattaneo-Mindlin qui prédit la coexistence, lors de la charge, d'une zonecentrale adhésive entourée d'un anneau glissant. Des écarts faibles à ce modèle ont été mis en évidence, quirésultent là-encore de la compliance tangentielle de la couche rugueuse (article en préparation).

1M. Adda-Bedia et S. Smith, Proceedings of the Royal Society A, 462 2781�2795 (2006).

35

36 CHAPITRE 6. SYSTÈMES GRANULAIRES, MÉCANIQUE DU CONTACT

6.3 Transduction de l'information tactile dans le toucher humain

En lien direct avec l'étude présentée dans la section précédente, A. Prevost, G. Debrégeas et leur doctorantJ. Scheibert se sont intéressés aux aspects physiques de la perception tactile digitale humaine. Lors d'uneexploration tactile, le frottement du doigt sur une surface texturée induit des vibrations de l'épiderme, convertiesau niveau des terminaisons mécanoréceptrices en signaux nerveux à l'origine de la représentation tactile decette surface. Ils se sont intéressés à l'étape pré-neuronale de ce processus de transduction : il s'agissait decomprendre comment les propriétés du doigt et de la peau ainsi que les conditions d'exploration (vitesse etpression appliquées) déterminent les propriétés de �ltrage et d'ampli�cation pré-neuronale de l'informationtactile.

Pour aborder cette question, ces chercheurs ont développé une approche biomimétique du toucher humain enréalisant un capteur tactile possédant certaines caractéristiques du doigt humain2,3. Un capteur MEMS jouantle rôle de mécanorécepteur est recouvert d'une membrane élastique simulant la peau. Ils ont mesuré les signauxde forces induits lors du frottement de substrats texturés micro-fabriqués. L'utilisation de textures aléatoirescontrôlées a permis de mettre en ÷uvre une méthode de corrélation inverse a�n d'obtenir la fonction de réponsesignal-stimulus.

Cette approche a permis de mettre en évidence le rôle des empreintes digitales dans la transduction del'information tactile : celles-ci sont à l'origine d'une ampli�cation importante des signaux de force autour d'unefréquence déterminée par la vitesse de frottement et la taille caractéristique des empreintes. Ce résultat permetde comprendre les capacités de discrimination de texture très �ne (article en préparation).

6.4 Milieux granulaires vibrés

Au cours de son postdoctorat, A. Prevost a commencé une collaboration avec P. Melby, D. Elgof et J. S. Ur-bach de Georgetown University, Washington DC, USA. Il a étudié les propriétés d'états stationnaires hors-d'équilibre obtenus en excitant une couche de billes au contact d'un plateau horizontal vibrant, et a contribuéà simuler par dynamique moléculaire ce système. Un article regroupant les résultats qui concernent l'existencede distributions de vitesses non-gaussiennes et de corrélations spatiales des vitesses non-nulles, ainsi que l'ob-servation et la caractérisation d'une transition depuis un liquide granulaire vers un cristal à symétrie cubique,a été écrit4.

A. Prevost a ensuite contribué à l'étude numérique de l'e�et des forces de déplétion lorsque la couche estconstituée d'un mélange bi-disperse de billes con�nées verticalement. Cet e�et, qu'il a observé expérimentale-ment, se caractérise par une ségrégation de taille, i.e. un regroupement à haute densité des grosses billes en unréseau hexagonal excluant les petites billes et, à basse densité, un accroissement signi�catif à courte distance dela fonction de corrélation de position des grosses billes. Les fonctions de corrélation mesurées et simulées sontbien décrites par la combinaison d'un potentiel de déplétion utilisé pour les systèmes colloidaux à l'équilibre etd'un facteur de Boltzman qui dé�nit une température e�ective. Aucune relation simple entre celle-ci et d'autresmesures de la température e�ective n'a pu être trouvée5.

6.5 Pâtes granulaires et rhéo-épaississement

99,9% des �uides complexes sont rheo-�uidi�ants : ils présentent une viscosité e�ective qui diminue quand onaugmente le gradient de vitesse (cisaillement) qu'on leur applique. Il est donc intéressant d'étudier les exceptionsà cette règle : des systèmes rheo-epaissisant pour lesquels la viscosité augmente avec le cisaillement.

D. Bonn et ses collaborateurs se sont intéressés aux comportements rhéologiques de suspensions sous cisaille-ment et notamment au blocage induit par l'écoulement. Ils ont mis en évidence ce blocage pour des suspensionsconcentrées de fécule de maïs. Cette suspension présente, sous cisaillement, un rhéoépaississement très marquéavec une augmentation de la viscosité en fonction du taux de cisaillement très abrupte. Cette augmentationbrutale de la viscosité est accompagnée par des contraintes normales très importantes. Des expériences de rhéo-métrie classique leur ont permis de constater que cette transition de rhéoépaississement dépend très fortement

2J. Scheibert, A. Prevost et G. Debrégeas, Archives of Physiology and Biochemistry, XXIX Congrès de la Société deBiomécanique Paris 2004, 112 44 (2004).

3J. Scheibert, A. Prevost, G. Debrégeas, R. Rousier et P. Rey, Actes Mécano Transduction (2004).4P. Melby, F. V. Reyes, A. Prevost, R. Robertson, P. Kumar, D. A. Egolf et J. S. Urbach, Journal of Physics :

Condensed Matter, 17 S2689�S2704 (2005).5P. Melby, A. Prevost, D. A. Egolf et J. S. Urbach, Physical Review E, 76 051307 (2007).

6.6. GAZ GRANULAIRES EN MICRO-GRAVITÉ 37

du con�nement. À partir de mesures de dilatance, nous avons montré que ceci est une conséquence directe dela dilatance6 (e�et Reynolds).

6.6 Gaz granulaires en micro-gravité

S. Fauve a poursuivi une collaboration avec D. Beyssens, P. Evesque, E. Falcon et Y. Garrabos impliquant desexpériences sur les gaz granulaires soumis à vibrations en l'absence de gravité (expériences en vols paraboliquesou fusées type Texus ou Maxus). Travailler en micro-gravité permet d'éliminer une échelle de temps du problèmeet de se placer ainsi dans une con�guration où la seule échelle de temps est donnée par la période de vibration. Ilsont mesuré les propriétés statistiques des collisions des particules avec les parois. En particulier, ils ont observéun résultat a priori surprenant : la fréquence des collisions des particules avec les parois ne croît pas linéairementavec le nombre de particules mais approximativement comme la racine de ce nombre7. En collaboration avecS. Aumaître, S. Fauve a reproduit ce résultat à l'aide de simulations numériques et l'a interprété à l'aided'arguments simples8.

6A. Fall, N. Huang, F. Bertrand, G. Ovarlez et D. Bonn, Physical Review Letters, 1 018301 (2008).7E. Falcon, S. Aumaître, P. Evesque, F. Palencia, C. Lecoutre-Chabot, S. Fauve, D. Beysens et Y. Garrabos,

Europhysics Letters, 74 830�836 (2006).8S. Aumaître et S. Fauve, Physical Review E, 73 010302 (2006).

38 CHAPITRE 6. SYSTÈMES GRANULAIRES, MÉCANIQUE DU CONTACT

Chapitre 7

Matière molle, mousses, �uides complexeset systèmes élastiques

7.1 Interaction entre surfaces de polymères à faibles densités

Les répulsions produites par des surfaces recouvertes de polymères seretrouvent dans un grand nombre desituations pratiques. En particulier, l'interaction de surfaces de polymères ancrés à faibles densité (souventappelée Mushroom regime) est prédite depuis le début des années 1970. Cependant, il s'avère que les di�érentesmesures e�ectuées jusqu'à présent semblaient en contradiction avec la théorie. Dans une collaboration avec F. Li,F. Pincet a corrigé une erreur qui s'était glissée dans l'article fondamental et a montré expérimentalement quecette théorie est parfaitement applicable1.

7.2 Formation de pores de longue durée de vie en milieu aqueux.

Des pores micrométriques dont la durée de vie peut excéder quelques dizaines de secondes dans des vésiculesgéantes (diamètre ∼10-100µm) avaient déjà été observés dans des milieux de forte viscosité. De tels poresen milieu aqueux ne sont a priori pas possibles à cause de la faible viscosité : ils se referment extrêmementrapidement. Grâce à une astuce physico-chimique qui permet une solubilisation contrôlée de la membrane de lavésicule, N. Rodriguez, S. Cribier et F. Pincet ont pu mettre en évidence des pores micrométriques en milieuaqueux. Ils ont observé l'existence d'une transition entre un pore unique de longue durée de vie et une cascade depores de courte durée de vie (∼1 s). La transition est directement liée au taux de solubilisation de la membrane.Ils ont pu modéliser le phénomène et prédire cette transition2.

7.3 Dynamique en milieu con�né

7.3.1 Formation spontanée de vésicules

Fig. 7.1: Vésicules multi-lamellaires hautement mono-disperses.

W. Urbach et ses collaborateurs ont étudié l'e�et d'ajout du polymère hydrosoluble(PEG) à une phase lamellaire d'un système ternaire tetradecyldimethylaminoxide - hexanol -eau. Les résultats de cryofracture et de SAXS montrent qu'au-delà d'une concentration-seuil,l'ajout du polymère induit la formation spontanée de vésicules multi-lamellaires hautementmono-disperses3.

7.3.2 Rigidités de bicouches de surfactant non-ionique du type CiEj

La di�usion des rayonnements (SAXS et DQLS) a permis de déterminer les rigidités de bicouches de sur-factant non-ionique du type CiEj. Ces bicouches, soit dispersées dans l'eau, soit dispersées dans le dodécaneet � gon�ées � à l'eau, ont été utilisées dans la plupart des études présentées ci-dessous. Au sein d'une autre

1F. Li et F. Pincet, Langmuir, 23 12541�12548 (2007).2N. Rodriguez, S. Cribier et F. Pincet, Physical Review E, 74 061902 (2006).3A. Maldonado, R. Lopez-Esparza, R. Ober, T. Gulik-Krzywicki,W. Urbach et C. Williams, Journal of Colloid and

Interface Science, 296 365�369 (2006).

39

40 CHAPITRE 7. MATIÈRE MOLLE, MOUSSES, FLUIDES COMPLEXES ET SYSTÈMES ÉLASTIQUES

collaboration, W. Urbach a montré que la conformation des molécules de surfactant contribue d'une façondéterminante à la variation de la constante de rigidité des bicouches.4

7.3.3 Di�usion non-brownienne. Vols de Levy ou la di�usion plus rapide que lemouvement Brownien

En di�usion Brownienne, la position de la particule croît proportionnellement à la racine carrée du temps etla probabilité de distribution des particules (front de di�usion) est gaussienne. En présence des événements peuprobables, il arrive que le front de di�usion ne soit plus gaussien et que la di�usion de la particule soit accélérée ;i.e. que sa position croisse plus rapidement que la racine carrée du temps. Par exemple la particule peut e�ectuerune série de pas indépendants de longueur l avec la distribution de pas P (l) très large. Si la variance de P (l)est in�nie, on observe une di�usion accélérée, dite di�usion de Lévy. Une autre équipe de chercheurs impliquantW. Urbach a observé une telle di�usion dans une phase de micelles géantes. Il s'agit de longs cylindres très�exibles et enchevêtrés d'une cinquantaine d'Angstrom de diamètre fabriqués avec des molécules tensioactiveset des sels. Ces micelles se coupent et se recombinent au hasard. Le mouvement de chaque cylindre, ralentipar la présence des autres, dépend de sa longueur. Ils ont observé les molécules �uorescentes attachées à cescylindres. Chaque fois que la micelle se coupe et se recombine, la molécule �uorescente change de � véhicule �dont les performances dépendent de sa longueur. Les plus courts se fau�lent bien plus vite que les longs. Ils ontvéri�é que le mouvement de la molécule �uorescente est un vol de Lévy. À leur connaissance, c'était la premièreobservation expérimentale d'un tel phénomène (Ott et al., PRL 65 p. 2201 1990). Il est plus di�cile d'imaginerune di�usion accélérée lorsque la particule e�ectue une série de pas indépendants de longueur, en moyenne,constante. Ils l'ont pourtant observé dans une phase de micelles parfaitement orientées5. Ce résultat con�rmeles modèles théoriques proposés.

7.3.4 Di�usion bidimensionnelle

Le modèle hydrodynamique de Sa�man et Delbrück, élaboré il y a plus de 30 ans, prédit une faible variationdu coe�cient de di�usion avec le rayon R, d'un cylindre immergé dans un �uide dont l'épaisseur est égale à lahauteur du cylindre. Malgré l'utilisation très répandue de ce modèle, en particulier pour interpréter les résultatsde di�usion des protéines membranaires, sa validité n'a jamais été testée. En étudiant la di�usion des peptideset protéines transmembranaires dans des bicouches lipidiques et dans des bicouches de tensioactifs, W. Urbachet ses collaborateurs ont montré que, contrairement aux prévisions du modèle, le coe�cient de di�usion dépendfortement des dimensions de l'objet di�usant et qu'un modèle heuristique du type Stokes (D ∼ 1/R) ajusteparfaitement leurs résultats ainsi que ceux de la littérature. La détermination des coe�cients de di�usion devientalors un moyen rapide et élégant pour déterminer le degré d'oligomérisation des protéines ou pour étudier leurinteraction avec des lipides ou une autre protéine6.

7.4 Coalescence de gouttes

Dans un article, principalement expérimental, Y. Pomeau et ses collaborateurs montrent que la coalescencede deux gouttes (en mouillage partiel) reposant sur un substrat solide s'explique bien par son idée de relaxationpilotée par la mobilité de la line de contact7.

Un article sur la capillarité, commissionné par Physics Today, a aussi été publié8.

7.5 Rhéologie et adhésion des mousses aqueuses

En collaboration avec S. Cohen-Addad et R. Hoeler de l'université de Marne la Vallée, G. Debrégeas etS. Besson ont étudié la contribution des propriétés d'adhésion entre bulles individuelles à la rhéologie desmousses 9,10. Les propriétés dynamiques d'adhésion entre bulles au contact ont été déterminées en mesurant

4E. Kurtisovski, N. Taulier, R. Ober, M. Waks et W. Urbach, Physical Review Letters, 98 258103 (2007).5Y. Gambin, G. Massiera, L. Ramos, C. Ligoure et W. Urbach, Physical Review Letters, 94 110602 (2005).6Y. Gambin, R. Lopez-Esparza, M. Reffay, E. Sierecki, N. Gov, M. Genest, R. Hodges et W. Urbach, Proceedings

of the National Academy of Sciences of the United States of America, 103 2098�2102 (2006).7R. D. Narhe, D. A. Beysens et Y. Pomeau, Europhysics Letters, 81 46002 (2008).8Y. Pomeau et E. Villermaux, Physics Today, 59 39�44 (2006).9travail de thèse de S. Besson, soutenue en 2007

10S. Besson et G. Debrégeas, European Physical Journal E, 24 109�117 (2007).

7.6. SYSTÈMES DE TENSION INTERFACIALE ULTRAFAIBLE 41

optiquement l'angle formé entre les �lms de savon au niveau de la ligne triple. Des mesures rhéologiques ma-croscopiques ont par ailleurs permis de caractériser la réponse mécanique d'une mousse de même compositionsous cisaillement. Ces mesures micro- et macro- ont été confrontées au moyen d'un modèle minimal de mousseinspiré du modèle hexagonal de Maxwell. Cette étude a permis de proposer une interprétation microscopique,validée expérimentalement, des phénomènes de dissipation d'énergie dans les mousses sous cisaillement rapide(article en préparation).

7.6 Systèmes de tension interfaciale ultrafaible

Fig. 7.2: Fluctuations thermiques d'une surface de tensionde surface ultrafaible. L'amplitude des �uctuations décroîtquand le système est soumis à un cisaillement.

Lorsqu'on mélange des colloîdes et des polymères de taille compa-rable dans un solvant, il peut y avoir une démixion du système pourdes raisons purement entropiques. Due à une interaction de déplé-tion, il y a, dans ce cas, formation d'une phase riche en colloïdes, etd'une autre riche en polymères. Il s'est avéré que l'interface entre cesdeux phases est exceptionnelle : elle possède une tension de surfaceun million de fois plus faible qu'une tension interfaciale typique eauhuile. Ceci veut dire que cette interface a une rugosité due aux �uc-tuations thermique qui est énorme, car la force de rappel est extrême-ment petite. Des expériences en microscopie optique directe peuventalors montrer directement la rugosité, qui est de l'ordre du micro-mètre. Ceci a beaucoup de conséquences intéressantes, qui sont entrain d'être étudiées par une équipe de chercheurs incluant D. Bonn.Par exemple, on peut obtenir des �lms de mouillage très épais sta-bilisé par une répulsion entropique entre l'interface très rugueuse etun mur. Ils ont démontré que cette force d'interaction entropiqueest en accord avec des estimations théoriques, qui n'avaient jamaispu être véri�ées auparavant. Ils ont également montré que la rugositéest diminuée par un écoulement hydrodynamique11. D'autre part, les�uctuations interviennent dans beaucoup de phénomènes hydrodynamiques : elles donnent par exemple pourla première fois une image microscopique de la coalescence des gouttes12. Pour la formation des gouttes, onobserve pour la première fois une claire transition entre un régime hydrodynamique, où l'équation de NavierStokes s'applique, et un régime � Physique Statistique � où la formation de gouttes est due aux �uctuationsthermiques de l'interface13.

7.7 E�et Casimir critique

Sur le thème l'e�et Casimir critique, D. Bonn et ses collaborateurs ont étudié l'e�et du con�nement des�uctuations thermiques dans un �lm composé d'un mélange de méthanol et d'alcanes à la composition critique.Pour cela, le �lm est déposé sur un substrat solide et le con�nement est assuré par les deux interfaces : l'interfacesolide/liquide et l'interface liquide/vapeur de haute tension de surface. Les propriétés de mouillage de cessystèmes sont maintenant bien connues. L'adsorption d'un �lm de méthanol (phase la plus dense) à l'interfacealcane/vapeur dépend de la longueur de chaîne de l'alcane. En dessous de la température de démixion Tc pourles alcanes courts (hexane, heptane), une transition de séchage est observée : une goutte de méthanol déposéeà l'interface alcane/vapeur transite, quand la température augmente, vers un état où l'angle de contact tendvers 180◦. Pour les alcanes plus longs (nonane, décane, . . . ), une transition de mouillage est observée quandla température tend vers la température critique de démixion du mélange binaire : un �lm de méthanol dontl'épaisseur diverge à la température de mouillage s'adsorbe à l'interface alcane/vapeur. Ainsi, pour les alcanescourts, c'est l'alcane qui s'adsorbe préférentiellement à l'interface liquide/vapeur, pour les alcanes longs, c'est leméthanol qui s'adsorbe préférentiellement. Ceci change les conditions aux limites pour l'e�et Casimir. Dans lasituation asymétrique, un épaississement du �lm de mouillage est observé quand le point critique de démixionest approché. La situation de conditions symétriques a montré que l'épaisseur du �lm de mouillage dans cettesituation (+ +) est relativement constante loin du point critique, ce qui est en accord avec les prédictionsthéoriques qui mettent en jeu les forces de van der Waals et la gravité. À l'approche de Tc, un amincissement

11D. Derks, D. Aarts, D. Bonn, H. Lekkerkerker et A. Imhof, Physical Review Letters, 97 038301 (2006).12D. Aarts, H. Lekkerkerker, H. Guo, G. Wegdam et D. Bonn, Physical Review Letters, 95 164503 (2005).13Y. Hennequin, D. Aarts, J. Wiel, G. Wegdam, J. Eggers, H. Lekkerkerker et D. Bonn, Physical Review Letters,

97 244502 (2006).


du �lm accompagné de l'apparition de trous a été observé ; ceci s'explique par la force de Casimir, attractivedans ce cas, qui est trop importante et empêche la formation d'un �lm. Ils montrent alors que, comme il a étéprévu théoriquement, le signe de la force de Casimir peut changer quand la symétrie des conditions aux limiteschange.

7.8 Mouillage de surfaces hydrophobes texturées

Fig. 7.3: Vue en microscopie interférentielle d'unegoutte d'eau sur une surface texturée. Les frangespermettent de reconstruire la topographie de l'in-terface entre l'eau et l'air piégée entre les struc-tures (pas de la structure = 50 µm).

Les surfaces hydrophobes peuvent maintenir des gouttes d'eauavec des angles de contact proches de 180◦. Cependant cet e�etpeut être perdu lorsque le liquide envahit les structures de la sur-face. S. Moulinet et son collaborateur se sont intéressés à cettetransition, dite � d'empalement �, sur des surfaces modèles for-mées d'un réseau de plots cylindriques. Ils ont mis en évidence quele paramètre qui caractérise la transition est la pression dans leliquide, et ce quelle que soit la manière dont elle est appliquée14

(impact, écrasement ou évaporation de gouttes). En mettant enplace un dispositif de microscopie interférentielle, ils ont été ca-pable de suivre la forme de l'interface entre le liquide et le substratau cours de la transition. Ils ont montré l'existence d'un état demouillage stable, à mi chemin entre l'état � fakir � (goutte poséesur le sommet des structures) et l'état empalé15. Une modélisa-tion de l'interface goutte/surface a permis de rendre compte de cetétat. Elle a conduit à proposer les conditions qui permettent à unesurface de supporter des gouttes arbitrairement petites sans quecelles-ci ne transitent vers un état empalé.

7.9 Évaporation de gouttelettes mouillantes

7.9.1 Évaporation

Le groupe d'A.-M. Cazabat s'est intéressé à l'évaporation de gouttes posées sur un substrat en situation demouillage total. La di�culté théorique est la double divergence à la ligne de contact des contraintes visqueusesd'une part (ligne de contact mobile) et du taux d'évaporation d'autre part. Un premier stade s'est achevé16

�n 2005 avec la thèse de C. Poulard au Collège de France, et le modèle théorique proposé par M. Ben Amaret A. Boudaoud17. A�ner la description a demandé beaucoup d'e�orts (thèse de G. Guéna) mais a permisd'apporter des arguments quantitatifs décisifs et de dé�nir très précisément les limites de validité des di�érenteshypothèses18. Une collaboration avec C.Ruyer-Quil (FAST, ANR DYNINSTAMOBI) permettra de passer austade numérique.

7.9.2 Instabilités de la ligne de contact en situation de recul

Les instabilités d'une ligne de contact avançant sur un substrat en situation de mouillage total sont souventdues à des gradients de tension de surface, thermiques ou solutaux. Même si les modèles actuellement disponiblesne sont pas complets, notamment dans le cas de gradients solutaux, le processus est assez bien compris. Lasituation est beaucoup moins claire en situation de recul. Des instabilités d'origine thermique, observées lors del'évaporation de gouttes d'eau ou d'heptane, ne sont encore que très partiellement expliquées. A.-M. Cazabatet ses collaborateurs ont abordé le cas solutal, mais seulement qualitativement19.

14D. Bartolo, F. Bouamrirene, E. Verneuil, A. Buguin, P. Silberzan et S. Moulinet, Europhysics Letters, 74 299�305(2006).

15S. Moulinet et D. Bartolo, European Physical Journal E, 24 251�260 (2007).16C. Poulard, G. Guéna et A.-M. Cazabat, Journal of Physics : Condensed Matter, 17 S4213�S4227 (2005).17C. Poulard, G. Guéna, A.-M. Cazabat, A. Boudaoud et M. Ben Amar, Langmuir, 21 8226�8233 (2005).18G. Guéna, C. Poulard et A.-M. Cazabat, Colloid Journal, 69 1�8 (2007).19G. Guéna, C. Poulard et A.-M. Cazabat, Colloid and Surfaces A, 298 2�11 (2007).

7.10. ÉTALEMENT DE CRISTAUX LIQUIDES 43

7.10 Étalement de cristaux liquides

7.10.1 Mouillage et interfaces

L'étalement spontané de gouttelettes nématiques sur wafers de silicium fait apparaître une dynamique trèsanormale20,21 qui ne semble pas se résumer à une simple anisotropie de la dissipation visqueuse dans ces milieux(collaboration d'A.-M. Cazabat avec G. Oshanin, M. Rauscher et S. Dietrich). Des interrogations sur la structurede l'interface au voisinage de la ligne de contact les ont amené à étudier le comportement de �lms nématiquessur substrat liquide22. Les faibles épaisseurs mises en jeu dans ces milieux con�nés conduisent à des descriptionsnon triviales.

Fig. 7.4: Étalement d'une goutte de nématique sur wafer de silicium.

7.10.2 Instabilités de la ligne de contact

Comme le montre la �gure, des instabilités assez complexes apparaissent à la ligne de contact lors del'étalement de cristaux liquides nématiques sur substrats solides. Un modèle, développé il y a quelques annéespar M. Ben Amar et L. Cummings, donne des arguments pour l'analyse de l'instabilité de courte longueur d'ondesur substrat homogène. Une étude plus récente20 montre que ces instabilités ne se développent qu'en présence dedéfauts d'ancrage (dus à l'inhomogénéité du substrat) et a relancé par conséquent l'analyse théorique. Elle estégalement à l'origine de l'étude sur substrat liquide, qui permet de s'a�ranchir de ces défauts. Nous constateronsdans la rubrique � Projets � que d'autres types d'instabilités, interfaciales cette fois, sont alors observées.

20C. Poulard et A.-M. Cazabat, Langmuir, 21 6270�6276 (2005).21C. Poulard, M. Voué, J. Coninck et A.-M. Cazabat, Colloid and Surfaces A, 282-283 240�246 (2006).22U. Delabre, C. Richard, G. Guéna, J. Meunier et A.-M. Cazabat, Langmuir, 24 3998�4006 (2008).

Chapitre 8

Biophysique moléculaire

8.1 La théorie JKR appliquée aux cellules vivantes

La théorie JKR décrit des adhésions fortes entre surfaces molles déformables. On sait peu de choses sur lavalidité de cette théorie sur les systèmes complexes tels que les cellules vivantes. F. Pincet a abordé ce problèmeen forçant une adhérence cellulaire contrôlée par des forces de déplétion. En mesurant la force nécessaire pourséparer les cellules avec une nouvelle technique de micropipettes, il a montré que le cytosquelette peut fournirà certaines cellules une structure tridimensionnelle su�samment élastique tout en assurant une déformabilitéassez faible pour que la théorie JKR soit valable. En revanche, lorsque le cytosquelette est perturbé, la théorieJKR n'est plus applicable.

8.2 La résistance d'un lien moléculaire : une histoire de temps

Les liaisons entre molécules biologiques, notamment les plus fragiles d'entre elles, gouvernent nombre dephénomènes biologiques. De nombreuses équipes cherchent à évaluer la solidité de ces liaisons par les nouvellestechniques permettant l'étude de la molécule individuelle. Il est apparu une controverse entre chercheurs qui,pour la même liaison, obtenaient des solidités di�érant d'un facteur mille. F. Pincet et son doctorant ont résolucette controverse1 en démontrant que lorsqu'un lien se fait, il n'atteint pas tout de suite sa pleine solidité car lesmolécules mettent un certain temps pour trouver la position et la conformation optimales2. La liaison n'atteintson état le plus solide qu'après plusieurs transitions entre di�érents états métastables de celle-ci, en un tempspouvant atteindre plusieurs secondes.

8.3 Fonctionnement de protéines échafaudages

Les cellules doivent répondre correctement à chaque stimulus qu'elles reçoivent. L'un des moyens utilisérepose sur des � protéines échafaudages � qui participent au décodage de l'information en permettant l'activationen série d'une cascade de molécules. Dans la description habituelle de ce processus, les protéines échafaudagessont considérées comme des réacteurs chimiques sur lesquels les molécules impliquées dans le transfert dessignaux viennent se �xer simultanément avec l'orientation qui leur permet de se rencontrer et d'interagir. Aveccette description, la multiplicité des voies de signalisation nécessaire au fonctionnement des cellules impliqueune très grande complexité et une grande rigidité des mécanismes en jeu. En e�et, la modi�cation d'une despièces du puzzle nécessiterait de changer toutes les autres pièces pour que le système demeure fonctionnel. Cettecomplexité et cette rigidité semblent en contradiction avec l'idée même d'évolution des protéines échafaudages.F. Pincet a proposé3 une explication du fonctionnement des protéines échafaudage beaucoup plus simple queles modèles actuels en rassemblant les nombreuses données quantitatives obtenues sur la levure SaccharomycesCerevisiae. La protéine échafaudage ne se lie en fait qu'à une seule molécule à la fois. C'est alors en se �xantà la paroi de la cellule que la protéine échafaudage provoque une augmentation locale et spéci�que des autresmolécules impliquées dans la transmission de l'information. Le mécanisme par lequel les protéines échafaudagesdirigent la spéci�cité de la réponse cellulaire est donc très souple et a permis de modi�er sans di�culté lastructure de ces protéines au cours de l'évolution.

1F. Pincet et J. Husson, Biophysical Journal, 89 4374�4381 (2005).2Y. Chu, S. Dufour, J. Thiery, É. Perez et F. Pincet, Physical Review Letters, 94 028102 (2005).3F. Pincet, PLoS ONE, 10 e977 (2007).

45

46 CHAPITRE 8. BIOPHYSIQUE MOLÉCULAIRE

8.4 Fusion membranaire induite par les protéines SNARE et quelquespropriétés étonnantes de lipides

Il est communément admis que le caractère amphiphile des membranes est toujours préservé. F. Pincet etses collaborateurs ont observé4 que deux couches de lipides, pouvant former des liaisons hydrogène, peuventspontanément et d'une manière réversible perdre leur caractère amphiphile et se transformer en complexe huileux(collaboration avec M. Ben Amar). Cette observation, faite sur plusieurs types de lipides, apporte une nouvellecompréhension de la réorganisation des lipides pendant la fusion membranaire en ce que des complexes similairespeuvent combler les espaces vides, entre les feuillets hydrophobes, résultant des modèles théoriques en vigueur.

Les membranes biologiques sont naturellement stables et ne fusionnent pas facilement car de l'énergie estnécessaire pour rapprocher les membranes, les courber et nucléer un pore de fusion. Dans les cellules, lesprocessus de fusion sont créés par des protéines spécialisées, les SNARE, impliquées dans le tra�c intracellulaire,dont l'exemple type est la fusion des vésicules de neurotransmetteur au niveau de la synapse. Un constituantcellulaire destiné à aller dans le compartiment cellulaire voisin est incorporé dans une vésicule qui porte desSNARE-v à sa surface. Cette vésicule va migrer vers la membrane du compartiment cible qui porte les protéinescomplémentaires, les SNARE-t, et va fusionner avec, délivrant ainsi son contenu dans le compartiment cible.La fusion membranaire a lieu lors de l'assemblage des SNARE mais le mécanisme d'action n'est pas connu.Par des mesures au SFA, qui donnent le pro�l force/distance entre deux surfaces, ils ont pu mesurer la portéedes interactions et l'énergie d'assemblage des SNARE complémentaires, et obtenir des informations sur leschangements de conformation lors de l'assemblage5.

8.5 Dynamique de l'adhésion de cellules exprimant les cadhérines E

En utilisant la technique de micropipette qu'ils ont récemment mise au point (voir la section 8.1), F. Pincet,É. Perez et leurs collaborateurs ont quanti�é la force de séparation de deux cellules adhérant via des cadhérines E.La force de séparation augmente avec la durée de contact et avec le nombre de cadhérines exprimées en surface.La perturbation de la polymérisation de l'actine n'a pas d'incidence sur l'initiation de l'adhérence, mais empêcheson développement ultérieur. Rac et Cdc42, de petites GTPases qui contrôlent l'organisation du cytosqueletted'actine, sont activées lorsque les cellules exprimant des cadhérines forment des agrégats en suspension. Lasurproduction de la forme dominante de Rac ou Cdc42 empêche l'adhérence cellulaire alors que la forme inactivede Rac ou Cdc42 n'empêche pas l'initiation de l'adhérence, mais bloque son développement. En revanche, Rhon'a eu aucun e�et sur la médiation de l'adhérence due aux cadhérine. Les conclusions de cette équipe soulignentle rôle crucial joué par Rac, Cdc42 et l'intégrité du cytosquelette d'actine et la dynamique dans le développementet la régulation des cellules forte adhésions, dé�nie en termes de forces mécaniques6,7,8.

8.6 La reconnaissance sucre/sucre : une interaction qui produit del'adhésion cellulaire.

Au cours de la dernière décénnie, la reconnaissance sucre/sucre a émergé comme un nouveau type d'interac-tion intervenant dans l'adhésion cellulaire. Le Lewisx est un sucre fortement exprimé à la surface des cellules lorsdes premiers stades de l'embryogénèse, et dont le rôle semble crucial dans le bon developpement de l'embryon.C. Gourier, F. Pincet et É. Perez ont démontré et quanti�é par des mesures d'énergie d'adhésion de vésiculeslipidiques fonctionnalisées avec ce sucre l'existence d'une interaction homotypique et calcium dépendante duLewisx. En utilisant comme sucre témoin le Lewisa, stéréoisomère du Lewisx, également présent à la surface descellules, ils ont mis en évidence la très haute spéci�cité de l'interaction Lewisx-Lewisx. En e�et, deux vesiculesportant le Lewisx adhèrent beaucoup plus fortement que si une vésicule porte le Lewisx et l'autre le Lewisa. Ilsont également mis en évidence le rôle fondamental joué par l'orientation du Lewisx a la surface de la membrane.

4F. Pincet, D. Tareste, M. Ben Amar et É. Perez, Physical Review Letters, 95 218101 (2005).5F. Li, F. Pincet, É. Perez, W. Eng, T. Melia, J. Rothman et D. Tareste, Nature Structural & Molecular Biology, 14

890�896 (2007).6Y. Chu, W. Thomas, O. Eder, F. Pincet, É. Perez, J. Thiery et S. Dufour, Journal of Cell Biology, 167 1183�1194

(2004).7Y. Chu, O. Eder, W. Thomas, I. Simcha, F. Pincet, A. Ben-Ze'ev, É. Perez, J. Thiery et S. Dufour, Journal of

Biological Chemistry, 281 2901�2910 (2006).8C. Martinez-Rico, F. Pincet, É. Perez, J. Thiery,K. Shimizu, Y. Takai et S. Dufour, Journal of Biological Chemistry,

280 4753�4760 (2005).

8.6. L'ANCRAGE PROTÉIQUE 47

Un Lewisx libre de son orientation produit beaucoup moins d'adhésion que le Lewisx naturel, dont l'orientationest imposée par la présence de chaînes céramides9.

8.7 L'ancrage protéique : un outil de fonctionnalisation de cellulessans modi�cation du patrimoine génétique

L'expression de protéines à la membrane des cellules permet de modi�er leur état de surface, pour manipulerleurs fonctions de signalisation, de liaison, de reconnaissance ou de stimulation. Pour moduler l'expression desprotéines membranaires, la statégie couramment utilisée est la transfection. Une voie alternative, proposée parune equipe de biologistes de Saclay, consiste à introduire de nouvelles protéines à la membrane cellulaire via unancrage protéique transmembranaire. En collaboration avec cette équipe, C. Gourier a montré qu'une protéineligand liée par une telle ancre à la surface de cellules pouvait non seulement demeurer active mais aussi créerdes liens avec des cellules exprimant son récepteur. La mise en évidence de la création de liens intercellulairesrésultant de cet ancrage a été faite par mesure de force de séparation de cellules micromanipulées. Cette étude amontré que l'ancrage protéique de molécules d'intérêt constitue un moyen e�cace de contrôler l'état de surfacescellulaires, donc leurs interactions, et ceci sans modi�cation de leur patrimoine génétique10.

8.8 Interaction Gamétique

Fig. 8.1: Mesures d'adhésion entre un spermatozoïde etun ovocyte

La phase décisive de la fécondation a lieu lorsque le spermatozoïdeentre en contact avec la membrane plasmique de l'ovocyte. Les deuxgamètes adhèrent puis leurs membranes fusionnent. L'adhésion et lafusion font intervenir un jeu complexe d'interactions entre molécules.En collaboration avec une équipe de médecins et biologistes spécia-listes de biologie de la reproduction à l'Institut Cochin, C. Gourierétudie les mécanismes d'adhésion et de fusion gamétique en couplantdes approches biologiques telles que la mutagenèse ou l'inhibitionpar des anticorps à des mesures physiques quantitatives d'interac-tions entre les gamètes par des techniques de micromanipulation.Avec un Biomembrane Force Probe (BFP) adapté à des mesures deforces entre des cellules aussi di�érentes qu'un spermatozoïde et unovocyte, ils ont notamment révélé la présence à la surface de l'ovocyte de deux types de domaines membranairesaux propriétés adhésives et mécaniques très di�érentes. Si on tente de séparer deux gamètes adhérant via lepremier type de domaines, la membrane de l'ovocyte se déforme élastiquement sous traction. Pour des adhésionsentre gamètes prosuites sur le second type de domaines, on observe une transition d'un régime élastique versun régime viscoélastique suivie de l'extrusion de �laments de la membrane ovocytaire11.

8.9 Interactions des couches S

De nombreuses bactéries courantes ont à leur surface une monocouche de protéines cristallisée bidimension-nellement à l'échelle nanométrique. Par leurs propriétés d'auto-organisation, ces protéines, de taille nanomé-trique, peuvent former une grande variété de structures supramoléculaires telles que cylindres ou sphères, et ontun potentiel pour la nanofabrication avec des applications allant des biotechnologies à l'optique non-linéaire.Dans le cadre d'un réseau européen en collaboration avec l'Université de Vienne, É. Perez a étudié leur inter-action avec une machine à force entre surfaces en les formant sur le mica. L'interaction est purement répulsiveavec un régime exponentiel suivi d'une répulsion abrupte où le coeur de la protéine est comprimé. Les résultatsobtenus montrent un bon accord avec la taille de la protéine et donnent le module d'élasticité de cette pro-téine. Ils établissent l'interêt de cette technique pour l'interaction de ces couches utilisées dans des applicationsbiotechnologiques12.

9C. Gourier, F. Pincet, É. Perez, Y. Zhang, Z. Zhu, J. Mallet et P. Sinay, Angewandte Chemie-International Edition,44 1683�1687 (2005).

10A. Périer, C. Gourier, S. Pichard, J. Husson, E. Lajeunesse, A. Babon, A. Menez et D. Gillet, FEBS Letters, 5815480�5484 (2007).

11A. Jegou, F. Pincet, É. Perez, J.-P. Wolf, A. Ziyyat et C. Gourier, Langmuir, 24 1451�1458 (2008).12A. Martin-Molina, S. Moreno-Flores, É. Perez, D. Pum, U. Sleytr et J. Toca-Herrera, Biophysical Journal, 90

1821�1829 (2006).


8.10 Compressibilité des protéines

Fig. 8.2: Structure de la β-lactoglobuline

Les mesures des variations de la densité et de la vitesse ultrasonoredans une solution de protéines fournissent des informations sur la va-riation de leur �exibilité. W. Urbach et ses collaborateurs mesurent ceschangements induits par la liaison de tensioactifs pour deux vecteursde médicaments, l'albumine et la β-lactoglobuline (Fig. 8.2). Ces ten-sioactifs constituent de bons � modèles � pour tester la liaison sur cesprotéines de petites molécules de médicaments couramment utilisées,comme les anti-in�ammatoires non-stéroïdiens13.

8.11 Nouvelle méthode pour la caractérisation des interactions entreles protéines insérées dans les bicouches

Fig. 8.3: Schéma de principe d'une pompe à e�ux

W. Urbach et ses collaborateurs ont incorporé des protéines dansdes bicouches modèles et mesuré leur coe�cient de di�usion. Sa va-riation leur permet de préciser le mode d'interaction entre deux pro-téines (dans une même bicouche ou dans des bicouches voisines), ladistance à partir de laquelle l'interaction existe, l'estimation de sonénergie ainsi que la stoechiométrie. La méthode mise au point fournitdes informations supplémentaires par rapport à des méthodes plussouvent utilisées comme le Biacore. Contrairement au précédent, elles'applique aussi aux protéines membranaires. Cette méthode nou-velle a été calibrée par l'étude de l'interaction parfaitement connueentre la streptavidine et des peptides transmembranaires biotinylés.Ils ont aussi étudié l'interaction entre deux protéines, MexA et OprM,constitutives d'une pompe à e�ux fonctionnant dans la PseudomonasAeruginosa, bactérie responsable de plus de 30% des infections noso-comiales (Fig.3). Leurs résultats montrent qu'une interaction entreces protéines, situées dans des bicouches opposées, apparaît lorsquela distance entre ces dernières est égale à la séparation entre deuxmembranes in vivo. Ils ont également déterminé la variation avec lepH du nombre de MexA accrochées à OprM. Ces résultats sont enaccord avec des données cristallographiques. (Article soumis, 2008).

8.12 Vésicules inhomogènes

M. Ben Amar considère des vésicules lamellaires géantes (GUV) (deux couches de lipides) possédant une ouplusieurs inhomogénéités spatiales qui peuvent faire penser à des � rafts � ou radeaux lipidiques. Ces agrégatspeuvent atteindre plusieurs microns et sont visibles au microscope par des techniques de �uorescence. Ce n'estpas le cas dans nos cellules : ils sont instables, leur taille ne dépasse pas 10 nanomètres. M. Ben Amar etses collaborateurs ont analysé ces structures dans ces systèmes modèles (GUV) et ont examiné deux typesd'instabilités suite à deux catégories d'expériences : l'éjection de rafts par les protéines dites phospholipases A2et par les chocs osmotiques et une instabilité de succion du cholesterol localisé dans les rafts lipidiques.

L'addition d'une quantité très faible de protéines permet l'expulsion d'un ou deux rafts d'une vésicule. AvecJ.-M. Allain, M. Ben Amar a proposé un modèle pour interpréter l'action de ces protéines en terme de défautsconiques se �xant partout sur la membrane mais de manière di�érente sur la phase raft et non raft. Ils ontpu montrer la possibilité d'une instabilité de la vésicule inhomogène à partir d'un seuil en concentration deprotéines dépendant des propriétés élastiques de la membrane et de propriétés physico-chimiques d'adhésiondes protéines14. Dans le cas des membranes très tendues ils peuvent expliquer complètement et analytiquementpar un modèle non-linéaire le pincement de la phase raft avec son éjection. Il s'agit d'un modèle de type capillaireentraînant une bifurcation de formes avec changement de topologie qui s'apparente à l'instabilité de la caténoide.L'e�et des protéines est d'augmenter la tension de ligne, ce qui, au-delà d'un seuil qu'ils ont calculé conduit àl'éjection du raft.

13N. El Kadi, N. Taulier, J. Le Huerou,M. Gindre,W. Urbach, I. Nwigwe, P. Kahn etM. Waks, Biophysical Journal,91 3397�3404 (2006).

14J.-M. Allain et M. Ben Amar, European Physical Journal E, 20 409�420 (2006).

8.13. TUBES DE MEMBRANES INHOMOGÈNES 49

Une autre façon d'attaquer la phase raft est de la pomper par des lipo-protéines du sang par exemple(expérience de M. Angelova, professeur Paris VI, INSERM). Sur les vésicules lamellaires géantes le raft ainsiattaqué voit son contour, au départ bien circulaire, se déstabiliser au pro�t d'une ondulation persistante. Ceciest en faveur d'une instabilité de Stokes inversée avec succion et corrobore une hypothèse de type �uide visqueuxnon miscible. M. Ben Amar et ses collaborateurs ont déduit un seuil pour la vitesse de succion, en deçà duquella disparition du raft s'e�ectue de manière isotrope et, au delà, des instabiltés apparaissent. En outre, cetteinstabilité permet de déduire une valeur correcte de la viscosité du raft15.

8.13 Tubes de membranes inhomogènes

Pour les tubes de membranes, M. Ben Amar et ses collaborateurs ont montré que la di�érence des coe�cientsélastiques entre phase entrainait à ces échelles la fragilité de la jonction, provoquant la rupture du tube par unphénomène de nucléation, ce qui explique les temps de �ssion (en accord avec expériences de P. Bassereau)16.Par ailleurs, ils ont établi l'existence de tubes de membrane périodiques qui ont été observés à Cornell17.

8.14 Boucles dans l'ADN

N. Douarche et S. Cocco se sont intéressés à la modélisation de la formation des boucles dans la moléculed'ADN. La formation des boucles est un mécanisme très important pour l'organisation structurale et fonction-nelle (régulation de la transcription) de l'ADN. Un article de revue18 sur les études expérimentales et théoriquesde la formation des boucles dans l'ADN a été écrit en collaboration avec J.-F. Allemand et G. Lia égalementdu LPS.

8.15 Dégra�age de l'ADN

S. Cocco a récemment travaillé sur deux problèmes inverses liés à l'analyse des données d'expériences debiophysique/biologie. En collaboration avec V. Baldazzi, S. Bradde, E. Marinari et R. Monasson, elle a étudiécomment on pouvait essayer de reconstruire la séquence d'une molécule d'ADN à partir des expériences dedégra�age d'une molécule unique19,20. D'un point de vue formel, il s'agit du problème inverse de la marchealéatoire dans un paysage d'énergie libre désordonné (dit aussi problème de Sinai), c'est-à-dire de reconstruirece paysage à partir d'un certain nombre de marches aléatoires réalisées dans le paysage21.

8.16 Moteurs moléculaires et ségrégation des chromosomes

Lors de la division cellulaire de cellules bactériennes un moteur moléculaire, nommé FtsK dans la bactérieE. coli, est présent pour déplacer l'ADN qui pourrait être piégé dans le mauvais compartiment cellulaire lors dela fermeture des membranes cellulaires. J.-F. Allemand et ses collaborateurs F.-X. Barre du CGM de Gif surYvette et O. Saleh ont pu caractériser pour la première fois le comportement mécanique de ce type de moteursen utilisant la technique de micromanipulations développée au laboratoire. Avec un vitesse de 2µm/s, une forced'arrêt supérieure à 50 pN et une processivité de dix mille paires de bases, ce moteur est le plus puissant desmoteurs se déplaçant sur l'ADN22. Par ailleurs, en utilisant le fait que lorsqu'il est soumis à une contraintede torsion l'ADN soumis à une faible traction se raccourcit, ils ont pu mesurer le taux de rotation du moteurautour de l'ADN. Avec un taux de rotation de 1 tour pour un déplacement de 150 paires de bases, ce moteur estatypique parmi tous les moteurs moléculaires étudiés. Les chercheurs ont proposé un modèle expliquant cettevaleur, qui est l'opposée de la torsion présente naturellement dans le génôme bactérien, par une évolution desa structure de manière à limiter la contrainte de torsion dans le chromosome lors de l'activité du moteur23.En�n, une question posée depuis longtemps sur ce moteur est de connaître l'origine de la bonne l'orientation

15M. Ben Amar, J.-M. Allain, N. Puff et M. Angelova, Physical Review Letters, 99 044503 (2007).16J.-M. Allain, C. Storm, A. Roux, M. Ben Amar et J.-F. Joanny, Physical Review Letters, 93 158104 (2004).17F. Campelo, J.-M. Allain et M. Ben Amar, Europhysics Letters, 77 38006 (2007).18J.-F. Allemand, S. Cocco, N. Douarche et G. Lia, European Physical Journal E, 19 293�302 (2006).19V. Baldazzi, S. Bradde, S. Cocco, E. Marinari et R. Monasson, Physical Review E, 75 011904 (2007).20V. Baldazzi, S. Cocco, E. Marinari et R. Monasson, Physical Review Letters, 96 128102 (2006).21S. Cocco et R. Monasson, Europhysics Letters, 81 20002 (2008).22O. A. Saleh,C. Perals, F.-X. Barre et J.-F. Allemand, European Molecular Biology Organisation Journal, 23 2430�2439

(2004).23O. Saleh, S. Bigot, F.-X. Barre et J.-F. Allemand, Nature Structural & Molecular Biology, 12 436�440 (2005).


du moteur lors de son fonctionnement. En e�et il doit pomper l'ADN pour l'amener dans la bonne cellule �lle,sinon la fermeture de la membrane entraine une coupure létale du chromosome. Ils ont pu montrer que cela sefait par un accrochage asymétrique du moteur sur une séquence régulièrement répartie sur le génome24,25.

8.17 Les enzymes impliquées dans la réplication de l'ADN

8.17.1 Le réplisome

Fig. 8.4: Le réplisome correspond à l'ensemble des en-zymes impliquées dans la fourche de réplication d'une mo-lécule d'ADN, pour recopier le message génétique. Unehélicase ouvre la double hélice tandis que les ADN poly-mérase recopie chacun des brins. Le résultat est le passaged'une molécule à deux molécules identiques. La plupart deces enzymes sont des moteur moléculaire se déplaçant surl'ADN. Lors de cette action l'ADN se retrouve entortillé etemmêlé, les topoisomérases (non représentées) se chargentde dénouer l'ensemble

Depuis plusieurs années V. Croquette et D. Bensimon ont en-trepris la caractérisation des hélicases en utilisant les pinces magné-tiques qu'ils ont développées dans leur équipe. Ils ont commencé parl'étude26 d'une hélicase simple UVrD impliquée dans la réparationde l'ADN, et ils s'intéressent maintenant à une hélicase plus com-plexe impliquée dans la réplication du virus T4. Il s'agit de gp41 quiavec sept autres enzymes forme l'un des réplisomes les plus simple.Cette étude est faite en collaboration avec l'équipe du professeurS. Benkovic à l'université de Penn State avec qui ils avons obtenu un�nancement de HFSP(2007).

Ces chercheurs ont mis au point di�érentes con�gurations expéri-mentales permettant de suivre l'action d'une hélicase en temps réel.La comparaison quantitative de ces méthodes a fait l'objet d'une pu-blication dans Nucleic Acid Research27 avec, entre autres, J.-F. Alle-mand. Pour ces études ils ont réalisé des substrats d'ADN qui modé-lisent 1) un cassure simple brin sur un ADN double brin, 2) unefourche de réplication minimale réalisée avec un ADN simple brinpalindromique, 3) un ADN double brin en forme de croix ou jonc-tion de Holiday. La caractérisation �ne de ces substrats a permis defaire des mesures inédites. Ainsi ils ont pu déterminer le pas hélicalde l'ADN avec une grande précision28. Ils ont également découvertque, de façon surprenante, l'ADN s'allonge quand on le tord29.

Leurs mesures sur le réplisome ont commencé par l'étude de l'hélicase seule ; depuis peu ils y associent laprimase.

8.17.2 Suivi de l'hélicase gp41 en temps réel

Cette hélicase réplicative est un hexamère qui forme un anneau autour d'un brin de l'ADN en se déplaçantle long de celui-ci. Lors de ce déplacement, le second brin est séparé du brin complémentaire. Le substratutilisé dans cette expérience est constitué d'une molécule simple brin accrochée à une extrémité à une plaquede verre tandis que l'autre est �xée à une bille magnétique. Cette molécule possède une séquence partiellementpalindromique qui la conduit à se replier sur elle-même formant localement un double brin. La force appliquée àla bille peut séparer les deux brins seulement lorsqu'elle est supérieure à ∼15 pN. Pour les forces plus petites, lamolécule reste fermée sauf quand une hélicase s'y accroche. Lorsque l'hélicase progresse elle sépare les bases l'uneaprès l'autre provoquant un allongement d'environ un nanomètre par base ouverte. D. Bensimon, V. Croquetteet leurs collaborateurs suivent en temps réel la longueur totale de la molécule avec une précision de quelquesnanomètres.

Ils observent une forte acivité de gp41 qui sépare les deux brins de la double hélice avec une vitesse assezrégulière Vu. Une fois que la molécule est complètement ouverte, deux type d'événements peuvent se produire :soit gp41 se détache, provoquant une réhybridation rapide de la molécule (Fig. 8.5-1), soit gp41 continue saprogression sur le simple brin ; l'épingle à cheveux se reforme alors, mais sa progression se trouve alors bloquéepar gp41 qui avance avec une vitesse moins grande Vz (Fig. 8.5-2). Ces chercheurs observent que Vu varie

24S. Bigot, O. Saleh, F. Cornet, J.-F. Allemand et F.-X. Barre, Nature Structural & Molecular Biology, 13 1026�1028(2006).

25S. Bigot, O. A. Saleh, C. Lesterlin, C. Pages, M. El Karoui, C. Dennis, M. Grigoriev, J.-F. Allemand, F.-X. Barre et F. Cornet, European Molecular Biology Organisation Journal, 24 3770�3780 (2005).

26M.-N. Dessinges, T. Lionnet, X. G. Xi,D. Bensimon et V. Croquette, Proceedings of the National Academy of Sciences,101 6439�44 (2004).

27T. Lionnet, A. Dawid, S. Bigot, F.-X. Barre, O. A. Saleh, F. Heslot, J.-F. Allemand, D. Bensimon et V. Cro-quette, Nucleic Acids Research, 34 4232�4244 (2006).

28A. Dawid, F. Guillemot, C. Breme, V. Croquette et F. Heslot, Physical Review Letters, 96 188102 (2006).29T. Lionnet, S. Joubaud, R. Lavery, D. Bensimon et V. Croquette, Physical Review Letters, 96 178102 (2006).

8.17. LES ENZYMES IMPLIQUÉES DANS LA RÉPLICATION DE L'ADN 51

Fig. 8.5: Signaux expérimentaux montrant la progression de gp41 sur la molécule d'ADN simple brin. Lorsque gp41 rencontrela partie double brin de la molécule, elle joue son rôle d'hélicase en les séparant ce qui produit un allongement de la molécule.Après avoir complètement ouvert l'épingle à cheveux, gp41 continue sa progression sur le simple brin, la boucle à cheveux se formeaprès son passage mais cette fois cogne gp41 qui ralentit la reformation de l'ADN double brin ce que l'on mesure à travers leraccourcissement de la molécule. Cette expérience permet de mesurer la vitesse de l'hélicase au travail mais aussi la vitesse detransit sur le simple brin

exponentiellement avec la force appliquée sur la molécule tandis que Vz n'en dépend pas. L'interprétation dece résultat est que Vz correspond à la vitesse à vide de déplacement de gp41 sur le simple brin, tandis que Vu

correspond à la vitesse de séparation des brins impliquant un travail mécanique de l'enzyme. Leurs résultatscorrespondent à Vu = Vz exp[−(Fc − F )δz/kBT ], ce qui s'interprète par un mécanisme passif de déplacementde l'hélicase. Celle-ci attend qu'une �uctuation ouvre la double hélice pour se précipiter dans la brèche. Ainsi,plus la force exercée sur la molécule s'approche de la force critique Fc où l'épingle à cheveux s'ouvre toute seule,plus la vitesse de l'hélicase augmente30.

8.17.3 Topoisomérases

Ca=-0.75

Topo 2 /Topo 4

Ca= 0.25

∆z

Fig. 8.6: Principe de la mesure de l'angle préférentiel decroisement des molécules d'ADN par la topoisomérase IV.Une bille est attachée par deux molécules d'ADN à la sur-face de verre. En faisant tourner la bille, on peut croiserles deux molécules avec un angle α, ce qui induit un rac-courcissement du système. Dans son action, la topoisomé-rase IV supprime ce croisement, provoquant un allonge-ment brusque de la molécule. En comparant l'e�cacité dece processus pour les angles positifs et négatifs on peutmesurer quantitativement l'activité enzymatique à α et−α. En choisissant di�érentes billes, on peut faire varierla distance entre les deux molécules et ainsi α

V. Croquette et D. Bensimon ont utilisé leur système de pincemagnétique (qui permet d'appliquer très facilement une contraintede surenroulement à la molécule d'ADN) pour mieux comprendre lemécanisme d'action des topoisomérases qui modi�ent le degré de sur-enroulement de l'ADN. Après avoir caractérisé les topoisomérases IIet Ia, ils se sont intéressés à la topoisomérase Ib qui est la cible d'uncertain nombre de traitements anti-cancéreux. Ce travail commencépar N. Dekker en postdoc dans leur groupe s'est poursuivi à Delft oùelle est maintenant assitant-professeur.

Ils ont montré que la topoisomérase Ib relaxe le surenroulement encréant une cassure simple brin temporaire tout en freinant la rotationde la molécule lors de la relaxation. De plus, le nombre de toursrelaxés par la topoisomérase Ib est proportionnel au couple appliqué.Ces résultats ont donné lieu à une publication dans Nature31.

La même équipe s'est également intéressée à la topoisomérase IV,qui a la propriété de relaxer di�éremment l'ADN surenroulé positi-vement et négativement, et a entrepris une série d'expériences a�nd'essayer de comprendre le mécanisme moléculaire à l'origine de cettedissymétrie.

Ils ont mis en évidence plusieurs propriétés de la topoisomérase IVexpliquant partiellement cette dissymétrie. Tout d'abord, cette en-zyme possède, en absence d'ATP, une a�nité d'accrochage di�érentepour l'ADN surenroulé positivement et négativement32. Puis, ils ontfait des expériences dans lesquelles ils font varier l'angle de croise-

30T. Lionnet,M. Spiering, S. Benkovic, D. Bensimon et V. Croquette, Proceedings of the National Academy of Sciencesof the United States of America, 104 19790�19795 (2007).

31D. Koster, V. Croquette, C. Dekker, S. Shuman et N. Dekker, Nature, 434 671�674 (2005).32G. Charvin, T. Strick, D. Bensimon et V. Croquette, Biophysical Journal, 89 384�392 (2005).


ment des deux molécules d'ADN double brin dé�nissant le substrat de l'enzyme33,34. Ils ont utilisé un dispositifoù deux molécules d'ADN sont attachées à une même bille, l'angle de croisement de l'ADN varie avec la dis-tance moyenne séparant les deux molécules. En tournant la bille dans un sens ou dans l'autre, D. Bensimon,V. Croquette et leurs collaborateurs peuvent ainsi comparer l'activité de la topoisomérase IV pour un anglepositif ou négatif. Ils ont ainsi pu mesurer une préférence de la topoisomérase IV pour un angle de croisement de86 degrés. Cette dissymétrie est en fait assez faible et ne permet pas à elle seule de comprendre celle de l'enzyme.K. Neuman a pu montrer qu'il fallait y associer une di�érence de processivité pour expliquer la dissymétrie defonctionnement de l'enzyme.

8.18 Remodelage de la chromatine

Dans les eucaryotes l'ADN est compacté dans le noyau en s'enroulant sur les histones pour former une struc-ture en � collier de perles � : la chromatine. La compaction di�érentielle de cette structure par des facteurs ditsde � remodelage � de la chromatine permet un contrôle dynamique et de longue portée de l'expression génétique.Celle-ci est d'une manière générale réprimée par la structure compacte de l'ADN dans la chromatine qui pose unproblème au système transcriptionel en empêchant la liaison et la fonction de ses diverses composantes. Ainsi derécentes études montrent que plusieurs complexes protéiques, impliqués dans la régulation de la transcription,fonctionnent en modi�ant les histones ou la structure de la chromatine.

Une variété de ces � facteurs de remodelage � de la chromatine utilise l'hydrolyse de l'ATP pour mobiliserles nucléosomes en altérant le contact ADN-histones. Chaque membre de la famille des enzymes ATP-dépendentqui remodèlent la chromatine, ont une sous-unité ATPase dont l'activité est stimulée par l'ADN. Il existe deuxgrandes familles de facteurs de remodelage ATP-dépendent : la famille des facteurs apparentés au complexeSWI/SNF (RSC dans la levure) et au complexe ISWI. Dans les cellules de mammifères, il y a au moins deuxcomplexes SWI/SNF qui partagent les mêmes composants, mais possèdent di�érentes sous-unités ATPase :BRG1 ou BRM. Bien que possédant une activité de remodelage et d'hydrolyse très similaire, des délétionsfaites dans le gène BRM et BRG1 de la souris ont montré que ces deux protéines ont des rôles di�érents dans ledéveloppement. Ces complexes sont également impliqués dans la régulation de la croissance et de la proliférationcellulaire. Ainsi BRG1 joue un rôle dans la progression du cycle cellulaire et des études faites sur des sourisBRM-/- montrent une augmentation de la prolifération cellulaire . La compréhension du mécanisme d'action deces facteurs de remodelage de la chromatine est donc d'un intérêt évident en cancérologie. Une avancée dans cedomaine devrait permettre non seulement de mieux comprendre le rôle de ces protéines dans le cycle cellulaire,mais aussi de suggérer de nouvelles thérapies pour le traitement du cancer.

V. Croquette et D. Bensimon souhaitent étudier et caractériser ces facteurs de remodelage de la chromatineà l'échelle de la molécule unique. Ils ont déjà mis en évidence des di�érences marquées entre l'activité desfacteurs de la famille SWI/SNF et ISWI sur un ADN nu. Les premiers forment de manière ATP-dépendenteune boucle d'ADN de torsion négative. Les seconds sont capables d'enrouler l'ADN avec une torsion positive defaçon ATP-indépendente et d'accroître cette boucle d'enroulement de façon ATP-dépendente. Ils ont étudié etpublié35 les détails de la dynamique de cette interaction. Cependant le substrat de ces enzymes n'est pas l'ADNnu mais la chromatine et c'est sur ce substrat que se concentrent actuellement leurs études.

8.19 Fidélité de la traduction génétique

Le décodage de l'information génétique, par lequel une séquence d'acide nucléique est traduite en protéines,se fait au moyen d'une machinerie moléculaire des plus complexes, dont la pièce centrale est le ribosome. Pourexpliquer le faible taux d'erreurs de décodage (environ 10−4 par codon) J. J. Hop�eld et J. Ninio avaient proposédans les années 1970 des mécanismes dits d'ampli�cation cinétique (kinetic proofreading) utilisant un couplageénergétique faisant barrage à l'admission furtive de substrats indésirables par des � portes dérobées �. Dans lavariante de Hop�eld le couplage énergétique se fait vers l'avant et l'énergie est essentiellement dépensée dans lecouplage avec les substrats corrects. Dans la variante de Ninio, le couplage se fait vers l'arrière et l'énergie estessentiellement dépensée après la dissociation d'un substrat incorrect. Les données récentes, du fait même qu'ellesdécomposent le schéma réactionnel en un grand nombre d'étapes auxquelles pourraient être associées autant deportes dérobées exigent un sérieux rééxamen des schémas d'ampli�cation cinétique. Une revue de l'ensemble desdonnées génétiques, cinétiques et structurales des 30 dernières années à conduit J. Ninio à proposer un schéma

33G. Charvin, T. Strick, D. Bensimon et V. Croquette, Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure, 34201�219 (2005).

34G. Charvin, A. Vologodskii, D. Bensimon et V. Croquette, Biophysical Journal, 88 4124�4136 (2005).35G. Lia, E. Praly, H. Ferreira, C. Stockdale, Y. Tse-Dinh, D. Dunlap, V. Croquette, D. Bensimon et T. Owen-

Hughes, Molecular Cell, 21 417�425 (2006).

8.20. FLUCTUATIONS DANS LES RÉSEAUX BIOCHIMIQUES 53

cohérent de la �délité ribosomale qui utilise à la fois un couplage énergétique tardif vers l'avant, à la Hop�eld, quipermet de changer l'angle sous lequel le substrat est reconnu, et un couplage énergétique précoce, vers l'arrière,pour fermer les portes dérobées, après la dissociation d'un substrat incorrect. Une idée paradoxale, issue de cetteanalyse est qu'une proportion importante d'erreurs biologiquement pertinentes, serait médiée par deux �xationssuccessives d'ARN de transfert sur le ribosome, chacun parcourant une partie du schéma réactionnel36.

8.20 Fluctuations dans les réseaux biochimiques

Fig. 8.7: Distribution des intensités de �uorescence vertecodée par le chromosome et orange codée par le plasmide

J. Robert et D. Chatenay étudient le fonctionnement des réseauxbiochimiques dans les bactéries Escherichia Coli. Le fonctionnementde ces réseaux biochimiques donne lieu à des variations statistiquesd'un trait phénotypique même dans le cas de populations mono-clonales, dans lesquelles tous les individus ont a priori un contenugénétique identique. En e�et, le caractère stochastique inhérent àl'expression génétique ainsi que le petit nombre de molécules conte-nues dans une bactérie engendrent des �uctuations importantes dequantité, même s'il existe des mécanismes de régulation. Du point devue de l'évolution, les variations statistiques d'un trait phénotypiqueau sein d'une population permettent l'adaptation aux changementsenvironnementaux de manière plus e�cace que les mutations. J. Ro-bert et D. Chatenay étudient de telles variations statistiques de ma-nière quantitative à l'aide de deux exemples : la variation du nombrede copies de plasmide et le basculement du système Bactériophage-Bactérie de l'état lysogénique vers l'état lytique.

i) Le phénotype qu'ils ont choisi est le nombre de copies de plasmide dans les bactéries Escherichia Coli. Unebactérie contient un chromosome d'une longueur d'environ cinq méga paires de bases. Le chromosome contienttoute l'information génétique nécessaire au développement de la bactérie. Les bactéries peuvent égalementinclure un ou plusieurs plasmides. Un plasmide est un fragment d'ADN extrachromosomal, beaucoup plus courtd'un facteur 100 à 1 000 que le chromosome. Le plasmide se duplique de façon autonome dans les bactériesen utilisant les enzymes de l'hôte. Le système plasmide-bactérie est un exemple de symbiose : le plasmideest béné�que pour la bactérie car il code très souvent pour un gène de résistance à un antibiotique. Mais ilcomporte un coût métabolique de maintien dans la bactérie. J. Robert et D. Chatenay déterminent de manièreindirecte le nombre de copies de plasmide en mesurant l'intensité de �uorescence global d'une bactérie. Lalumière de �uorescence provient d'un gène type GFP codé par le plasmide. Le dispositif de mesure est basésur un microscope inversé. La cellule de mesure est un dispositif de canaux micro�uidiques dans lesquels la�uorescence de quelques milliers de bactéries peut être détectée en une heure.

ii) Lors de l'infection de la bactérie E. Coli par le bactériophage Lambda, l'ADN viral est injecté dansl'hôte. Il existe deux états possibles pour le système bactérie-bactériophage : soit l'ADN viral est dupliqué engrand nombre, les capsules virales formées et la cellule détruite (� lyse �), soit l'ADN viral est inséré dans lechromosome de l'hôte (� lysogénie �). Le � choix � entre ces deux développements est aléatoire, mais biaisé parl'état de l'hôte et les conditions environnementales ; l'équipe s'intéresse au réseau de régulation génétique deLambda, constitué de quatre promoteurs, cinq gènes et de trois sites de terminaison de transcription, qui permetce choix exclusif et adapté au contexte biologique. Des couples de gènes codant pour des protéines �uorescentes ysont incorporés a�n d'observer deux à deux l'activité des promoteurs. L'ensemble de cette séquence synthétiqueest incorporée dans le chromosome bactérien par la technique de recombinaison homologue. La dynamique duréseau de décision lyse/lysogénie est suivie de manière quantitative en microscopie de �uorescence.

36J. Ninio, Biochimie, 88 963�992 (2006).

Chapitre 9

Biophysique de l'organisme

9.1 Croissance et morphogenèse

Des di�érences de taux de croissance au sein d'un tissu peuvent engendrer des contraintes mécaniques. C'estla cas par exemple quand une partie du tissu croissant rapidement est comprimée par le reste. L'approche deT. Mora et A. Boudaoud1 est biomimétique et utilise des gels de polyacrylamide dont la rigidité est contrôléepar la concentration. Une fois synthétisés, ils gon�ent par absorption s'ils sont placés dans de l'eau (d'un facteurpouvant aller jusqu'à 1000 !) ; ce gon�ement mime la croissance et est également contrôlable avec la compositionchimique du gel. En construisant des moules, et en assemblant des blocs de gels aux propriétés di�érentes, il estpossible de produire des objets élastiques de géométrie contrôlée et de taux de croissance variable spatialement.Dans une première géométrie, une couronne de gel mou qui gon�e est adjointe à un disque de gel dur qui negon�e pas. Une fois l'ensemble mis dans l'eau, la couronne s'allonge et �ambe. Ce �ambage est très similaire àcelui du bord des feuilles des plantes.

Avec A. Goriely, Professeur à Tucson, M. Ben Amar a mis au point un modèle cohérent de croissance detissus mous dans le cadre de l'élasticité exacte. Cela signi�e une part de formalisme important s'inspirant del'élasticité des gels2,3 mais avec un facteur de croissance qui n'obéit pas à aux lois variationnelles de l'élasticité.Ils ont appliqué ce formalisme aux corps de forme sphéroïde et ont étudié les modes d'instabilité dans le cas d'untenseur de croissance constant mais anisotrope4et d'un tenseur spatialement inhomogène5. Ils ont diagnostiquédes instabilités de courtes longueurs d'ondes pour les coques élastiques �nes croissant suivant un mode dit en�bre mais de bas nombre d'ondes pour les coques épaisses. Ce qui est mis en jeu ici, ce sont les contraintesrésiduelles provoquées par la croissance elle-même et qui existent même en croissance dans le vide.

9.2 Intégration des modalités sensorielles et comportement chez Cae-norhabditis elegans

Fig. 9.1: (a) C. elegans, N2 wild type. (b) Trajectoire d'unC. elegans wild type, 20 ◦C, 2 h

Caenorhabditis elegans est un nématode de 1mm de long utilisédans de nombreux laboratoires comme organisme eucaryote multicel-lulaire modèle. Il est notamment très adapté pour la neurobiologie.En e�et, son système nerveux comporte seulement 302 neurones etla structure de son réseau de neurones est complètement connue.Il est de plus séquencé et bien annoté, transparent, non pathogèneet assez facile à cultiver en laboratoire. Avec J. Ben Arous qui esten thèse, D. Chatenay cherche à comprendre comment le réseau deneurones de C. elegans intègre les informations sur l'état interne del'animal (de satiété par exemple) et celles provenant de l'environne-ment (odeurs, température, présence d'autres animaux), et contrôleen conséquence le mode d'activité de l'animal. En présence de bac-téries (dont il se nourrit), ce ver alterne entre deux phases d'activité,

1T. Mora et A. Boudaoud, European Physical Journal E, 20 119�124 (2006).2M. Ben Amar et A. Goriely, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 53 2284�2319 (2005).3A. Goriely et M. Ben Amar, Biomechanics and Modeling in Mechanobiology, 6 289�296 (2007).4M. Ben Amar et A. Goriely, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 53 2284�2319 (2005).5A. Goriely et M. Ben Amar, Physical Review Letters, 94 198103 (2005).

55

56 CHAPITRE 9. BIOPHYSIQUE DE L'ORGANISME

Fig. 9.2: C. elegans, Marquage caméléon ttx3-D3cpv desneurones AIY

une phase de déplacement rapide avec peu de changement de direc-tions (roaming), et une phase pratiquement statique et avec un grandnombre de réorientations et une vitesse très faible (dwelling). Cetteseconde phase est supprimée en absence de nourriture. Il est capitalpour l'animal de réguler de façon optimale cette alternance en inté-grant les stimuli qu'il reçoit de l'environnement, pour pro�ter d'unmilieu favorable ou pour éviter de rester trop longtemps en milieudéfavorable. Il a donc fallu caractériser quantitativement le compor-tement du ver sauvage dans di�érentes conditions en développantun système de tracking grâce auquel la trajectoire du ver peut êtremesurée pendant plusieurs heures, et en déduire la proportion dutemps passé dans chaque phase d'activité en fonction de di�érentsparamètres environnementaux (température, nourriture) et internes(animaux a�amés, non fécondés). Puis, dans le but de cerner les ré-seaux neuronaux et génétiques contrôlant ce comportement, D. Cha-tenay et J. Ben Arous mesurent actuellement l'activité de mutantsprésentant des mutations spéci�ques de voies de signalisation don-

nées (sérotonine, dopamine, insuline, . . . ) ou dé�cients dans le développement de neurones particuliers. Ainsipar exemple le mutant ttx-3 dé�cient dans le développement de l'interneurone AIY est bloqué dans la phase dedwelling. Il semble donc que le neurone AIY soit important pour déclencher ou maintenir le roaming, et doncpermettre a l'animal de quitter une zone défavorable.

En�n pour étudier plus précisément le rôle de l'interneurone AIY il a mis au point un montage optiquepermettant de mesurer l'activité de ce neurone au cours du déplacement du ver pendant ses deux phasesd'activité. Il a donc construit une souche transgénique qui exprime un marqueur �uorescent d'activité calciquedans le neurone AIY, et commencé à développer un double système de tracking et d'imagerie calcique.

9.3 Contrôle de l'activité de protéines dans une seule cellule du pois-son zèbre

En collaboration avec les équipes de L. Jullien (ENS-Chimie) et de S. Vriz (CHU Kremlin-Bicêtre), D. Bensi-mon et J.-F. Allemand développent des facteurs de régulation � cagés � dont la photolyse permet d'en contrôlerla libération à la fois dans l'espace et dans le temps grâce à un pulse de lumière focalisé. Une fois libérées,ces molécules se lient à une protéine régulatrice contrôlant l'expression d'un gène souhaité (par exemple uneprotéine �uorescente). Cet outil est développé a�n de permettre l'étude du lignage cellulaire lors de la régé-nération, certains mécanismes de développement (somitogénèse, système nerveux central et périphérique) oul'apprentissage (sensitisation/habituation) dans le ré�exe de fuite contrôlé par les cellules de Mauthner (encollaboration avec D. Glanzman de UCLA). Ils ont choisi le poisson zèbre comme modèle pour conduire cesétudes. La transparence des tissus embryonnaires et l'existence de souches dépigmentées permettent le suivi decellules individuelles, in vivo. De plus, ce vertébré est un modèle de choix pour les approches génétiques par unetransgenèse e�cace, un génome entièrement séquencé et de nombreuses lignées mutantes.

i) L'équipe de L. Jullien a développé des ligands cagés photoactivables de molécules couramment utilisées enbiologie, en particulier de l'acide rétinoïque (RA) et du cyclofen. Cela a récemment permis à D. Bensimon et J.-F. Allemand de montrer, dans le cadre de la thèse de P. Neveu, qu'il était possible de contrôler la libération doséede RA dans une seule cellule de l'÷il d'un embryon de poisson. Ils ont montré que par excitation biphotonique(pendant un temps très court de l'ordre de la seconde) on libérait un pulse de RA qui résultait 15 h plus tarden une malformation de la rétine. Ils ont aussi observé que si l'on éclairait une même cellule avec deux pulsesde lumière successifs, le deuxième pulse n'avait plus d'e�et sur le développement de l'÷il s'il était donné plusde cinq minutes après le premier6. Ces résultats ouvrent des perspectives nouvelles d'études de l'in�uence demorphogène (en l'occurrence RA) sur le développement embryonnaire avec un contrôle du dosage et de ladistribution spatio-temporelle inégalé (voir projets).

ii) Pour contrôler l'expression de marqueurs cellulaires �uorescents (e.g. GFP) il est souvent préférabled'utiliser des molécules exogènes (qui ne sont pas utilisées par les cellules pour le contrôle de leur gènes, commeRA) couplés à des récepteurs exogènes (tel le récepteur ERT). Ceci implique de créer des lignées transgéniques dupoisson zèbre exprimant le récepteur en question. C'est ce que D. Bensimon, L. Jullien et S. Vriz ont entrepris :il s'agit d'une lignée exprimant une recombinase CRE-ERT. La recombinase CRE est bloquée par l'interaction

6P. Neveu, I. Aujard, C. Benbrahim, T. Le Saux, J.-F. Allemand, S. Vriz, D. Bensimon et L. Jullien, AngewanteChemie-International Edition, 47 3744�3746 (2008).

9.4. STEADY-STATE CHEMOTAXIS IN ESCHERICHIA COLI 57

du récepteur ERT (en absence de son ligand) avec la protéine endogène Hsp90. Par photoactivation d'un ligand(cyclofen) cagé la protéine CRE-ERT est libérée de son complexe avec Hsp90. En couplant cette lignée avecune lignée existante exprimant une GFP membranaire (après excision par la CRE-recombinase de sites P-loxappropriés), on peut marquer par photoactivation locale certaines cellules dans un embryon incubé dans unesolution de cyclofen cagé. De façon similaire et plus générale, en couplant au récepteur ERT une protéine X(GFP, facteur de transcription, enzyme, etc.), on peut contrôler l'activité et la localisation de cette protéinepar photo-activation du cyclofen cagé. Ces chercheurs souhaitent développer cette technique et en faire un outilpuissant de contrôle de l'activité protéique au niveau d'une seule cellule. Ceci a�n d'étudier divers problèmesen biologie du développement, tel le rôle possible des homéogènes comme morphogènes (en collaboration avecle groupe d'A. Prochiantz au departement de Biologie de l'ENS).

9.4 Steady-State Chemotaxis in Escherichia Coli

The bacterium E. coli maneuvers itself to regions with high chemoattractant concentrations by performingtwo stereotypical moves : �runs�, in which it moves in near straight lines, and �tumbles�, in which it does notadvance but changes direction randomly. The mechanisms and statistics associated with E. coli motion havebeen studied experimentally over the past few decades. In the resulting picture, the duration of each move isstochastic and depends upon the chemoattractant concentration experienced in the recent past. More speci�cally,the bacterium is thought to calculate a temporal gradient of chemoattractant, which mounts to a coarse spatialgradient as the bacterium moves, and to modulate its run and tumble durations as a function of this quantity.

However reasonable it seems qualitatively, it is di�cult to conciliate this simple �gradient ascent� picturewith a detailed, quantitative understanding of chemotaxis. In particular, the connection between single-particledynamics and statistics and the steady-state behavior of a (non-interacting) population is far from trivial. Onewould like to predict, given a chemoattractant concentration and a single-bacterium stochastic algorithm, theshape of the steady-state population density. Furthermore, one would like to elucidate its dependence upon thedetails of the single-bacterium system and identify which of these are qualitatively relevant.

With this aim in mind, in collaboration with Y. Kafri, R. A. da Silveira wrote steady-state equations thatgovern the population density, and solved them in various limits analytically and numerically7. In contrast toearlier treatments, the methodology takes into account the e�ects of temporal correlations and variable tumblingdurations. The �nal results can be summarized broadly by stating that the behavior of the steady-state populationpro�le depends in a complicated manner upon the single-bacterium stochastic law of motion. Indeed, a rangeof behaviors obtains, that depends subtly upon several aspects of the system-memory, correlation, and tumblingstochasticity in particular. In particular, it is found that, unlike what was generally assumed, the measuredsingle-bacterium response function is non-optimal for steady-state accumulation in favorable regions (at leastin one spatial dimension and within our limited assumptions). What is more, one �nds that accumulation mayoccur not only in the running, but also in the tumbling, state. Finally � and interestingly from a theoreticalpoint of view � it is found that memory in the single-bacterium stochastic law of motion leaves a qualitativeand quantitative signature in the steady-state population pro�le.

7Y. Kafri et R. Azeredo da Silveira, Physical Review Letters, 100 238101 (2008).

58 CHAPITRE 9. BIOPHYSIQUE DE L'ORGANISME

Chapitre 10

Évolution

10.1 Dynamique de populations

Un modèle fondamental d'évolution est celui où l'on considère une population de taille �xée se reproduisantde manière asexuée et dont le génome est constitué d'un grand nombre de sites ayant chacun deux allèles, et oùchaque site contribue de la même manière à la �tness de l'individu. Quand on ne considère que des mutationsdéfavorables, ce modèle est le Muller's ratchet. Quand on ne considère que des mutations avantageuses, oncherche à calculer la vitesse d'adaptation de la population. Ce problème n'a jamais été résolu exactement, maisa beaucoup été étudié à l'aide de di�érentes méthodes approchées. Dans une collaboration avec I. Rouzine(Tufts University) et C. Wilke (University of Texas), É. Brunet a contribué à ce problème en aidant à améliorercertains résultats existants1 et en montrant que deux approches qui avaient l'air de donner des résultats di�érentspouvaient, en fait, être réconciliées2.

10.2 Évolution in silico et structures des réseaux génétiques

V. Hakim et P. François, dans le travail de thèse de ce dernier, ont débuté une étude théorique des réseauxd'interactions entre gènes et protéines qui sont actuellement étudiés expérimentalement de façon extensive. Ilsont mis en évidence à l'aide d'un algorithme d'évolution sur ordinateur, les architectures possibles de petitsréseaux avec des dynamiques intéressantes (bistables, oscillantes). Cela les a conduit à analyser précisement3

un motif d'interaction entre gènes et proteines qui joue un rôle important dans ces réseaux et que, par ailleurs,des études de génomique et protéomique ont trouvé être surrepresenté à l'échelle des génomes entiers. Plusrécemment, V. Hakim, E. Siggia et P. François maintenant post-doctorant dans le laboratoire de ce dernier,ont generalisé la procédure d'évolution in silico pour faire évoluer des réseaux génétiques créant une structurespatiale au sein d'une assemblée de cellules. L'étude de la segmentation dans un gradient de morphogène les aconduit à proposer un nouveau modèle de segmentation séquentielle dont la somitogénèse des vertébrés constitueun exemple important4.

10.3 Dynamique de fronts bruités, généalogie, verres de spin

L'intérêt de B. Derrida pour la dynamique des fronts bruités remonte à une vingtaine d'années. Il avaitcommencé à ré�échir à ce problème dans le contexte des polymères dirigés en milieu aléatoire, un problèmeimportant de la physique des systèmes désordonnés. Une des questions les plus simples qu'on peut alors se poserest la façon dont la dynamique d'un front est modi�ée par la présence d'un petit bruit. Avec É. Brunet, dansleur article de 1997, ils avaient proposé une image simple, qu'ils croyaient alors n'être qu'une approximation,permettant de calculer l'e�et non perturbatif du bruit sur ces fronts. Leurs résultats se sont révélés avoir plusd'impact que prévu car le problème de fronts bruités dépasse largement le cadre des systèmes désordonnés : ilapparait dans des problèmes de réaction di�usion, en QCD, dans des modèles d'évolution de population avecsélection et dans plusieurs autres aspects de la physique statistique.

1I. Rouzine, É. Brunet et C. Wilke, Theoretical Population Biology, 73 24�46 (2008).2É. Brunet, I. Rouzine et C. Wilke, Genetics, 179 603�620 (2008).3P. François et V. Hakim, Physical Review E, 72 031908 (2005).4P. François, V. Hakim et E. Siggia, Molecular Systems Biology, 3 154 (2007).

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60 CHAPITRE 10. ÉVOLUTION

Des simulations numériques, permettant de mesurer l'e�et du bruit sur plusieurs dizaines d'ordres de gran-deur, ont montré que l'approximation de leur article de 1997 est en réalité la première correction dans la limited'un bruit faible, ce que les travaux mathématiques récents de C. Mueller, L. Mytnik et J. Quastel en 2008 ontpermis d'établir rigoureusement. L'intérêt suscité par les résultats de B. Derrida et É. Brunet les a amené àcollaborer avec S. Munier (Polytechnique) et A. Mueller (Columbia, NY), deux spécialistes de QCD. Ensembleils ont développé5 en 2006 une théorie phénoménologique qui complète et va beaucoup plus loin que celle de1997. Elle donne des expressions pour les corrections au terme dominant de la vitesse obtenu en 1997 ainsi quetous cumulants de la position du front.

Un des développements nouveaux de ces problèmes de fronts bruités a été de montrer qu'ils apparaissaientdans des modèles d'évolution en présence de sélection. Cette collaboration5,6 avec des collègues physiciens desparticules leur a permis de trouver certains comportements universels, comme celui de l'âge du premier ancêtrecommun de la population qui croît en présence de sélection comme log3 N où N est la taille de la population,au lieu de N en l'absence de sélection.

Un autre résultat qui ressort de ces travaux est que les généalogies des modèles d'évolution avec sélectionont des propriétés identiques aux arbres de la théorie des répliques de G. Parisi, avec des statistiques d'arbresclairement di�érentes des modèles neutres7. Ce résultat n'a pour l'instant été établi mathématiquement quepour un modèle particulier, le modèle exponentiel, qu'ils peuvent résoudre exactement, mais les simulationsnumériques indiquent qu'il reste valable pour tous les modèles qu'ils ont étudiés.

Un problème très voisin de ces modèles d'évolution avec sélection est celui d'un processus de branchement enprésence d'un mur absorbant8,9, qui constitue une partie de la thèse de D. Simon. Les travaux qui constituentcette thèse ont permis de montrer que ce problème présente une transition de phase d'ordre in�ni (comme lemodèle XY en dimension 2) quand la vitesse du mur varie. Plusieurs propriétés de ce processus de branchement,dans son régime quasistationnaire, ont leurs analogues dans les modèles d'évolution avec selection et toutesles comparaisons faites jusqu'à présent con�rment les prédictions de la théorie phénoménologique5,6 des frontsbruités.

5É. Brunet, B. Derrida, A. Mueller et S. Munier, Europhysics Letters, 76 1�7 (2006).6É. Brunet, B. Derrida, A. Mueller et S. Munier, Physical Review E, 76 041104 (2007).7D. Simon et B. Derrida, Journal of Statistical Mechanics, P05002 (2006).8B. Derrida et D. Simon, Europhysics Letters, 78 60006 (2007).9D. Simon et B. Derrida, Journal of Statistical Physics, 131 203�233 (2008).

Chapitre 11

Réseaux sociaux et éconophysique

11.1 Réseaux et �rmes

L'économie ordinaire fait peu de cas des relations de coopération entre �rmes : dans le cadre du marché, les�rmes productrices sont essentiellement en compétition face aux consommateurs. Pourtant dans la réalité, les�rmes interagissent par des liens de nature diverse, personnels, direction, investissements communs et liens deproduction lorsque la production des unes est utilisée comme input par les autres. Au cours de ces dernièresG. Weisbuch et S. Battiston se sont intéressés aux réseaux socio-économiques de �rmes en interaction, aussibien à partir de données empiriques que par des études formelles.

Ils ont démontré1 que la dynamique des réseaux de production aboutit (au sens des attracteurs) à despatterns spatio-temporels di�érenciés : l'espace s'organise en régions productrices actives entourées de régionséconomiquement défavorisées. Le modèle utilisé donne naissance aux patterns de type réaction-di�usion : c'estl'accroissement du capital proportionnel au capital déjà présent dans la �rme qui donne un terme de réactionauto-catalytique et la propagation de la production à travers le réseau qui donne le terme de di�usion. Cetteapproche dynamique de la di�érentiation géographique donne dans un contexte de croissance les résultats quela théorie économique de l'équilibre en présence de rendements croissant a tant de mal à établir.

Un axe relié est celui des réseaux de l'innovation entre start-up et capital-risque. Partant de données em-piriques sur 30 000 �rmes, G. Weisbuch et S. Battiston, en collaboration avec des économistes, ont mesuré2

les propriétés spéci�ques de ces réseaux, qui font par exemple apparaître des diamètres très petits et une trèsgrande robustesse à l'élimination des �rmes les moins connectées. L'exercice suivant est la dynamique inverse :quelle stratégie des acteurs est responsable de la structure particulière de ces réseaux.

La �rme elle-même peut être vue comme un réseaux d'entités en interaction : cette idée n'est pas nouvelleen soi, mais la formalisation de la dynamique de la création des liens de production à l'occasion de commandesaléatoires fournit une théorie originale de l'émergence des �rmes3.

L'ensemble de ces recherches à impliqué des collaborations internationales avec d'autres écono-physicienset économistes (S. Battiston aujourd'hui à l'ETHZ, M. Gallegatti à Ancona, D. Mas et A. Vignes à Paris 2,S. Solomon à Jérusalem, projet européen CO3).

11.2 Choix discrets sous in�uence sociale

En collaboration avec d'autres physiciens et des économistes, J.-P. Nadal et J. Vannimenus ont étudié4,5

le comportement collectif d'un groupe d'agents ayant à faire un choix discret dans des situations où le choixindividuel est in�uencé par celui des autres. Ces situations sont fréquentes aussi bien en contexte marchand(acheter/ne pas acheter le dernier Harry Potter, ou le dernier gadget technologique tel que l'iPhone), que nonmarchand (trier ou non ses déchets), et peut correspondre aussi bien à des e�ets de mode qu'à un avantage� stratégique � (acheter le même logiciel ou ordinateur que ses collègues pour pouvoir pro�ter de leur expé-rience). La formalisation de ces problèmes conduit à des modèles formellement identiques ou très proches desmodèles d'Ising en champ aléatoire (RFIM), l'� aléatoire � correspondant à l'hétérogénéité des préférences des

1G. Weisbuch et S. Battiston, Journal of Economic Behavior & Organization, 64 448�469 (2007).2D. Mas, A. Vignes et G. Weisbuch, dans Strategy and Governance of Networks, édité par G. Hendrikse, M. Tuunanen,

J. Windsperger et G. Cliquet. Springer, 2008.3G. Weisbuch, D. Mangalagiu, R. Ben-Av et S. Solomon, Physica A, 387 5231�5238 (2008).4M. Gordon, J.-P. Nadal, D. Phan et J. Vannimenus, Physica A, 356 628�640 (2005).5J.-P. Nadal, D. Phan, M. Gordon et J. Vannimenus, Quantitative Finance, 5 557�568 (2005).

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62 CHAPITRE 11. RÉSEAUX SOCIAUX ET ÉCONOPHYSIQUE

individus, et le couplage au poids des in�uences sociales dans la prise de décision. En considérant le cas dela température nulle (correspondant à des agents e�ectuant des choix déterministes), on peut caractériser leséquilibres (� équilibres de Nash � dans le langage de l'économie et de la théorie des jeux) : on détermine lademande, c'est-à-dire le nombre d'acheteurs à prix �xé. Dans la limite d'un grand nombre d'agents, une analysetrès détaillée des propriétés génériques a été e�ectuée : conditions d'existence et nature des équilibres multiplesdans l'espace des paramètres, selon les propriétés de la distribution des préférences.

En contexte marchand, J.-P. Nadal, J. Vannimenus et leurs collaborateurs s'intéressent également à la �xationdu prix. Ils se sont limités au cas déjà complexe d'un vendeur unique (situation de monopole) qui cherche àoptimiser son pro�t. Ce problème d'optimisation n'a pas d'équivalent dans l'analogie physique avec un RFIM.Ils trouvent de manière générique l'existence d'équilibres multiples � le vendeur doit choisir entre vendre à prixélevé à la minorité prête à payer cher, ou au contraire à prix bas au plus grand nombre. Mais le choix stratégiquedu vendeur est encore compliqué par le fait que, pour une large gamme de paramètres, le prix supposé optimiserle pro�t tombe dans la plage de prix pour laquelle la demande présente deux équilibres, dont l'un, avec peud'acheteurs, ne donnera pas au vendeur le pro�t escompté.

Ces travaux, ainsi que d'autres sur la même thématique6,7, ont été e�ectués pour partie au LPS et pourpartie au CAMS (UMR 8557 CNRS EHESS), dans le cadre d'un projet interdisciplinaire � ELICCIR � �nancépar l'ACI � Systèmes complexes en SHS �.

6V. Semeshenko, M. B. Gordon, J.-P. Nadal et D. Phan, dans Cognitive economics : new trends, édité par R. Topol etB. Walliser. Elsevier, 2006.

7V. Semeshenko, M. B. Gordon et J.-P. Nadal, Physica A : Statistical Mechanics and its Applications, 387 4903�4916(2008).

Chapitre 12

Neurosciences

12.1 Cellules de Purkinje

Le groupe de neurosciences théoriques du LPS a la chance de pouvoir collaborer étroitement avec le labo-ratoire de neurobiologie à l'ENS qui étudie le cervelet, structure au rôle central pour l'apprentissage moteur.Avec B. Barbour, V. Hakim, J.-P. Nadal et N. Brunel ont proposé une explication à l'observation surprenantede synapses � silencieuses � (i.e. qui ne permettent pas le passage d'un courant synaptique detectable) entre�bres parallèles et cellules de Purkinje en reprenant l'analogie classique entre ces dernières et un perceptronet en utilisant des méthodes de physique statistiques pour calculer la distribution des poids synaptiques aprèsapprentissage optimal. Ce calcul suggère aussi une explication au petit nombre de synapses observées dans leneocortex par rapport au nombre de synapses potentiellement aurorisées par la géometrie des axones et arbresdendritiques1

Par ailleurs, en collaboration avec N. Brunel et en s'appuyant sur des travaux communs antérieurs, desmodèles de deux types d'oscillations dans le cervelet ont été développés. Il s'agit d'une part d'oscillations àhaute fréquence (160-200Hz) enregistrées dans la couche des cellules de Purkinje, chez des rats anesthésiés, parC. de Solages et C. Léna. L'observation de la coexistence d'une oscillation collective rapide avec un taux dedécharge plus lent des cellules, ainsi que d'une fréquence d'oscillation liée aux caractéristiques de la transmissionsynaptique inhibitrice entre cellules semblent con�rmer une prédiction théorique faite il y a quelques années eta motivé un modèle précis des observations2. Les oscillations dans la gamme de fréquence β (autour de 13Hz)observées dans les cellules de Golgi, in vitro dans des tranches de cervelet, par G. Dugué et S. Dieudonné ontaussi été étudiées. Ces oscillations sont dues aux jonctions électriques entre cellules de Golgi et il a été montréque la partie hyperpolarisante du potentiel d'action joue un rôle crucial dans leur génération [G. Dugué et al,Neuron (soumis)]. Le soutien de l'ANR a permis d'attribuer une bourse post-doctorale de deux ans à S. Ostojic,qui a débuté en octobre 2006.

12.2 Analyse de données de cellules ganglionnaires

En collaboration avec S. Leibler et R. Monasson, S. Cocco s'est intéressée au problème d'Ising inverse, quiconsiste à déterminer les champs et les couplages à partir des fonctions de corrélation et activités moyennesextraites d'un ensemble de données. Les données analysées sont des enregistrements multi-électrodes de l'activitédes cellules ganglionnaires de la rétine obtenus par les groupes de M. Berry à Princeton et de M. Meisterà Harvard. Cette étude permet de déterminer les interactions e�ectives entre cellules ganglionnaires et decomprendre combien ces interactions sont dépendantes du stimulus visuel ou au contraire sont une signature dela structure de la rétine. Ces travaux sont en cours de rédaction (soumission à l'été 2008).

12.3 Vers une architecture pour la mémoire visuelle

Si l'on comprenait vraiment le mécanisme de la mémoire, beaucoup d'aspects du fonctionnement de l'espritdeviendraient évidents, de même que la structure de l'ADN a ouvert la voie à une compréhension des mécanismesmoléculaires du vivant. J. Ninio a entrepris depuis une dizaine d'années au LPS, un programme de mesures très

1B. Barbour, N. Brunel, V. Hakim et J.-P. Nadal, Trends in Neurosciences, 30 622�629 (2007).2C. de Solages, G. Szapiro, N. Brunel, V. Hakim, P. Isope, P. Buisseret, C. Rousseau, B. Barbour et C. Léna,

Neuron, 58 775�788 (2008).

63

64 CHAPITRE 12. NEUROSCIENCES

précises de phénomènes de mémoire. Un des protocoles a fourni des résultats riches et inattendus, qui conduisentà un modèle structural.

Selon ce protocole, les sujets mémorisent N images, et l'on mesure le temps mis pour reconnaître une image(par exemple la troisième) juste après en avoir reconnu une autre, par exemple la première. Ces temps sur dessuccessions d'images suivent des lois qui ne sont pas du tout triviales, et ne sont prédites par aucun modèlecourant, connexionniste ou non. Plus de quatre cent mille tests ont été e�ectués à ce jour. L'hypothèse detravail, pour donner un sens à la structure des résultats est que les temps de réponse seraient indicatifs destrajets accomplis dans le cerveau pour passer d'un plot de la mémoire à un autre. Ces temps fournissent alorsune carte de l'organisation en mémoire des images récemment mémorisées.

Les résultats sont compatibles avec un modèle comportant plusieurs couches, avec des plots connectés selonun maillage triangulaire. Ils suggèrent comment les traces en mémoire migrent d'une couche à une autre, àmesure que de nouvelles images entrent à leur tour3.

12.4 Transmission synaptique

À un tout autre niveau, J. Ninio a réanalysé des publications anciennes, concernant la transmission synap-tique, qui avaient conduit au modèle � quantal � selon lequel un bouton synaptique transmet le contenu d'uneseule vésicule de médiateur à chaque décharge. La réanalyse met en doute la validité des conclusions classiques4.

12.5 Perception et codage de catégories

Depuis 2005 un projet a été entrepris par J.-P. Nadal à l'interface neurosciences/psycholinguistique, sur laperception et l'apprentissage du langage. Un premier travail a porté sur la modélisation de l'apprentissage dela langue chez le jeune enfant, sur certains aspects qui, a priori, demandent que le cortex réalise une inférencestatistique à partir des phrases perçues par l'enfant bien avant qu'il ait la capacité de les comprendre5.

Un second travail, toujours en cours, initialement motivé par la modélisation de la perception de catégorieslinguistiques (comme les phonèmes), a conduit à étudier plus généralement le codage neuronal de catégories parle cortex chez l'homme et les mammifères. Les données de psycho-physique et celles issues des neurosciences (enparticulier électrophysiologie chez le singe) suggèrent fortement une représentation neuronale de type � codagepar population � : un ensemble donné de catégories (par exemple les seize voyelles du Français, ou un ensemblede visages familiers) seraient codées par une carte neuronale constituée d'un grand nombre de neurones, chacunayant une certaine spéci�cité (une activité maximale pour un stimulus particulier, son � stimulus préféré �).L. Bonnasse-Gahot (CAMS, EHESS) et J.-P. Nadal ont étudié l'e�cacité typique et optimale d'un tel code decatégories du point de vue de la théorie de l'information6,7.

Un résultat principal est que, dans la limite d'un fort rapport signal-sur-bruit, pour une discriminationoptimale le système neuronal doit attribuer plus de ressources au codage des frontières entre catégories qu'aucodage des centres des catégories ; ce sera exactement le contraire en cas de bruit fort (ou pour un traitementde l'information à temps court). Sur le plan expérimental, cette question de l'allocation des ressources estcontroversée. Si les résultats théoriques obtenus vont dans le sens de la majorité des données empiriques récentes,ils suggèrent également une manière de reconsidérer les analyses faites des expériences, par la précision apportéesur ce qu'il faut entendre par � davantage de ressources �.

Ainsi, supposons qu'on présente un stimulus et qu'on le déforme continuement � par exemple, comme celaa été fait dans une expérience sur des singes, en déformant progressivement une image de chat en une imagede chien � ; si le codage des catégories � dans l'exemple, catégories � chat � et � chien � � a été optimisé, ondoit observer la plus grande variation d'activité neuronale au passage par le maximum d'ambiguité du stimulus.Les résultats théoriques permettent aussi d'interpréter des faits de pycho-physique et de psycho-linguistiqueconcernant des biais de perception.

Ces travaux, e�ectués pour partie au LPS et pour partie au CAMS (UMR 8557 CNRS EHESS), ont été en-trepris dans le cadre d'une collaboration avec des psycho-linguistes (J. Pierrehumbert, Northwestern University,USA, et S. Peperkamp et E. Dupoux, LSCP, UMR 8554 CNRS ENS EHESS), et ont béné�cié d'un soutien del'ANR (projet � AcqLang �).

3J. Ninio, Acta Psychologica, 116 263�283 (2004).4J. Ninio, Journal of Neurophysiology, 98 1827�1835 (2007).5S. Peperkamp, R. Le Calvez, J.-P. Nadal et E. Dupoux, Cognition, 101 B31�B41 (2006).6L. Bonnasse-Gahot et J.-P. Nadal, dans Exemplar-Based Models of Language Acquisition and Use, Dublin, 2007 to appear.7L. Bonnasse-Gahot et J.-P. Nadal, Journal of Computational Neuroscience, 25 169�187 (2008).

12.6. APPROACH SENSITIVITY IN THE MAMMALIAN RETINA 65

12.6 Approach Sensitivity in the Mammalian Retina

Organisms are good at detecting approaching objects, such as predators moving toward them or obstaclesin their way when they are moving, rapidly and reliably. And it has long been known that various behavioralresponses following this detection, including startle and protective movements, occur on short time scales. Inthe past few years, neurons that code for approaching motion were identi�ed in the brains of locust and pigeon.These provide a neural basis for the rapid, strong response to this kind of stimuli.

In collaboration with the laboratory of Botond Roska at the Friedrich Miescher Institute, in Basel, R. Aze-redo da Silveira identi�eda cell type in the mouse retina which codes for approaching motion. This is the �rstexample of an �approach-sensitive cell� in the mammalian retina. The work combined experimental approaches� genetic, labeling, electrophysiological, and theoretical treatments. Silveira was involved in both aspects of de-signing experiments and developing a conceptual and computational understanding of approach sensitivity. Indesigning electrophysiological experiments, the main challenge is to conceive clever stimuli than can probe ap-proach sensitivity and tease apart its various mechanistic aspects. In developing a model, the challenge is notonly to reproduce data traces but also � and maybe more importantly � to unravel the mechanism by which asmall network of cells with known properties can achieve a non-trivial computation over the input (paper underreview in Nature).

The �nal picture is one in which the identi�ed retinal cell � the �approach-sensitive cell� � has a �receptive�eld� (which characterize the response of the cell) that is very non-conventional : the cell covers a large visualarea by pooling over many small sub-units. These have concomitant excitatory and inhibitory e�ects : theyexcite the approach-sensitive cell in response to a local dark stimulus and inhibit it in response to a local brightstimulus. Furthermore, the resulting, �push-pull� signals coming from the sub-units are summed in a non-linearmanner by the approach-sensitive cell. This setup ensures a suppressed response to non-approaching motion anda signi�cant response to approaching motion.

The elucidation of the mechanism of approach sensitivity rested upon the elucidation of the retinal circuita�erent to the approach-sensitive cell. A key ingredient for approach sensitivity is the unusual rapidity of inhi-bition, which is thus able to cancel excitation in the case of undesired stimuli. This fast inhibition is renderedpossible by an electrical synapse between an excitatory cell (the �ON bipolar cell�) and an inhibitory cell (the�AII amacrine cell�). Interestingly, this circuit module (ON bipolar cell-electrical synapse-AII amacrine cell) isknown to play a central role in scotopic (night-time) vision, but with information �ow reversed with respect towhat we observe in photopic (day-time) vision. This constitutes a striking example of the economy with whichdiverse biological functions may be packed into circuits.

66 CHAPITRE 12. NEUROSCIENCES

Auto-évaluation

Le LPS a un large spectre d'activités qui va de physique statistique fondamentale à la biologie des systèmesen passant par la supersolidité de l'hélium. Cette richesse de thèmes, loin de s'apparenter à une � dispersion �est une force du laboratoire : elle provient de la quasi-parité de théoriciens et d'expérimentateurs, et du faitque la physique pratiquée au LPS est une physique légère qui permet de renouveler aisément les thèmes, mêmepour les expérimentateurs. Il en découle une évolution forte du laboratoire, avec des départs et des créationsd'équipes, et un renouvellement fructueux des sujets : les thèmes du précédent quadriennal comme les marchescristallines dans l'hélium, turbulence hydrodynamique, ondes spirales, élasticité, singularités, ADN, adhésioncellulaire, ont fait place à la supersolidité de l'hélium, turbulence d'ondes, croissance de tumeurs, chromatine,fusion membranaire, réseaux génétiques, éconophysique. Le haut niveau de la recherche au LPS est en phaseavec la production (400 publications en quatre ans), le nombre de citations (2956 en 2005, 3118 en 2006 et3280 en 2007) et de conférences invitées, le nombre d'ANR, et la participation à des contrats internationaux eteuropéens. L'activité de certains membres du LPS a été reconnue et récompensée (B. Derrida a été élu membrede l'Académie des Sciences en 2004, S. Balibar a été élu Fellow of the American Physical Society et a reçu leFritz London memorial prize en 2005, il a reçu le Prix des Trois Physiciens de l'ENS en 2007, M.-É. Bracheta reçu le Prix Edmond Brun de l'Académie des Sciences en 2007, D. Bensimon a été Regent's Professor àl'UCLA de 2006 à 2007, et ICAM Fellow au KITP de l'UCSB en 2006. Les chercheurs et enseignants-chercheursdu LPS prennent des responsabilités dans l'enseignement à l'ENS et dans les Universités Paris 6 et Paris 7(directions des ED 107 et 389, responsabilités de M2, responsabilité d'une fédération de recherche, présidenced'une commission de spécialistes) et ont été des éléments moteurs des réorganisations qui ont eu lieu dans lesuniversités Paris 6 et Paris 7). Le caractère très fondamental des recherches menées au LPS n'empêche pas qu'ilsoit impliqué dans la création d'une start-up. Ce contexte fait que les chercheurs du laboratoire publient dans lesrevues à fort impact comme Nature, PNAS, Physical Review Letters et que les étudiants trouvent rapidementun postdoc ou un emploi. Ceci résume les points forts. Le point faible est le manque de place endémique quirègne dans tout le département de physique.

67

68 Auto-évaluation

Deuxième partie

Production scienti�que des quatredernières années

69

Chapitre 1

Bibliographie

1.1 Publication dans des journaux avec comité de lecture

1.1.1 Équipe � Mouillage et nucléation �

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71

72 CHAPITRE 1. BIBLIOGRAPHIE

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1.1.2 Équipe � Théorie de la matière condensée �

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1.1. PUBLICATION DANS DES JOURNAUX AVEC COMITÉ DE LECTURE 73

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[84] V. Lecomte, C. Appert-Rolland et F. Wijland, � Thermodynamic formalism for systems withMarkov dynamics �, Journal of Statistical Physics, 127, 51�106 (2007)

[85] X. Leyronas et R. Combescot, � Instability of a trapped ultracold Fermi gas with attractive interac-tions : quantum e�ects �, European Physical Journal D, 31, 493�497 (2004)

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[87] J. Malherbe et W. Krauth, � Selective-pivot sampling of radial distribution functions in asymmetricliquid mixtures �, Molecular Physics, 105, 2393�2398 (2007)

[88] C. Mora et R. Combescot, � Transition to Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov phases in three dimen-sions : A quasiclassical investigation at low temperature with Fourier expansion �, Physical Review B, 71,214504 (2005)

[89] C. Mora, X. Leyronas et N. Regnault, � Current noise through a kondo quantum dot in a SU(N)fermi liquid state �, Physical Review Letters, 1, 036604 (2008)

[90] A. Radouani, � Soliton and phonon production by an oscillating obstacle in a quasi-one-dimensionaltrapped repulsive Bose-Einstein condensate �, Physical Review A, 70, 013602 (2004)

[91] P. Roche, B. Derrida et B. Doucot, � Mesoscopic full counting statistics and exclusion models �,European Physical Journal B, 43, 529�541 (2005)

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[94] I. Rouzine, É. Brunet et C. Wilke, � The traveling-wave approach to asexual evolution : Muller'sratchet and speed of adaptation �, Theoretical Population Biology, 73, 24�46 (2008)

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[96] D. Simon et B. Derrida, � Evolution of the most recent common ancestor of a population with noselection �, Journal of Statistical Mechanics,, P05002 (2006)

[97] D. Simon et B. Derrida, � Quasi-stationary regime of a branching random walk in presence of anabsorbing wall �, Journal of Statistical Physics, 131, 203�233 (2008)

1.1.3 Équipe � Réseaux complexes et systèmes cognitifs �

[98] T. Araujo et G. Weisbuch, � The labour market on the hypercube �, Physica A, 387, 1301�1310 (2008)

[99] R. Azeredo da Silveira et J.-P. Bouchaud, � Temperature and Disorder Chaos in Low DimensionalDirected Paths �, Physical Review Letters, 93, 015901 (2004)

[100] R. Azeredo da Silveira et S. Zapperi, � Critical Hysteresis from Random Anisotropy �, PhysicalReview B, 69, 212404 (2004)

[101] B. Barbour, N. Brunel, V. Hakim et J.-P. Nadal, � What can we learn from synaptic weightdistributions ? �, Trends in Neurosciences, 30, 622�629 (2007)

[102] S. Battiston, � Inner structure of capital control networks �, Physica A, 338, 107�112 (2004)

[103] S. Battiston et M. Catanzaro, � Statistical properties of corporate board and director networks �,European Physical Journal B, 38, 345�352 (2004)

[104] L. Bonnasse-Gahot et J.-P. Nadal, � Neural Coding of Categories : Information E�ciency and Op-timal Population Codes �, Journal of Computational Neuroscience, 25, 169�187 (2008)

[105] N. Brunel, V. Hakim, P. Isope, J.-P. Nadal et B. Barbour, � Optimal Information Storage andthe Distribution of Synaptic Weights : Perceptron versus Purkinje Cell �, Neuron, 43, 745�757 (2004)

[106] D. Garlaschelli, S. Battiston, M. Castri, V. Servedio et G. Caldarelli, � The scale-free topo-logy of market investments �, Physica A, 350, 491�499 (2005)

[107] C. Gay et R. Azeredo da Silveira, � Anisotropic elastic theory of preloaded granular media �, Euro-physics Letters, 68, 51�57 (2004)

[108] F. Ghoulmie, R. Cont et J.-P. Nadal, � Heterogeneity and feedback in an agent-based market model �,Journal of Physics : Condensed Matter, 17, S1259�S1268 (2005)

[109] M. Gordon, J.-P. Nadal, D. Phan et J. Vannimenus, � Seller's dilemma due to social interactionsbetween customers �, Physica A, 356, 628�640 (2005)

[110] Y. Kafri et R. Azeredo da Silveira, � Steady-State Chemotaxis in E. coli �, Physical Review Letters,100, 238101 (2008)

[111] I. Machecler et J.-P. Nadal, � Pre-attentive segmentation of oriented textures �, Journal of Geophysicsand Engineering, 1, 312�326 (2004)

[112] J.-P. Nadal, D. Phan, M. Gordon et J. Vannimenus, � Multiple equilibria in a monopoly marketwith heterogeneous agents and externalities �, Quantitative Finance, 5, 557�568 (2005)

[113] J. Ninio, � Testing sequence e�ects in visual memory : clues for a structural model �, Acta Psychologica,116, 263�283 (2004)

[114] J. Ninio, � Multiple stages in codon-anticodon recognition : double- trigger mechanisms and geometricconstraints �, Biochimie, 88, 963�992 (2006)

[115] J. Ninio, � Designing visually rich, nearly random textures �, Spatial Vision, 20, 561�577 (2007)

[116] J. Ninio, � Doubts about quantal analysis �, Journal of Neurophysiology, 98, 1827�1835 (2007)

[117] J. Ninio, � Errors and alternatives in prebiotic replication and catalysis �, Chemistry & Biodiversity, 4,622�632 (2007)

[118] J. Ninio, � The science and craft of autostereograms �, Spatial Vision, 21, 185�200 (2007)

[119] J. Ninio et S. Amigorena, � How B cells and dendritic cells may cooperate in antigen puri�cation �,Journal of Theoretical Biology, 231, 309�317 (2004)

[120] J. Ninio et B. Pinna, � Orthogonal expansion : A neglected factor in tilt illusions �, Psychologia, 49,23�37 (2006)


[121] S. Peperkamp, R. Le Calvez, J.-P. Nadal et E. Dupoux, � The acquisition of allophonic rules :Statistical learning with linguistic constraints �, Cognition, 101, B31�B41 (2006)

[122] V. Semeshenko, M. B. Gordon et J.-P. Nadal, � Collective states in social systems with interactinglearning agents �, Physica A : Statistical Mechanics and its Applications, 387, 4903�4916 (2008)

[123] G. Weisbuch et S. Battiston, � From production networks to geographical economics �, Journal ofEconomic Behavior & Organization, 64, 448�469 (2007)

[124] G. Weisbuch, G. Deffuant et F. Amblard, � Persuasion dynamics �, Physica A, 353, 555�575 (2005)

[125] G. Weisbuch, D. Mangalagiu, R. Ben-Av et S. Solomon, � Simple models of �rms emergence �,Physica A, 387, 5231�5238 (2008)

[126] G. Weisbuch etD. Stauffer, � �Antiferromagnetism� in social relations and Bonabeau model �, PhysicaA, 384, 542�548 (2007)

[127] K. Willbrand, F. Radvanyi, J.-P. Nadal, J.-P. Thiery et T. Fink, � Identifying genes from up-down properties of microarray expression series �, Bioinformatics, 21, 3859�3864 (2005)

1.1.4 Équipe � Physique des biomolécules �

[128] D. Alcor, J.-F. Allemand, I. Aujard, T. Barilero, J.-B. Baudin, C. Benbrahim, D. Bensimon,A. Bourdoncle, S. Charier, E. Cogne-Laage, V. Croquette, A. Estevez-Torres, N. Gagey,L. Jullien, A. Lemarchand, H. Lemarchand, A. Meglio, P. Neveu et O. Ruel, � Tuning thee�ective molecular di�usion : a step toward control over oriented molecular motion �, Actualite Chimique,,9�15 (2005)

[129] D. Alcor, J.-F. Allemand, I. Aujard, J.-B. Baudin, C. Benbrahim, S. Charier, E. Cogne-Laage, V. Croquette, A. Torres, F. Ferrage, L. Jullien, A. Kononov, A. Lemarchand,H. Lemarchand et O. Ruel, � Controlled assembly of covalent and supramolecular chemical modules :from engineering of complex structures to high-performance chromatography �, Russian Chemical Bulletin,53, 1379�1384 (2004)

[130] D. Alcor, J.-F. Allemand, E. Cogne-Laage, V. Croquette, F. Ferrage, L. Jullien, A. Ko-nonov et A. Lemarchand, � Stochastic resonance to control di�usive motion in chemistry �, Journal ofPhysical Chemistry B, 109, 1318�1328 (2005)

[131] J.-F. Allemand, G. Charvin, V. Croquette, G. Lia et D. Bensimon, � The manipulation of singlebiomolecules �, Interdisciplinary Science Reviews, 32, 149�161 (2007)

[132] J.-F. Allemand, S. Cocco, N. Douarche et G. Lia, � Loops in DNA : An overview of experimentaland theoretical approaches �, European Physical Journal E, 19, 293�302 (2006)

[133] I. Aujard, C. Benbrahim, M. Gouget, O. Ruel, J.-B. Baudin, P. Neveu et L. Jullien, � o-Nitrobenzyl photolabile protecting groups with red- shifted absorption : Syntheses and uncaging cross-sections for one- and two- photon excitation �, Chemistry-A European Journal, 12, 6865�6879 (2006)

[134] A. Bancaud, N. Silva, M. Barbi, G. Wagner, J.-F. Allemand, J. Mozziconacci, C. Lavelle,V. Croquette, J. Victor, A. Prunell et J. Viovy, � Structural plasticity of single chromatin �bersrevealed by torsional manipulation �, Nature Structural & Molecular Biology, 13, 444�450 (2006)

[135] S. Bigot, O. A. Saleh, C. Lesterlin, C. Pages, M. El Karoui, C. Dennis, M. Grigoriev, J.-F. Allemand, F.-X. Barre et F. Cornet, � KOPS : DNA motifs that control E. coli chromosomesegregation by orienting the FtsK translocase �, European Molecular Biology Organisation Journal, 24,3770�3780 (2005)

[136] S. Bigot, O. Saleh, F. Cornet, J.-F. Allemand et F.-X. Barre, � Oriented loading of FtsK onKOPS �, Nature Structural & Molecular Biology, 13, 1026�1028 (2006)

[137] S. Charier, A. Meglio, D. Alcor, E. Cogne-Laage, J.-F. Allemand, L. Jullien et A. Lemar-chand, � Reactant concentrations from �uorescence correlation spectroscopy with tailored �uorescentprobes. An example of local calibration-free pH measurement �, Journal of the American Chemical So-ciety, 127, 15491�15505 (2005)

[138] S. Charier, O. Ruel, J.-B. Baudin, D. Alcor, J.-F. Allemand, A. Meglio et L. Jullien, � Ane�cient �uorescent probe for ratiometric pH measurements in aqueous solutions �, Angewandte Chemie-International Edition, 43, 4785�4788 (2004)

[139] S. Charier, O. Ruel, J.-B. Baudin, D. Alcor, J.-F. Allemand, A. Meglio, L. Jullien et B. Va-leur, � Photophysics of a series of e�cient �uorescent pH probes for dual-emission-wavelength measure-ments in aqueous solutions �, Chemistry-A European Journal, 12, 1097�1113 (2006)


[140] G. Charvin, T. Strick, D. Bensimon et V. Croquette, � Topoisomerase IV bends and overtwistsDNA upon binding �, Biophysical Journal, 89, 384�392 (2005)

[141] G. Charvin, T. Strick, D. Bensimon et V. Croquette, � Tracking topoisomerase activity at thesingle-molecule level �, Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure, 34, 201�219 (2005)

[142] G. Charvin, A. Vologodskii, D. Bensimon et V. Croquette, � Braiding DNA : Experiments,simulations, and models �, Biophysical Journal, 88, 4124�4136 (2005)

[143] V. Croquette, � Sensing single base incorporation with nanopore micromanipulation �, Acs ChemicalBiology, 3, 92�94 (2008)

[144] A. Dawid, F. Guillemot, C. Breme, V. Croquette et F. Heslot, � Mechanically controlled DNAextrusion from a palindromic sequence by single molecule micromanipulation �, Physical Review Letters,96, 188102 (2006)

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[146] N. Gagey, P. Neveu, C. Benbrahim, B. Goetz, I. Aujard, J.-B. Baudin et L. Jullien, � Two-photon uncaging with �uorescence reporting : Evaluation of the o-hydroxycinnamic platform �, Journalof the American Chemical Society, 129, 9986�9998 (2007)

[147] N. Gagey, P. Neveu et L. Jullien, � Two-photon uncaging with the e�cient 3,5-dibromo-2,4- dihy-droxycinnamic caging group �, Angewandte Chemie-International Edition, 46, 2467�2469 (2007)

[148] D. Koster, V. Croquette, C. Dekker, S. Shuman et N. Dekker, � Friction and torque govern therelaxation of DNA supercoils by eukaryotic topoisomerase IB �, Nature, 434, 671�674 (2005)

[149] G. Lia, E. Praly, H. Ferreira, C. Stockdale, Y. Tse-Dinh,D. Dunlap, V. Croquette,D. Ben-simon et T. Owen-Hughes, � Direct observation of DNA distortion by the RSC complex �, MolecularCell, 21, 417�425 (2006)

[150] T. Lionnet, A. Dawid, S. Bigot, F.-X. Barre,O. A. Saleh, F. Heslot, J.-F. Allemand,D. Ben-simon et V. Croquette, � DNA mechanics as a tool to probe helicase and translocase activity �, NucleicAcids Research, 34, 4232�4244 (2006)

[151] T. Lionnet, S. Joubaud,R. Lavery,D. Bensimon etV. Croquette, �Wringing out DNA�, PhysicalReview Letters, 96, 178102 (2006)

[152] T. Lionnet et F. Lankas, � Sequence-dependent twist-stretch coupling in DNA �, Biophysical Journal,92, L30�L32 (2007)

[153] T. Lionnet, M. Spiering, S. Benkovic, D. Bensimon et V. Croquette, � Real-time observation ofbacteriophage T4 gp41 helicase reveals an unwinding mechanism �, Proceedings of the National Academyof Sciences of the United States of America, 104, 19790�19795 (2007)

[154] R. Mei, L. Luo, P. Lallemand et D. d'Humières, � Consistent initial conditions for lattice Boltzmannsimulations �, Computers & Fluids, 35, 855�862 (2006)

[155] K. Neuman, G. Charvin, D. Bensimon et V. Croquette, � Single-molecule study of DNA unlinkingby topoisomerase IV : In�uence of the crossing angle. �, Biophysical Journal, 88, 15A�15A (2005)

[156] K. Neuman, T. Lionnet et J.-F. Allemand, � Single-molecule micromanipulation techniques �, AnnualReview of Materials Research, 37, 33�67 (2007)

[157] K. Neuman, O. Saleh, T. Lionnet, G. Lia, J.-F. Allemand, D. Bensimon et V. Croquette,� Statistical determination of the step size of molecular motors �, Journal of Physics : Condensed Matter,17, S3811�S3820 (2005)

[158] P. Neveu, I. Aujard, C. Benbrahim, T. Le Saux, J.-F. Allemand, S. Vriz, D. Bensimon etL. Jullien, � A Caged Retinoic Acid for One- and Two-Photon Excitation in Zebra�sh Embryos �,Angewante Chemie-International Edition, 47, 3744�3746 (2008)

[159] O. A. Saleh, C. Perals, F.-X. Barre et J.-F. Allemand, � Fast, DNA-sequence independent trans-location by FtsK in a single-molecule experiment �, European Molecular Biology Organisation Journal,23, 2430�2439 (2004)

[160] O. Saleh, J.-F. Allemand et F.-X. Barre, � Fast DNA translocation by FtsK : A force-recti�edmotor ? �, Abstracts of Papers of the American Chemical Society, 228, U206�U206 (2004)

[161] O. Saleh, J.-F. Allemand, V. Croquette et D. Bensimon, � Single-molecule manipulation measu-rements of DNA transport proteins �, Chemphyschem, 6, 813�818 (2005)


[162] O. Saleh, S. Bigot, F.-X. Barre et J.-F. Allemand, � Analysis of DNA supercoil induction by FtsKindicates translocation without groove-tracking �, Nature Structural & Molecular Biology, 12, 436�440(2005)

1.1.5 Équipe � Surfaces moléculaires organisées �

[163] S. Abel,M. Waks,M. Marchi etW. Urbach, � E�ect of surfactant conformation on the structures ofsmall size nonionic reverse micelles : A molecular dynamics simulation study �, Langmuir, 22, 9112�9120(2006)

[164] S. Abel, M. Waks, W. Urbach et M. Marchi, � Structure, stability, and hydration of a polypeptidein AOT reverse micelles �, Journal of the American Chemical Society, 128, 382�383 (2006)

[165] Y. Chu, S. Dufour, J. Thiery, É. Perez et F. Pincet, � Johnson-Kendall-Roberts theory applied toliving cells �, Physical Review Letters, 94, 028102 (2005)

[166] Y. Chu, O. Eder, W. Thomas, I. Simcha, F. Pincet, A. Ben-Ze'ev, É. Perez, J. Thiery etS. Dufour, � Prototypical type I E-cadherin and type II cadherin-7 mediate very distinct adhesivenessthrough their extracellular domains �, Journal of Biological Chemistry, 281, 2901�2910 (2006)

[167] Y. Chu,W. Thomas, O. Eder, F. Pincet, É. Perez, J. Thiery et S. Dufour, � Force measurementsin E-cadherin-mediated cell doublets reveal rapid adhesion strengthened by actin cytoskeleton remodelingthrough Rac and Cdc42 �, Journal of Cell Biology, 167, 1183�1194 (2004)

[168] N. El Kadi,N. Taulier, J. Le Huerou,M. Gindre,W. Urbach, I. Nwigwe, P. Kahn etM. Waks,� Unfolding and refolding of bovine serum albumin at acid pH : Ultrasound and structural studies �,Biophysical Journal, 91, 3397�3404 (2006)

[169] Y. Gambin, R. Lopez-Esparza, M. Reffay, E. Sierecki, N. Gov, M. Genest, R. Hodges etW. Urbach, � Lateral mobility of proteins in liquid membranes revisited �, Proceedings of the NationalAcademy of Sciences of the United States of America, 103, 2098�2102 (2006)

[170] Y. Gambin, G. Massiera, L. Ramos, C. Ligoure et W. Urbach, � Bounded step superdi�usion inan oriented hexagonal phase �, Physical Review Letters, 94, 110602 (2005)

[171] C. Gourier, F. Pincet, É. Perez, Y. Zhang, Z. Zhu, J. Mallet et P. Sinay, � The naturalLewis(X)-bearing lipids promote membrane adhesion : In�uence of ceramide on carbohydrate-carbohydraterecognition �, Angewandte Chemie-International Edition, 44, 1683�1687 (2005)

[172] J. Husson et F. Pincet, � Analyzing single-bond experiments : In�uence of the shape of the energylandscape and universal law between the width, depth, and force spectrum of the bond �, Physical ReviewE, 77, 026108 (2008)

[173] A. Jegou, F. Pincet, É. Perez, J.-P. Wolf, A. Ziyyat et C. Gourier, � Mapping mouse gameteinteraction forces reveal several oocyte membrane regions with di�erent mechanical and adhesive proper-ties �, Langmuir, 24, 1451�1458 (2008)

[174] E. Kurtisovski, N. Taulier, R. Ober, M. Waks et W. Urbach, � Molecular origin of model mem-brane bending rigidity �, Physical Review Letters, 98, 258103 (2007)

[175] F. Li et F. Pincet, � Con�nement free energy of surfaces bearing end-grafted, polymers in the mushroomregime and local measurement of the polymer density �, Langmuir, 23, 12541�12548 (2007)

[176] F. Li, F. Pincet, É. Perez, W. Eng, T. Melia, J. Rothman et D. Tareste, � Energetics anddynamics of SNAREpin folding across lipid bilayers �, Nature Structural & Molecular Biology, 14, 890�896 (2007)

[177] R. Lopez-Esparza, M. Guedeau-Boudeville, Y. Gambin, C. Rodriguez-Beas, A. Maldonadoet W. Urbach, � Interaction between poly(ethylene glycol) and two surfactants investigated by di�usioncoe�cient measurements �, Journal of Colloid and Interface Science, 300, 105�110 (2006)

[178] A. Maldonado, R. Lopez-Esparza, R. Ober, T. Gulik-Krzywicki,W. Urbach et C. Williams,� E�ect of a neutral water-soluble polymer on the lamellar phase of a zwitterionic surfactant system �,Journal of Colloid and Interface Science, 296, 365�369 (2006)

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1.1.9 Équipe � Systèmes biologiques intégrés �

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1.1.10 Équipe � Physique non-linéaire �

[373] A. Arnèodo, R. Benzi, J. Berg, L. Biferale, E. Bodenschatz, A. Busse, E. Calzavarini,B. Castaing, M. Cencini, L. Chevillard, R. T. Fisher, R. Grauer, H. Homann, D. Lamb,A. S. Lanotte, E. Lévèque, B. Lüthi, J. Mann, N. Mordant, W.-C. Müller, S. Ott,N. T. Ouellette, J.-F. Pinton, S. B. Pope, S. G. Roux, F. Toschi, H. Xu et P. K. Yeung,� Universal Intermittent Properties of Particle Trajectories in Highly Turbulent Flows �, Physical ReviewLetters, 100, 254504 (2008)


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[411] R. Volk, F. Ravelet, R. Monchaux, M. Berhanu, A. Chiffaudel, F. Daviaud, P. Odier, J.-F. Pinton, S. Fauve, N. Mordant et F. Pétrélis, � Transport of magnetic �eld by a turbulent �owof liquid sodium �, Physical Review Letters, 97, 074501 (2006)

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1.3. LIVRES 89

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[428] J. Ninio, � Processing of symmetrical shapes in short-term visual memory �, Perception, 35, 70�71 (2006)

[429] J. Ninio, � Mental kinetics in visual memory �, Perception, 36, 52�52 (2007)

[430] F. Pincet, C. Gourier, D. Tareste et E. Perez, � Energies of weak biochemical bonds from physicaland colloidal methods �, Recent Research Developments in Surface and Colloids, 1, 343�366 (2004)

[431] L. Qian, G. Luengo et E. Perez, � How linear molecules resist to shear : the origin of nanoscalefriction �, Science in China Series G, 47, 15�20 (2004)

[432] S. Sasaki, R. Ishiguro, F. Caupin, H. Maris et S. Balibar, � Supersolidity and super�uidity of grainboundaries �, Journal of Low Temperature Physics, 148, 665�670 (2007)

[433] J. Scheibert, A. Prevost et G. Debrégeas, � Physics of Tactile Perception �, Archives of Physiologyand Biochemistry, XXIX Congrès de la Société de Biomécanique Paris 2004, 112, 44 (2004)

[434] J. Scheibert, A. Prevost, G. Debrégeas, R. Rousier et P. Rey, � A Novel Biomimetic HapticSensor to study the Physics of Touch �, Actes Mécano Transduction (2004)

[435] V. Semeshenko, M. B. Gordon, J.-P. Nadal et D. Phan, � Choice under social in�uence : e�ects oflearning behaviors on the collective dynamics �, dans Cognitive economics : new trends, édité par R. Topolet B. Walliser. Elsevier, 2006

[436] T. Ueno et S. Balibar, � Anomalous wetting of helium mixtures near the tri-critical point �, J. LowTemp. Phys. 134, 507 (2004)

1.3 Livres

[437] S. Balibar, La pomme et l'atome, Paris: Odile Jacob, 2005

Sébastien Balibar a écrit un livre de vulgarisation sur quelques frontières actuelles de la physique, La Pommeet l'Atome, paru en 2005 chez Odile Jacob et qui paraîtra �n 2008 en Italie (Bollati e Boringhieri), aux USA(Princeton University Press) et en Corée (Arte Books).

[438] W. Krauth, Statistical Mechanics : Algorithms and Computations, Oxford: Oxford University Press,2006

Le livre de Werner Krauth, Statistical Mechanics : Algorithms and Computations fut publié chez OxfordUniversity Press. Il résume le parcours de recherche de son auteur dans le domaine de la physique numérique(computational physics) et de son groupe, et fait le point sur son expérience d'enseignement. De nombreusescritiques du livre1 ont souligné ses qualités et ont salué l'approche novatrice qu'il représente.

[439] J. Ninio, La science des illusions (traduction japonaise), Shin-yo-sha, 2004

Le livre de Jacques Ninio, La science des illusions, a été traduit en japonais.

1voir le site web du livre www.smac.lps.ens.fr


1.4 Chapitres de livres

[440] J.-F. Allemand, D. Bensimon, G. Charvin, V. Croquette, G. Lia, T. Lionnet, K. Neuman,O. Saleh et H. Yokota, � Studies of DNA-Protein Interactions at the Single Molecule Level withMagnetic Tweezers �, dans Lectures Notes in Physics, Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2007

[441] A. Aspect, R. Balian, S. Balibar, E. Brezin, B. Cabane, S. Fauve, D. Kaplan, P. Lena,J.-P. Poirier et J. Prost, Demain, la physique, Paris: Odile Jacob, 2004

[442] A. Aspect, F. Bouchet, E. Brunet, C. Cohen-Tannoudji, J. Dalibard, T. Damour, O. Dar-rigol, B. Derrida, P. Grangier, F. Laloë et J.-P. Pocholle, Einstein aujourd'hui, Paris: EDPsciences, 2005

[443] S. Fauve etD. P. Lathrop, � Laboratory Experiments on Liquid Metal Dynamos and Liquid Metal MHDTurbulence �, dans Fluid Dynamics and Dynamos in Astrophysics and Geophysics, édité par A. Soward,C. Jones, D. Hughes et N. Weiss. 2005, 393�425

[444] S. Fauve et F. Pétrélis, � Nonlinear saturation of the magnetic �eld above the dynamo threshold �,dans Mathematical Aspects of Natural Dynamos, édité par E. Dormy et A. Soward. 2007

[445] T. Lionnet, J.-F. Allemand, A. Revyakin, T. Strick, O. Saleh, D. Bensimon et V. Croquette,� Single-Molecule Studies Using Magnetic Traps �, dans Single-Molecule Techniques : A Laboratory Ma-nual, édité par T. Ha et P. Selvin. Cold Spring Harbour Laboratory Press, 2008

[446] D. Mas, A. Vignes et G. Weisbuch, � Syndication Strategies in Venture Capital Networks �, dansStrategy and Governance of Networks, édité par G. Hendrikse,M. Tuunanen, J. Windsperger et G. Cliquet.Springer, 2008

[447] J. Ninio, � Scintillations, extinctions, and other new visual e�ects �, dans Seeing thinking and knowing,édité par A. Carsetti. Dordrecht: Kluwer, 2004, 191�200

[448] E. Perez et F. Pincet, � Machine à forces entres surfaces et micromanipulations �, dans Les Nanos-ciences : 3. Nanobiotechnologies et Nanobiologie, édité par M. Lahmani, P. Boisseau et P. Houdy. Paris:Belin, 2007

[449] F. Pincet, � Adhesion of a Cell on a Substrate �, dans Dekker Encyclopedia of Nanoscience and Nano-technology, édité par J. A. Schwarz, C. I. Contescu et K. Putyera. 2004, 11�21

[450] F. Pincet et E. Perez, � Bioadhesion �, dans Rencontres non-linéaires de Peyresc, édité par B. Audoly.2007

[451] Y. Pomeau, � Statistical Mechanics of gravitational plasmas �, dans proceedings of the 2nd Warsaw schoolof Statistical physics, Warsaw University Press, 2007

1.5 Autres publications

[452] B. Audoly, A. Boudaoud, B. Roman et E. Sharon, � The self-similar rippling of leaf edges and tornplastic sheets �, Europhysics News 35 (2004)

[453] S. Balibar, � Acoustics and metastable liquids �, Europhysics news, 35, 105 (2004)

[454] S. Balibar, � The myth of ITER �, Project - syndicate (2007)

[455] S. Balibar, � Réchau�ement climatique, une urgence absolue �, La Vie de la Recherche Scienti�que, 370,36 (2007)

[456] S. Balibar, � Un cristal peut-il couler comme un super�uide ? �, Pour la Science, 356, 47 (2007)

[457] S. Balibar, S. David et I. Solomon, � Les sources d'énergie du XXIe siècle �, Images de la Physique,CNRS,, 33 (2005)

[458] S. Balibar, Y. Pomeau et J. Treiner, � La France et l'énergie des étoiles �, Le Monde 24 octobre(2004)

[459] J. Bico, B. Roman, A. Boudaoud et L. Moulin, � La physique des poils mouillés �, Pour la Science,,18 (2005)

[460] R. Combescot, � Des gaz super�uides : la transition BEC-BCS dans les gaz atomiques ultrafroids �,Bulletin de l'Union des Professeurs de Physique et Chimie (SFP-UDP) 875 (2005)

[461] J.-P. Hulin et J. Vannimenus, � Numéro spécial �Année mondiale de la Physique� du Bulletin de laSFP �, Société Française de Physique, 2005

1.5. AUTRES PUBLICATIONS 91

[462] B. Jacquier et J. Vannimenus, � Lumière et Matière �, EDP Sciences, 2005

[463] S. Manrubia, B. Derrida et D. Zanette, � La Généalogie à l'ére de la Génomique �, Pour la Science,46, 98�103 (2005)

[464] J. Meunier et D. Bonn, � Physique appliquée � le mouillage �, dans Encyclopædia Universalis � Lascience au présent, 2004, 142

[465] F. Pincet, � Un échafaudage souple pour construire une évolution plus facile �, Brèves scienti�ques duCNRS, 2007, http://www.cnrs.fr/mppu/recherche/breves/0710_proteine_echafaudage.html

[466] F. Pincet et G. Multier, � Liaison moléculaire : une alliance plus ou moins fragile �, communiqué depresse CNRS, 2005, http://www2.cnrs.fr/presse/communique/789.htm

[467] Y. Pomeau, � Propos divergents �, Commentaire, 27, 1012�1014 (2005)

[468] J. Treiner et S. Balibar, � ITER, un projet pharaonique �, Le Monde 28 septembre (2005)

Chapitre 2

Activité scienti�que

2.1 Prix et distinctions

En 2005, Sébastien Balibar a été élu � Fellow of the American Physical Society � et a reçu le Fritz Londonmemorial prize avec J.C. Seamus Davis (Cornell) et R.E. Packard (Berkeley). Il a de plus reçu le � Prix desTrois Physiciens � de l'École Normale Supérieure en 2007.

BernardDerrida a été élu membre de l'Académie des Sciences en 2004 et nommé membre senior de l'InstitutUniversitaire de France en 2007.

Marc-Étienne Brachet a reçu le Prix Edmond Brun de l'Académie des Sciences en 2007.Jean-François Allemand a été nommé membre junior de l'Institut Universitaire de France en 2007.David Bensimon a été Regent's Professor à l'UCLA de 2006 à 2007, et ICAM Fellow au KITP de l'UCSB

en 2006.

2.2 Conférences invitées

Mokhtar Adda-Bedia

2006 � Statistical Physics in Mechanics �, Grasse (France)� Dynamical Fractures �, Brasilia

Jean-François Allemand

2005 � A century after Einstein �, Warwick (England)� From molecular switches to molecular motors �, Ascona (Suisse)� Les cinquièmes rencontres de Figeac � (France)

2006 � French-Indian Symposium on nanotechnologies �, Goa (Inde)SFB TR6 Summer School on Soft Matter, Cargèse (France)Atelier INSERM Physique des Moteurs Moléculaires

2007 Biosensing with channels 2007, Berder (France)

2008 Collective e�ects in Cell Biophysics, Les HouchesAnnual Meeting of the American Society of Microbiology, Boston

Rava Azeredo da Silveira

2004 � Communication in Brain Systems �, Cold Spring Harbor Laboratory� Statistical Physics Conference �, Rutgers

2006 Séminaire � Problemes non-linéaires actuels �, Max Planck Institut Goettingen7th EMBL/EMBO Joint Conference : � Genes, Brain, Mind �, HeidelbergChercheur associé, Harvard UniversityDepartmental Guest, Princeton UniversityChercheur associe, FMI Bale (2006�2008)

2007 � ENS/Gatsby Meeting in Computational Neuroscience �, Londres

93

94 CHAPITRE 2. ACTIVITÉ SCIENTIFIQUE

Sébastien Balibar

2004 ULTI III : � Quantum Phenomena at Low Temp �, Lammi (Finlande)APS march meeting, Montreal (Canada)� Soft Matter, Biology and Statistical Physics �, in honor of M. Schick, Les Houches (France)� Collective Aspects of Stochastic Non-Equilibrium Phenomena at Surfaces and Interfaces �, Leiden (Pays-Bas)StatPhys 22, plenary speaker, Bangalore (Inde)� Pattern Formation in Nonequilibrium Systems �, Calcutta (Inde)� 5th Conference on cryocrystals and quantum crystals �, Wroclaw (Pologne)� Todai international symposium on quantum condensed systems � (Tokyo)

2005 � Quantique...mais macroscopique �, Hommage à Fritz London, Paris (France)� LT24 �, plenary speaker, Orlando (USA)

2006 CMD21 (European Physical Society et Deutsche Physikalische Gesellshaft), Dresden (Allemagne)� Soft matter and interfaces � (in honor of R. Evans), Lisbonne (Portugal)� ULTI �, Lammi (Finlande)� Statics and dynamics of interfaces (in honor of P.-G. de Gennes) �, Trieste (Italie)

2007 APS March Meeting, Denver (USA)� The physics of supersolids �, Yokohama (Japon)IOP-CMMP 2007, Leicester (UK)100th Birthday Celebration for Prof. Laszlo Tisza, MIT, Cambridge (USA)� Quantum gases �, Paris.� Supersolid state of matter �, Stillwater (USA)Assises Nationales de la Recherche, Tunis

2008 JMC11, Strasbourg� Supersolidity �, Les Treilles (France)� XV Summer school Nicolas Cabrera �, Madrid� Colloque de l'IPhT Saclay �, Batz sur mer

Martine Ben Amar

2004 � Cell adhesion and migration �, Nottingham

2005 � Cellular protein translocation experiments and Theory �, Warrick (England)� The multi-scale of spark precursors and high altitude lightening �, Leiden (Pays Bas)� Physical Aspects in Fracture : Physics and Engineering Perspectives �, Turin� Wetting Theory and experiments �, Haifa (Israel )Cours à l'École de Peyresq

2006 � Physics and mathematics of growing interfaces �, Santa Fe� Thin �lms �, Los AngelesIPAM : � Cells and Materials : At the Interface between Mathematics, Biology and Engineering, Micro-�uidic Flows in Nature and Micro�uidic Technologies �, Los Angeles� New trends in biomechanics, Modelling : from Molecular statistics to Continuum Mechanics �, Castro-Urdiales

2007 IPAM : � Random Curves, Surfaces, and Transport �, Los Angeles� New Trends in Complex and Harmonic Analysis �, Voos (Norvège)� Promenade dans la physique d'aujourd'hui �, Paris� New trends in biomechanics, Modelling : from Molecular statistics to Continuum Mechanics �, Castro-Urdiales� Morphogenesis through the interplay of nonlinear chemical instabilities and elastic active media �, Car-gèse� 6th International Congress on industrial and applied mathematics �� 7th European Coating Symposium �, Paris

David Bensimon

2004 � Molecular Machines and Networks �, Bangalore (Inde)Gordon conference : � Colloidal, macromolecular and polyelectrolyte solutions �, Ventura (USA)� S.Shtrikman memorial conference �, Rehovot (Israel)

2.2. CONFÉRENCES INVITÉES 95

� Optical spectroscopy of biomolecular dynamics �, Bavaria (Allemagne)� Soft condensed matter physics in molecular and cell biology �, Edinburgh (Angleterre)� Statistical physics of macromolecules : from electronic structure to �uid mechanics �, Santa-Fe (USA)� Proteomics workshop IV : molecular machines �, Los Angeles (USA)Canadian Physical Society Meeting, invited plenary lecture, Winnipeg (Canada)NEB meeting ; � restriction/modi�cation enzymes �, Bristol (Angleterre)� Transduction de Signaux. Molécules à action centrale et périphérique �, Paris (France)� Nanosciences et biotechnologies �, Paris (France)� Nanotechnology : the challenge of invention �, Milan (Italy)

2005 �Workshop on Biopolymers : Thermodynamics, Kinetics, Mechanics of DNA, RNA & Proteins �, Trieste(Italy)� Nobel Symposium on Controlled Nanoscale Motion in Biological and Arti�cial Systems �, Bäckaskog,(Suède)ICAM : � Complex Adaptive Matter �, Santa Fe (USA)Colloque Entre-Science : � L'apport de la physique à l'étude du vivant �, Paris (France)

2006 � Single Molecule Biology �, Cambridge (Angleterre)Gordon Conference : � Single Molecule approaches to Biology �, New London, (USA)� New physical approaches to molecular and cellular machines �, Santa Barbara (USA)� Emerging nanosystems - from quantum manipulation to nanobiomachines �, Venise (Italy)Colloque du Service de Physique Théorique de Saclay, La Rochelle (France)Annual Dutch meeting on cellular and molecular biophysics (Keynote lecture), Lunteren (Hollande)ICAM : � Complex Adaptive Matter �, Santa-Fe (USA)

2007 � Physics Inspired by Biology �, Minneapolis (USA)Kavli Symposium : � The merging of bio and nano : towards cyborg cells �, Ilulissat (Greenland)Latsis symposium : � Optical Trapping for Molecular Interactions �, Lausanne (Suisse)STATPHYS 23, Genoa (Italy)

2008 ICAM annual meeting, Santa-Fe (USA)� Pour une évaluation critique des bionanotechnologies : perspectives éthiques et philosophiques �, ParisHHMI workshop : � Novel approaches to Bio-imaging � (USA)

Daniel Bonn

2004 � Dynamics of complex �uids �, Kyoto (Japan)� Soft Matter, Biology and Statistical Physics �, les Houches� Depinning transitions in disordered media : theory and applications �, Copenhagen� Discussion meeting on wetting phenomena �uids �, Kyoto (Japan)� Statistical Physics of Complex Fluids �, Zanjan (Iran)Fysica 2004, Twente (Pays Bas)24th Annual conference of the Center for Nonlinear Studies at Los Alamos � Statistical Physics of Macro-molecules : from Electronic Structure to Fluid Dynamics �, Santa Fe (USA)� Complex motion in �uids �, Humlebaek (Denmark)PCS2004 � Photon Correlation and Scattering �, Amsterdam (Pays Bas)National Statistical Physics Seminar, Leiden (Pays Bas)APS march meeting, Los Angeles (USA)

2005 Peyresq school on non-linear physics, Peyresq� Fundamental problems in statistical physics XI �, Leuven (Belgique)BANFF meeting : � Viscoplasic �uids �, Calgary (Canada)

2006 The 8th Minerva Winter School Weizmann Institute Of Science, Rehovot (Israël)� International workshop on mesoscale and multiscale description of complex �uids �, Prato (Italie)� Recent Advances in Soft Matter Physics �, Tokyo (Japon)� Jülich Soft Matter Days �, Bonn (Allemagne)

2007 � Flow in glassy systems �, Les Houches

Arezki Boudaoud

2006 École de Mécanique Physique, Porquerolles


2007 � Models of growth and residual stress in biology �, OxfordCargèse summer School, � Morphogenesis through the interplay of nonlinear chemical instabilities andelastic active media �Euromech colloquium 493 : � Interface Dynamics, Stability and Fragmentation �Rencontres non-linéaires de Peyresq� Material Theories �, Oberwolfach

2008 APS March Meeting, Nouvelle Orléans

Marc-Étienne Brachet

2004 IUTAM : � Elementary Vortices and Coherent Structures �, Kyoto (Japon)

2006 � The Gross-Pitaevskii and related equations with non-zero boundary conditions at in�nity �, Vienne

2008 Workshop on Turbulence, IISc, Bangalore (Inde)

Éric Brunet

2004 � Geometry and Combinatorics in Physics �, Moscou� La physique statistique hors équilibre et les systèmes désordonnés �, Nancy

2006 � Mathematical Population Genetics �, Edinburgh

2007 � Points de vue sur les équations KPP �, Marseille� Inhomogeneous Random Systems �, Paris

Frédéric Caupin

2007 � Quantum Fluids and Solids �, Kazan (Russie)

2008 � Supersolidity �, Tourtour (France)Gordon conference : � Water & Aqueous Solutions �, Holderness (USA)� Supersolids �, Trieste (Italie)

Anne-Marie Cazabat

2004 MPIPKS :� Patterns formation though instabilities in thin liquids �lms : from fundamental aspects toapplications �, Dresden (Allemagne)

2006 IPAM : � Thin Film and Interfaces �, Los Angeles (USA)Workshop en l'honneur de P.G. de Gennes : � Statics and dynamics of interfaces �, Trieste� XIIIth International Conference on Surface Forces �, Moscow (Russie)

2007 Euromech 490, Londres

Simona Cocco

2005 � Recent progress in glassy physics �, Paris� From physics to biology : The interface between Experiment and Computation �, Zaragoza (Spain)� Conference : Modelling Elastic Manifolds �, Trieste (Italy)

Roland Combescot

2004 Milan

2005 CamerinoWarwick

2006 DresdenVarennaEriceRome


Vincent Croquette

2005 NanoSciences 2005, AngletNucleic Acid, GordonHelicase conference, ArollaEuropean Biophysical Meeting, MontpellierCongrès du Groupe Francais de Bioénergétique, Carry le RouetNOIS, Montpellier

2006 American Biophysical Meeting, Salt Lake CityOIST International WorkShop Okinawa� Colloïdes en biologie et médecine �, Les HouchesCourcher ASI, Hong-Kong

2007 � Frontiers in Chemical Physics �, Knoxville3R, GiensTopo2007, FréjusCOLLOG'10, GrenobleIMA, Mineapolis

Georges Debrégeas

2004 American Physical Society March Meeting, Montréal (Canada)� 1er Workshop International Matériaux et Sensations �, Pau (France)

2007 � Franco-Israeli Trend �, Biarritz

Bernard Derrida

2004 � Interacting Particle Systems : New Trends and Applications in Biology and Economy �, Paris� Vers une Science des Systèmes Complexes �, ParisMECO29, Bratislava (Slovaquie)� Equilibrium and Dynamics of Spin Glasses �, Monte Verita (Suisse)� Quantum Chaos and Nonequilibrium Statistical Mechanics �, Haifa (Israel)� Optimization algorithms and quantum disordered systems �, Paris� Statistical Physics Days �, IstamboulSTATPHYS 22, Bangalore (Inde)� Dynamics in Statistical Mechanics �, Montréal

2005 � Inhomogeneous Random Systems �, ParisColloque à Stuttgart� Particle Systems with Several Conservation Laws : Fluctuations and Hydrodynamic Limit �, Oberwolfach(Allemagne)� Mathematical Physics of Spin Glasses �, Cortona (Italie)� Fluctuations and Noise in Out of Equilibrium Systems �, Nice� IX Latin American Workshop on Nonlinear Dynamics �, Bariloche (Argentine)Colloque pour l'Année Mondiale de la Physique, Orsay

2006 École � Non-equilibrium Statistical Mechanics �, Champex (Suisse)� Work, Dissipation and Fluctuations in Nonequilibrium Physics �, Bruxelles (Belgique)� Asymptotic Problems in Analysis, Combinatorics and Mathematical Physics �, Paris� Principles of the Dynamics of Nonequilibrium Systems �, Cambridge� Stochastic Processes in Mathematical Physics �, FlorenceInternational Congress on Mathematical Physics, Rio de JaneiroInternational Congress of Mathematicians, Madrid� Non Equilibrium Phenomena in Classical and Quantum Systems �, MunichColloque Boltzmann au Collège de France, Paris

2007 � Dynamics Days 2007 �, Boston (USA)� Stochastic Models of Selection and Coalescence �, Paris� Einstein Colloquium Weizmann Institute �, Rehovot (Israel)École � Spin Glasses 2007 �, Paris� A stroll through today's physics �, Paris� The Electron is Innexhaustible �, Zurich


� Écosystèmes et Evènements Extrêmes �, Paris� A View of the World Through Spin Glasses �, Oxford� From neurons to cognition �, Jérusalem� Statistical Physics of Systems out of Equilibrium �, Paris

Dominique d'Humières

2004 First International Conference for Mesoscopic Methods in Engineering and Science, Braunschweig (Alle-magne)

2006 Third International Conference for Mesoscopic Methods in Engineering and Science, Hampton (USA)DSFD 2006 : � Discrete Simulation of Fluid Dynamics �, Genève (Suisse)

Stephan Fauve

2004 G. K. Batchelor Lecturer 2004, Department of applied mathematics and theoretical physics, Cambridge� Dynamics and patterns : at the interface between mathematics, mechanics and non linear physics �,Nice� Magnetohydrodynamics of stellar interiors �, Cambridge

2005 � Dynamics and �uctuations in extended systems �, Paris� Developments in experimental pattern formation �, CambridgeESF-Stochdyn conference : � Fluctuations and Noise in Out of Equilibrium Systems �, Nice� Pattern formation in �uid dynamics �, Cambridge

2006 � 6th Euromech Fluid Mechanics Conference �, Stockholm

2007 European Geosciences Union General Assembly, Vienna� Chaos, Complexity and Transport �, MarseilleDSFD 2007 : � 16th Discrete Simulation of Fluid Dynamics �, Ban� (Canada)� Turbulent Mixing and Beyond �, TriesteESF-Stochdyn conference : � Fluctuations and Noise in Out of Equilibrium Systems �, Nice� Warwick workshop on turbulence �, WarwickÉcole d'été de Woods Hole, � Chaotic Dynamos Generated by Turbulent Flows �

Vincent Hakim

2005 British Applied Mathematics Colloquium : � Spiral and scroll waves minisymposium �, Liverpool� Towards the Future of Complex Dynamics : from Lasers to Brain � Dresde (Germany)

2006 � Physics and Mathematics of Growing Surfaces �, Santa Fe (USA)� Phages, Experiments and Modeling �, Dragor, Copenhague� Cardiac Dynamics �, Santa Barbara (USA)

2007 � Non-linear dynamics in excitable media �, Gand (Belgique)� Systembiology �, Berlin� Dynamics and Complexity in People and Societies �, Evanston (USA)� Neural Coding, Computation and Dynamics �, Hossegor (France)� Mathematical Models of Cell Regulatory Systems �, Nice

Werner Krauth

2004 � Depinning transition in disordered media � Copenhague (Denmark)� Computational Phyics � Genoa (Italie)

2005 � E�ective models for low-dimensional strongly correlated systems �, Peyresq (France)� Statistical Physics �, Rutgers University (USA)

2006 � Statistical Physics in Mechanics �, Grasse (France)� Physical and Mathematical aspects of packing �, Aspen (USA)� Stochastic Geometry and Field theory �, Santa Barbara (USA)

2007 � Workshop Phenix/Isis �, Lyon


Nicolas Mordant

2005 � Dynamics Days 2005 �, Berlin

2007 � Euler equations : 250 years on �, Aussois

Sébastien Moulinet

2004 � Depining transition in disordered media : theory and application �, Copenhage (Danemark)

Jean-Pierre Nadal

2004 � Fundamental Aspects of Complexity �, Trieste� Psychological and Cognitif Aspects of Decision Making (Learning and Rationality) �, AixNICO : �Making choice under social in�uence : some insight from statistical mechanics �, Evanston (USA)� Modèles et méthodes mathématiques dans les sciences sociales : apports et limites �, Paris� Interdisciplinary Seminars in Nonlinear Science, Complex systems group �, Evenston (USA)

2005 � As physics make a contribution to studies of the living : witnesses of the present time �, ParisÉcole � Maths et Cerveau �, Paris

2006 Joint congress of the International Association for Research in Economic Psychology (IAREP) and of theSociety for the Advancement of Behavioural Economics (SABE), Paris

2006 ICTS : � Recent Advances in the Interdisciplinary Applications of Statistical Physics �, BeijingJournées ENS�EPFL � Systèmes complexes �, Paris

2007 Journée ENS�EPFL � Systèmes complexes �, Paris� Kinetic Theory and Socio-Economical Equilibria Modelling �, OrléansColloque de l'ACI � Systèmes Complexes en Sciences Humaines et en Sciences Sociales �, Cerisy-La-Salle

Jacques Ninio

2006 � Kurland symposium �, Uppsala, Sur la �délité de la traductionECVP, Saint-Petersbourg, Sur la perception de la syméttrieStockholm, sur la �délité de la traductionRome, sur la mémoire humaine

Éric Perez

2004 Rencontres Non-Linéaires de Peyresc, � Bio-adhésion 1 �� Dynamics of �uids at interfaces �, Lyon

2005 � XVIII International Symposium on Glycoconjugates �, Florence

2006 SFAC2006 International Workshop : � Bridging Nanoscale Forces and Interfacial Phenomena to the Ma-croscopic World �, Cancun (Mexique)� Nanoscience et Nanotechnologies �, Porquerolle

2007 HFSP 7th Awardees Meeting, Brisbane (Australie)

2008 � The Surface Force Apparatus : a tool for measuring interactions and asssembling energies of biomole-cules ; application to SNARE proteins � (Atelier INSERM), Saint-Raphaël

Francois Pétrélis

2006 AIMS sixth international conference on Dynamical Systems, Di�erential equations and Applications,section �Magnetohydrodynamics in Astrophysics and Geophysics : advances in dynamo theory � , Poitiers

2007 15th International Couette-Taylor Workshop, Le Havre

Frédéric Pincet

2004 9es journées de la matière condensée, NancyRencontres Non-Linéaires de Peyresc, � Bio-adhésion 2 �


Yves Pomeau

2006 � Patterns and solitons �, DresdeParticipation a l'Advisory Board Institute of Math sciencesmembre du Comité d'évaluation des trois universités d'Aix MarseilleConférence lors de la journee a la memoire de J.L. Delcroix, Supelec, OrsayConférence à la rencontre Cea-DAM-groupe Clavin, Peyresq� Turbulence dans les super�uides �, WarwickDSFD 2006, Genève� quantum e�ects in Nonlinear optics �, Tokyo

2007 Dynamics Days : � Gravitational interaction and the N -body problem �Cours sur le problème à N corps gravitationnel, Kazimierz, PologneConférence de Cargèse sur les problemes d'elasticitéConférence sur Formes et forces, rencontre scienti�ques/artistes, TreillesConférence sur BEC et supersolides, Singapour

Alexis Prévost

2004 American Physical Society March Meeting, Montréal (Canada)1er Workshop International Matériaux et Sensations, Pau (France)

2005 Réunion du GDR 2796 � Dynamique Interfaciale Des Milieux Con�nés sous Contrainte Mécanique �,Obernai (France)

2008 American Physical Society March Meeting, Nouvelle Orléans (USA)

Sergio Rica

2004 � Fundamentals of Self-Assembly in Complex Materials : Self-organization and Continuum Models �,Argonne, USAMedy�nol : � Nonequilibrium Statistical Mechanics and Nonlinear Physics �, La Serena

2005 � Universal features in turbulence : from quantum to cosmological scales �, Warwick� Non-equilibrium in Physics and in Biology � (PhysBio), St. Étienne de Tinée

2006 SCAT : � Scienti�c Computing Advanced Training �, Barcelona (Spain)SIAM : � Nonlinear Waves and Coherent Structures �, Seattle

2007 � Chaos, Complexity and Transport : Theory and Applications �, MarseilleColloque en l'honneur d'Yves Pomeau � A stroll through today's physics �, Paris� Latin American Workshop on Nonlinear Phenomena �, Arica (Chili)

2008 � Singularities in Mechanics �, IHP Paris

Étienne Rolley

2005 LT24 : � Low Temperatures �, Orlando (USA)

2006 ULTI III meeting, Lammi (Finland)

2007 European Coating Symposium 2007, Paris

Wladimir Urbach

2006 Institute for Pure and Applied Mathematics � Cells and Materials : At the Interface between Mathematics,Biology and Engineering �, Los Angeles (USA)SAS 2006 : � XIII International Conference on Small Angle Scattering �, Kyoto (Japon)

2.3 Organisation de conférences nationales et internationales


2004�2005 Co-organisation de la serie � Neuroscience Discussions �, ENS, Paris

2006 � First ENS-Gatsby/UCL Workshop on Computational Neuroscience �, ENS, Paris

2.3. ORGANISATION DE CONFÉRENCES NATIONALES ET INTERNATIONALES 101

Sébastien Balibar

2004 International advisory committee, Stat Phys 22, Bangalore (Inde)Program advisory committee, QFS 2004, Trento (Italy)

2004-2005 Program committee, 6th Liquid Matter Conference, Utrecht (Pays Bas)International advisory committee, LT24, Orlando (USA)International advisory committee, ULT Gainesville (USA)

2005 Comité de programme, � Quantique...mais macroscopique �, IHP Paris

2006 Program committee, QFS 2006, Kyoto (Japon)

2006�2012 Liquids board, EPS (Liquid matter conferences en 2008 (Lund) et en 2011)

2007 Co-chairman � Supersolid state of matter �, Stillwater Minnesota

2008 Program committee, LT25, Amsterdam (Pays Bas)Co-chairman du workshop ICTP � Supersolid 2008 �, TriesteInternational advisory committee, ULT, London

David Bensimon

2005 Avec B. Vandenbunder, congrès 2005 de la SFP, colloque � Biophysique�Matière Molle �, Lille

2006 Avec P. Nelson, R. Bruinsma et A. Parsegian, KITP workshop � Cellular and Molecular Motors �, UCSB

2007 Co-organisateur de STATPHYS 23, Genoa

Simona Cocco

2004 Organisation avec D. Chatenay, O. Krichevsky, R. Monasson, D. Thie�ry de l'école d'été � Aspectsmultiples de l'ADN et l'ARN : de la biophysique à la bioinformatique �, Les Houches

2005 Organisation avec M.Barbi, D. Lacoste, H. Isambert, R. Monasson de la journée de Biophysique de laFédération de Physique théorique : � Biophysique Théorique sur la Montagne Sainte Geneviève �, Jussieu,Paris

Roland Combescot

2004 Coorganisateur du Workshop on Ultracold Fermi Gases Levico, Trento (Italie)

Vincent Croquette

2005 Organisation avec M. Baaden, A. Triller et M. Dahan de la conférence BIOIMAGE, Paris

2006 International Summer School � Physics of cellular objects � avec J-F. Joanny et F. Julicher, Cargèse

Georges Debregeas

2006 Co organisateur avec G. Debregeas de la journée de la Fédération � Dynamique des systèmes complexeshors équilibre �

Stephan Fauve

2007 � Experimental dynamo meeting �, IHP Paris, E. Dormy, S. Fauve, A. Gailitis, H. N. Nataf

Christine Gourier

2004 Minicolloque � Physiciens et biologistes : quels échanges ? � aux Journées de la matière condensée, Nancy

2007 � Journées Physique et Chimie des milieux complexes pour le vivant �, Paris


Jean-Pierre Nadal

2005�2006 Codirection avec H. Berestycki (EHESS) du projet � Cellule Complexité � �nancé par la Ville deParis

2004-2006 Comme co-responsable du comité scienti�que du Réseau de sciences cognitives d'Ile de France(RESCIF), co-organisation des Journées du RESCIF (à l'ESPCI, Paris) : � Norme/hors norme � (2004),� Le passage à l'acte � (2005), � Génétique et cognition � (2006)

2007 Participation à l'organisation de NeuroComp2007, École d'Automne en Neurosciences Computationnelles,ParisWorkshop on complex systems in social sciences, Northwestern Univ., USA, (Northwestern University,Ministère des A�aires Etrangères et EHESS) Organisation avec H. Berestycki (EHESS), J. Pierrehumbert(NU) et A. Wilkinson (NU)

Éric Perez

2004 Colloque bilan du programme � Dynamique et réactivité des assemblages biologiques � organisé avec J.P.Henry, M. Bornens, M. Vallade, V. Cabuil

2005 Comité scienti�que du Congrès International de Biophysique, 27 août � 1er septembre 2005, Montpellier

2007 Organisation du colloque international � A stroll through today's physics / Promenades dans la physiqued'aujourd'hui �, 28- 30 juin à l'ENS Paris, organisé avec B. Audoly, M. Benamar, E. Guyon et V. Hakim.

Frédéric Pincet

2004 Organisation du minicolloque � Physiciens et biologistes : quels échanges ? � aux Journées de la matièrecondensée, Nancy, 30 août � 4 septembre

2004�2007 Organisation des journées X-ENS-UPS destinées aux professeurs de classes préparatoires

Sergio Rica

2006 Mini-symposia : � New Trends in Bose-Einstein Condensation � in the SIAM conference on � NonlinearWaves and Coherent Structures �, Seattle (USA)

Jean Vannimenus

2004 Colloque � Statistical Physics and Computational Problems : Beyond the Analogy � ParisConférence JMC-9 NancyConférence SKFM Serbie

2005 54e Séminaire Lotharingien de Combinatoire Lucelle

2005, 2007 Membre du Comité scienti�que des congrès nationaux de la SFP (Lille 2005, Grenoble 2007)

Gérard Weisbuch

2007 Organisation en juin 2007 du colloque de 7 jours à Cerisy � Les Systèmes Complexes en sciences humaineset en sciences sociales �. Edition du livre du colloque (en cours).

2.4 Conférences et autres activités grand public


Membre du groupe d'animation des Soirees Interdisciplinaires de la Fondation Pierre-Gilles de Gennes

2005 �As physics make a contribution to studies of the living : witnesses of the present time �, Centre AlexandreKoyré et Entre-Sciences, Paris

2007 Conference d'Interet General, ENS Lyon

David Bensimon

2005 Conférence grand public : � Année Mondiale de la Physique � Opération 36 candella dans le 13e, Paris

2008 Participation a l'émission de débat � Science Publique � (France Culture), sur le thème : � L'hommepourra-t-il créer de la vie ? � le vendredi 28 mars 2008

2.4. CONFÉRENCES ET AUTRES ACTIVITÉS GRAND PUBLIC 103

Bernard Derrida

2006 Conférence aux lycéens du Lycée de la Camargue, Nîmes

Jacques Ninio

2007 Participation au spectacle � Nightshade � (La Villette) : collaboration avec la chorégraphe Claudia Triozzi

2004 Participation à l'exposition photo � Au-delà du visible �, Festival � Terre d'images �, Biarritz

Alexis Prévost

2007 Contribution à la Fête de la Science. Présentation d'un montage expérimental relatif au toucher humainau Lycée Chaptal, Paris

Chapitre 3

Valorisation de la recherche

3.1 Création d'une start-up

� Création de PicoTwist (http://www.picotwist.com/) par D. Bensimon, O.Croquette, V.Croquette, J.-F.Allemand et T.R.Strick, start-up destinée à la commercialisation de notre appareil de manipulation demolécules uniques par pinces magnétiques.

3.2 Contrats Industriels

Daniel Bonn

� Contrat Renault Formule 1

Arezki Boudaoud

� Contrat avec Saint-Gobain Recherche (2006-2009)� Télécrane Innovations (2004-2008)

Jean-Pierre Nadal

� Encadrement d'une thèse e�ectuée chez Schlumberger (soutenue en mars 2005) : exploitation pour l'analysede données en géophysique, de modèles récents de la vision � bas niveau � pour construire des algorithmesde segmentation sans (trop) d'a priori sur la structure de l'image.

Alexis Prévost et Georges Debrégeas

� Collaboration active avec le LETI laboratoire de micro-électronique du CEA à Grenoble pour la réalisationde micro-capteurs de force MEMS (capteur unique et barrette linéaire de capteurs).

3.3 Contrats avec l'UE

Mokhtar Adda-Bedia

2005�2008 � MECHPLANT �

2006�2007 Marie Curie Intra-european fellowships � Pattern formation induced by elastic stresses and geome-trical constraints �

Martine Ben Amar

2007�2009 � CancersBioMechanics �

105

106 CHAPITRE 3. VALORISATION DE LA RECHERCHE

David Bensimon

2000�2006 Contrats ARC : Études du mécanisme des topoisomérases.

2002�2005 Contrat UE MolSwitch : A molecular motor acting as an electronic switch.

2007�2010 Contrat UE Bio-nanoswitch : Development of a biosensor based on molecular ampli�cation anddetection of a motor activity.

Daniel Bonn

� Réseau d'excellence et réseau TMR de l'UE

Stephan Fauve

� représentant français pour le groupement européen COST P17 (magnétohydrodynamique)2007�2009 Contrat européen � ASPECT � : Structuring the European Research Area

Jacques Meunier

� Réseau Européen Marie Curie � PATTERNS �. Responsable scienti�que de l'équipe

Yves Pomeau

2005�2006 � Instability of super�uid �ow in dilute Bose-Einstein condensates �

Alexis Prévost

� Projet européen MONAT (Measurement Of NATuralness) regroupant 7 partenaires dont le LETI, CEA,et un groupe de neurobiologistes, et de psychologues. Projet, STREP-NEST (Speci�c Targeted ResearchProject - New Emerging Science and Technology) démarré le 01er septembre 2006, et destiné à mieuxcomprendre les mécanismes de di�érentiation par le toucher et par la vue de surfaces naturelles et ar-ti�cielles. Développement dans le cadre de ce projet d'un capteur biomimétique de l'extrémité du doigthumain utilisant une matrice linéaire de micro-capteurs de force MEMS, pour reproduire en particulier lamultiplicité des capteurs présents sous l'épiderme.

Gérard Weisbuch

� Responsabilités de workpackages, leader dans plusieurs coopérations européennes : GIACS 2005, E2C22005 et CO3 2005.

3.4 Contrats ACI

Mokhtar Adda-Bedia

� ACI Structures élastiques minces : � Géométrie, rigidité, instabilités �


2004�2007 ACI Dynamique et réactivité des assemblages biologiques : � Étude d'un moteur permettant ledéplacement de l'ADN, la protéine FtsK : mode d'assemblage, mécanisme de fonctionnement, conséquencessur la topologie de l'ADN pompé et pour la résolution des dimères de chromosomes dans la bactérie (Coll.F.X. Barre). �

Didier Chatenay

2004�2007 ACI Dynamique et réactivité des assemblages biologiques : � Étude des variations phénotypiquesdans une population bactérienne monoclonale. � Équipe : D. Chatenay (chef du projet), S. Cocco, V.Hakim, R. Monasson, J. Robert

3.5. CONTRATS ANR 107

Simona Cocco

2002-2005 ACI Jeunes chercheurs : � Décoder et coder les chemins de repliement de l'ARN. � Équipe : H.Isambert (chef du projet), F. Thalmann, A. Xayaphoummine

2004-2007 ACI Nouvelles interface des mathématiques : � Le paradigme XORSAT, de la complexité auxtransitions de phases. � Équipe constituée d'informaticiens, mathématiciens et physiciens statisticiensdirigée par H. Daudé (Marseille)

Vincent Croquette

2004-2007 ACI Dynamique et réactivité des assemblages biologiques : � Remodelage de l'ADN par les héli-cases �

Bernard Derrida

2004 ACI Nouvelles interfaces des mathématiques : � Transport hors équilibre �

Georges Debrégeas

2003-2006 ACI Jeunes chercheurs

Vincent Hakim

2004-2007 ACI Neurosciences integratives et computationnelles : � Le rôle des synapses silencieuses �

Frédéric Pincet

2003-2006 ACI Nano science : � Dynamique du lien entre peptide �cell-perméant� unique et membrane cellu-laire pour l'analyse du mécanisme de passage à travers la membrane. �

2004-2007 ACI Dynamique et Réactivité des Assemblages Biologiques : � Signalisation croisée entre intégrineset cadhérines dans la modulation de l'adhérence cellulaire. �

Wladimir Urbach

2004-2007 ACI Dynamique et réactivité des assemblages biologiques : � Assemblage et e�ux �

3.5 Contrats ANR


� ANR blanche 2005 : � DNA tra�c in Bacteria : role and action mechanism of the ATP- dependent DNAtranslocase FtsK. �

� ANR PCV 2006 : � VIRONANOMOTOR 5 � avec L. Letellier et V. Viasno�

Sébastien Balibar

� ANR blanche 2005 : � Phases métastables : l'eau, l'hélium liquide et l'hélium solide. �� ANR blanche 2007 : � Superdur. �

Martine Ben Amar

� ANR DYNINSTAMOBI

David Bensimon

� ANR 2000-2006 : � Étude sur une seule enzyme de la relation fonction-�uctuation. �2008 ANR PROTEOPHANE

Arezki Boudaoud

� ANR blanche : � Ondes, particules, et défauts topologiques � avec Y. Couder.


Frédéric Caupin

� ANR jeunes chercheurs : � Physico-chimie expérimentale des solutions surchau�ées pour l'interprétationquantitative des systèmes naturels métastables. �

Didier Chatenay

� ANR blanche 2005-2008 : � Analyse quantitative des interactions entre une population bactérienne et unsystème parasitique (virus et plasmides). �

Simona Cocco

� ANR jeune chercheurs 2007-2010 : � Inférence de séquence d'ADN à partir de données de micromanipu-lation de dégra�age. � (Collab., U. Bockelmann, R. Monasson.)

Vincent Croquette

2006 ANR PCV : � Étude des facteurs de remodelage de la chromatine. �

Bernard Derrida

2007 ANR : � Limites hydrodynamiques et mécanique statistique hors équilibre �

Stephan Fauve

� ANR : � Dynamo �� ANR : � Turbulence d'onde �2008 ANR VKS-dynamo

Vincent Hakim

2008 ANR DALTPAC2008 ANR SOPISC

Jean-Pierre Nadal

� ANR � AcqLang � piloté par S. Peperkamp (LSCP, ENS et EHESS), responsable de la partie du projetimpliquant le CAMS

� ANR pilotée par B. Barbour (Département de biologie de l'ENS), responsable de la partie du projetimpliquant le LPS (accueil d'un postdoc au LPS sur ce contrat).

2008 DYXI

Frédéric Pincet

2008 ANR IntermeSNARE

Sergio Rica

2008 ANR COSTUME

Wladimir Urbach

� ANR blanche 2007 : � Dynamical assembly of e�ux pump membrane proteins in a biomimetic bilayer �

Jean Vannimenus

2008 ANR DYXI

3.6. CONTRATS INTERNATIONAUX 109

3.6 Contrats internationaux

Marc-Étienne Brachet

Responsable scienti�que, des programmes de coopération ECOS-Sud � Chili :� C01E08, sur le thème � Irréversibilité : systèmes étendus instables et dynamique de la rupture. � Ceprogramme était actif de 2002 a 2005.

� Depuis 2006, � Variables de Weber-Clebsch en mécanique des �uides et en relativité générale : reconnexionet turbulence. �

Nicolas Mordant

� PAI/PHC �Mesures lagrangiennes en turbulence : étude des trajectoires de particules transportées par unécoulement turbulent � en partenariat avec E. Bodenschatz, Max Planck Institut Göttingen (2006-2007)

Éric Perez

� Human Frontiers Scienti�c Program �Energies involved in the SNARE induced membrane fusion �, Collab.Avec J. Rothman, University of Columbia, NY, USA, 2005.

� Programme FAST Franco-Australien � Phase transitions in 2D hard sphere systems �, Collab. AvecG. Bryant, RMIT, Melbourne, Australie.

3.7 Autres contrats

David Bensimon

2000�2006 Contrats ARC : � Études du mécanisme des topoisomérases. �

Stephan Fauve

� BQR ENS 2007 (50 kd)

Frédéric Pincet

2004 Contrat INSERM Cardiovasculaire : � Functional phenotypic e�ects of polymorphisms of in�ammatorygenes involved in atherothrombosis �

2006�2009 Bourse de thèse dga : � Étude biophysique de la Fractalkine, chimiokine adhérente impliquée dansla cytoadhérence lors du neuropaludisme. �

Troisième partie

Enseignement et responsabilitésadministratives

111

Chapitre 1

Enseignement

Mokhtar Adda-Bedia

� Mécanique des solides (2e année ESPCI, tutorat, 2004�2005)

Jean François Allemand

� Agrégation de sciences physiques (TD et TP, 2005�2008)� Micromanipulation de molécules uniques (M2 IPB, Cours magistral, 2005�2008)� Physique pour biologistes (L3, Cours magistral, 2004�2008)� Thermodynamique Statistique (L3, TD, 2004)� Stages longs en laboratoire (M1, 2004)


� Introduction a la neuroscience theorique (M, cours magistral, 2005�2008)

Martine Ben Amar

� Instabilités et interfaces (M2, Cours magistral)� Physique des objets biologiques (M2, Cours magistral)� Physique non linéaire (M2, Cours magistral)

Daniel Bonn

� Rhéologie de �uides complexes (M pro, cours magistral)� Avalanches : du sable à la crème chantilly (Cours ePhy Supelec, 2005)

Arezki Boudaoud

� Physique non-linéaire (M2, TD, 2004�2005 et 2006�2007)� Navigation à voile : physique et technologie (L1, cours magistral 2007�2008)

Étienne Brachet

� Cours sur la turbulence (M2, cours magistral)

Éric Brunet

� Physique Statistique et Biologie (M1, TD, 2004�2007)� Mécanique Statistique (M1, TD, 2004�2008)� Matière et énergie (L1, TD et TP, 2004�2006)� Mécanique statistique hors d'équilibre (M1, TD, 2007�2008)� Initiation à la programmation en C (L2, Cours magistral TD et TP, 2004�2008)

113

114 CHAPITRE 1. ENSEIGNEMENT

Frédéric Caupin

� Applications de la physique statistique (L3, TD, 2004�2008)� Physique expérimentale (M1, TP, 2007�2008)� Physique (préparation à l'agrégation, TP, 2004�2008)

Anne-Marie Cazabat

� Mécanique statistique (M1, cours magistral)� Physique des �uides complexes (M1, cours magistral)� Interfaces et matière molle (M2, cours magistral)� Interfaces et dispersions (M2, cours magistral)

Georges Debrégeas

� Physique (M2, cours magistral, trois ans)

Bernard Derrida

� Physique Statistique et Biologie (M1, cours magistral, 2004�2007)� Mécanique Statistique (M2, cours magistral, 2004�2008)� Systèmes hors équilibre (Saclay, 2004)� Mécanique statistique hors d'équilibre (M1, cours magistral et TD, 2006�2008)� Systèmes hors équilibre (Cambridge, 2006)� Systèmes hors équilibre (IHP, 2007)

Roland Combescot

� Théorie des collisions (M1, cours magistral et TD, 2004�2005)� Introduction à la Physique des Solides (M2, cours magistral, 2004�2007)� Supraconductivité (M2, cours magistral, 2004�2007)

Stéphan Fauve

� Ordres de grandeur en physique et méthodes perturbatives (L3, cours magistral, 2004-2008)� Hydrodynamique (L3, cours magistral, 2004-2005)� Projets expérimentaux (L3, 2004-2008)� Phénomènes non-linéaires et systèmes dynamiques (M1, cours magistral, 2008)� Di�usion, advection et e�et dynamo (M2, cours magistral, 2007-2008)� Phénomènes hors équilibres (M2, cours magistral, 2006-2007)� Agrégation de physique (cours et correction de leçons, 2004-2008)

Vincent Hakim

� Introduction à la neuroscience théorique (M2, cours magistral, 2005�2008)� Dynamical modelling of biological networks (École de Printemps des Houches, 2007)

Werner Krauth

� Approche algorithmique et numérique pour la physique statistique (M2, cours magistral, 2004�2008)� Computational Statistical Physics : the example of hard spheres, Lectures at the 16th Chris EngelbrechtSummer School in Theoretical Physics", (Drakensberg, Afrique du Sud, 2005)

� Statistical Mechanics : Algorithms and computations, Cours du Troisieme cycle de la physique en Suisseromande (Lausanne, 2005�2006)

� Statistical Mechanics : Algorithms and computations, Lectures at East China Normal University (Shan-ghai, Chine, 2005)

� The Monte Carlo method in/and Statistical Physics, École � Lattice simulations of quantum �elds Orsay-Bielefeld � (Orsay, 2008)

� Statistical Mechanics : Algorithms and computations, Cours à l'École d'été des Houches � Exact Methodsin Low-dimensional Statistical Physics and Quantum Computing � (2008)

115

Xavier Leyronas

� Mécanique quantique (M1, TD, 2004�2005)� Ondes mécaniques et lumineuses (L2, TD et TP, 2004�2006)� Atomes et molécules (M1, TD, 2004�2007)� Champs électrique et magnétique, induction (L2, TD et TP, 2004�2008)� Physique quantique et applications (M1, TD, 2005�2006)� Physique des solides (M1, TD, 2005�2007)� Thermodynamique (L2, TD, 2007�2008)

Sébastien Moulinet

� Optique (L3, TP)� Préparation au CAPES

Nicolas Mordant

� Thermodynamique (L3, TD)� Projets expérimentaux (L3)

Jean-Pierre Nadal

� Introduction à la modélisation en neurosciences (M2, cours magistral)� Neuroscience Théorique (M2, cours magistral)� Cognition sociale (M2, cours magistral)� Dynamique des systèmes complexes et applications aux SHS : modèles, concepts méthodes (Cours de 9hpour jeunes chercheurs, 2004)

� Le codage neuronal (Exposé d'une heure pour jeunes chercheurs, 2005)� Modelling collective behaviors in econommics and social sciences (Deux séances pour jeunes chercheurs àBeijing, Chine, 2006)

Frédéric Pincet

� Optique (L, cours magistral et TD, 2003�2004)� Micromanipulations (M2, cours magistral, 2003�2008)

Alexis Prévost

� Théorie cinétique des gaz granulaires et milieux granulaires vibrés (M2, cours magistral)

Étienne Rolley

� Thermodynamique & physique statistique (L3, cours magistral, 2003�2007)� Electromagnétisme (L2, TP, 2005�2006)� Optique physique ( L3, TP, 2007�2008)� Préparation à l'agrégation interne - formation continue (cours & TP, 2004�2008)� Introduction à Labview (L3 Pro, cours & TP, 2007�2008)

Wladimir Urbach

� Physique (PCEM1 L1, M1, M2, cours magistraux)

116 CHAPITRE 1. ENSEIGNEMENT

Chapitre 2

Responsabilités et tâches administratives


� Responsable adjoint de la préparation à l'agrégation de Montrouge (2006�2008)� Directeur des études et responsable pédagogique du magistère de chimie de l'ENS (2004)� Membre nommé du CNU en 28e section� Membre de la commission de spécialistes de l'ENS

Martine Ben Amar

� Responsable du parcours physique des liquides et matière molle de la spécialité Concepts Fondamentauxde la physique (Paris 6, Paris 11, ENS, polytechnique)

� Responsable de la spécialité : Systèmes dynamiques et statistiques de la matière complexe (SDSMC) : 4parcours (Paris 6, Paris 7, Paris 11, Marne la Vallée et ENS Cachan)

� Responsable de la fédération FR 21 , Paris VI : Dynamique des systèmes complexes hors équilibre (PVI)� Membre de la commission de spécialistes 30e section Paris 6� Membre du comité CNES, microgravité

David Bensimon

� � Expert européen � dans le cadre des 5e et 6e PCRD.� Membre des comités scienti�ques de l'Institut Curie et du Max Plank Institute for complex systems(Dresden)

� Membre de la comission 5 au CNRS

Frédéric Caupin

� Responsable des activités de physique pour l'option chimie à la préparation à l'agrégation de physique deMontrouge (2004�2006)

Anne-Marie Cazabat

� Responsable de l'Ecole Doctorale 389 � La Physique : de la Particule au solide, modèles et expériences �

Roland Combescot

� Directeur de l'École Doctorale de la Région Parisienne (ED107) depuis 2007

Vincent Croquette

� Président du comité ANR Physique et Chimie du Vivant� Membre de la commission de spécialistes 28e section de l'Université Paris 7.

Stéphan Fauve

� Directeur des études au Département de physique de l'ENS (2006-08)� Président de la Commission de Spécialistes de physique de l'ENS (2004-08)

117

118 CHAPITRE 2. RESPONSABILITÉS ET TÂCHES ADMINISTRATIVES

Christine Gourier

� Membre élu de la section 11 du CNRS (mandat 2008-2012)

Vincent Hakim

� Membre de la commission de spécialistes 28e section de l'université Paris 6� Membre nommé de la section 2 du CNRS (mandat 2008-2012)

Werner Krauth

� Membre nommé de la section 2 du Comité National de la Recherche Scienti�que (membre du bureau)(2004-2008)

� Membre extérieur titulaire de la commission spécialistes 28-30-34-35-37 de l'Université Paris 12

Nicolas Mordant

� Organisation des stages longs du FIP� Responsable administratif du séminaire du FIP

Jean-Pierre Nadal

� Membre du comité scienti�que de l'ACI � Neurosciences Intégratives et computationnelles �� Membre du comité scienti�que du programme CNRS � Neuroinformatique �� Membre et président de la commission de spécialistes 61e section à l'ENS� Membre du � comité directeur � de l'Institut des Systèmes Complexes Paris-Île-de-France (GIS ISCPIF)

Éric Perez

� Membre du conseil scienti�que du departement MPPU au CNRS

Étienne Rolley

� Membre de la commission de spécialistes 28e section de l'Université Paris 7 de 2000 à 2008, et présidentde cette même commission depuis 2006.

� Responsable de la formation des maîtres à l'UFR de physique de l'Université Paris 7� Responsable de la préparation à l'agrégation interne de Sciences Physiques.� Correspondant de l'Université Paris 7 au magistère de physique de l'ENS (2003-2007)

Jean Vannimenus

� Secrétaire général de la Société française de Physique, de janvier 2003 à janvier 2007, en charge en particu-lier des actions � 2005, Année mondiale de la Physique �. À ce titre : • Organisation (avec J-C. Mialocq) del'Exposition de Physique (Paris, juin 2004) • Directeur de publication du Bulletin de la SFP, puis � Re�etsde la Physique �, jusque janvier 2007 • Membre du comité éditorial et directeur de la publication d'unbulletin d'informations � Attraction Physique � (six numéros, tirés à 100 000 exemplaires). • Rédacteuren chef invité (avec J-P. Hulin) d'un numéro exceptionnel du � Bulletin de l'Union des Physiciens � tiré à15 000 exemplaires. • Rédaction d'une brochure � Lumière et Matière � (avec B. Jacquier), tirée à 50 000exemplaires et destinée aux lycées. • Participation à l'élaboration d'une plaquette sur � Les métiers de laPhysique �, tirée à 100 000 exemplaires, et conférences devant des lycéens pour la présenter.

� Chargé de mission pour la Physique au MESR, depuis février 2007. À ce titre : • Membre du CA duLaboratoire national de Métrologie, et du Comité de la Métrologie • Membre du CA de l'École desHouches.

Gérard Weisbuch

� Direction de l'ACI Systèmes complexes en sciences humaines et en sciences sociales (2003�2007)

Chapitre 3

Encadrements de thèses

Thèses soutenues

1. Jean-Marc Allain, � Instabilités des membranes lipidiques inhomogènes � sous la direction de MartineBen Amar, soutenue le 12 juillet 2005

2. Luis Alvarez, � Dynamique de Propagation de Bactériophages � sous la direction de Didier Chatenay,soutenue le 5 janvier 2007

3. Sébastien Besson, � Propriétés adhésives entre deux bulles de savon � sous la direction de Georges De-brégeas, soutenue le 10 septembre 2007

4. Edouard Brunet, � Études de systèmes micro�uidiques : agrégation de particules, électrocinétique li-néaire, analyse de protéines � sous la direction de Patrick Tabeling, soutenue le 20 septembre 2004

5. Carlos Cartes, � Dynamique Eulerienne-Lagrangienne et caracterisation de la reconnexion di�usive �sous la direction de Marc-Étienne Brachet, soutenue le 6 juin 2008

6. CyrilCichowlas, � Équation d'Euler tronquée : de la dynamique des singularités complexes à la relaxationturbulente � sous la direction de Marc-Étienne Brachet, soutenue le 29 septembre 2005

7. Nicolas Douarche, � Modélisation d' expériences permettant la manipulation de molécules biologiquesuniques � sous la direction de Simona Cocco, soutenue le 8 décembre 2005

8. Julie Drappier, � Plateaux de contrainte et bandes de cisaillement dans les �uides complexes � sous ladirection de Daniel Bonn, soutenue le 4 mars 2004

9. Olaf Duemmer, � Transition de dépiégeage d'une interface élastique en milieu désordonné � sous la di-rection de Werner Krauth, soutenue le 21 septembre 2007

10. Camille Enaud, � Processus d'exclusion asymétrique : e�et du désordre, grandes déviations et �uctua-tions � sous la direction de Bernard Derrida, soutenue le 7 novembre 2005

11. Paul François, � Réseaux génétiques : conception, modélisation et dynamique � sous la direction deVincent Hakim, soutenue le 16 septembre 2005

12. Yann Gambin, � Dynamique en milieux con�nés : peptides et protéines en interaction avec des bicouchesmodèles � sous la direction de Wladimir Urbach, soutenue le 23 février 2006

13. François Ghoulmié, � Modélisation en mécanique statistique d'agents adaptatifs : hétérogénéité et rétro-action dans des systèmes socio-économique � sous la direction de Jean-Pierre Nadal, soutenue le 25 mars2005

14. Geo�roy Guéna, � Discussions sur l'évaporation d'une gouttelette mouillante � sous la direction de Anne-Marie Cazabat, soutenue le 18 octobre 2007

15. Mehdi Habibi, � L'instabilité de �ambage hélicoïdal de �laments liquides et solides � sous la direction deDaniel Bonn, soutenue le 8 juin 2007

16. Éric Herbert, � Cavitation acoustique dans l'eau pure � sous la direction de Sébastien Balibar, soutenuele 11 décembre 2006

17. Pascal Hersen, � Morphogenèse et Dynamique des Barchanes � sous la direction de Stéphane Douady,soutenue le 22 juin 2004

18. Nicolas Huang, � Rhéologie des pâtes granulaires � sous la direction de Daniel Bonn, soutenue le 22septembre 2006

19. JulienHusson, � Spectroscopie dynamique de force : méthodes d'analyse, application au couple streptavidine-biotine et à l'ancrage d'une protéine dans une membrane cellulaire � sous la direction de Frédéric Pincet,soutenue le 16 décembre 2005

20. Pierre Joseph, � Étude expérimentale du glissement sur surfaces lisses et texturées � sous la direction dePatrick Tabeling, soutenue le 22 septembre 2005

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120 CHAPITRE 3. ENCADREMENTS DE THÈSES

21. Erol Kurtisouski, � Relation structure-propriétés dans les bicouches gon�ées de phases lamellaires � sousla direction de Wladimir Urbach, soutenue le 20 septembre 2007

22. Giuseppe Lia, � Étude du mécanisme d'action des facteurs de remodelage de la chromatine par micro-manipulation et visualisation de l'ADN � sous la direction de David Bensimon, soutenue le 12 décembre2005

23. Timothée Lionnet, � Mécanique de l'ADN et étude de l'hélicase gp41 à l'échelle de la molécule unique �sous la direction de Vincent Croquette, soutenue le 13 octobre 2006

24. Ricardo Lopez Esparza, � Interaction polymère � membranes de tensioactifs � sous la direction deWladimir Urbach, soutenue le 3 mars 2006

25. Olivier Marnette, � Une expérience de vidéomicroscopie pour suivre la cristallisation d'un systèmecolloïdal 2D de sphères dures polydispersées sur interface � sous la direction d'Éric Perez, soutenue le 27juin 2007

26. Sophie Martin, � La résilience dans les modèles de systèmes écologiques et sociaux � sous la direction deJean-Pierre Nadal, soutenue le 17 juin 2005

27. Cécile Monteux, � Adsorption et rhéologie interfaciale de complexes polyélectrolytes/tensioactifs � sousla direction de Jacques Meunier, soutenue le 30 octobre 2004

28. ChristopheMora, � Gaz de bosons et de fermions condensés : phases de Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikovet quasicondensats � sous la direction de Roland Combescot, soutenue en mars 2004

29. Vincent Morin, � Instabilités et bifurcations associées à la modélisation de la géodynamo � sous la direc-tion de Emmanuel Dormy, soutenue le 15 décembre 2005

30. Pierre Neveu, � Développement de facteurs de régulation photoactivables � sous la direction de DavidBensimon, soutenue le 2 juillet 2007

31. Suzie Protiere, � Gouttes rebondissantes : une association onde-particule à échelle macroscopique � sousla direction d'Yves Couder, soutenue le 25 octobre 2007

32. Salima Rafaï, � Fluctuations et forces de surface dans les transitions de mouillage � sous la direction deJacques Meunier, soutenue en novembre 2004

33. Myriam Reffay, � Caractérisation de complexes protéiques : étude statique et dynamique d'associationsentre protéines membranaires � sous la direction de Wladimir Urbach, soutenue le 18 septembre 2007

34. Julien Scheibert, � Mécanique du contact aux échelles mésoscopiques � sous la direction de GeorgesDebrégeas et d'Alexis Prevost, soutenue le 28 juin 2007

35. Damien Simon, � Survie et généalogies dans quelques modèles de dynamique des populations � sous ladirection de Bernard Derrida, soutenue le 23 mai 2008

36. Éric Sultan , � Instabilités et singularités : des �lms minces aux plaques élastiques � sous la direction deMartine Ben Amar, soutenue le 28 septembre 2005

Thèses en cours

1. Florent Alzetto sous la direction de Roland Combescot et Xavier Leyronas2. Carlo Barbieri sous la direction de Simona Cocco3. Elsa Bayart sous la direction de Mokhtar Adda-Bedia4. Juliette Ben arous sous la direction de Didier Chatenay5. Michaël Berhanu sous la direction de Stephan Fauve6. Nabil Bouaouli sous la direction de Jean-Pierre Nadal7. Laurent Boué sous la direction de Mokhtar Adda-Bedia8. Étienne Cavatore sous la direction de Vincent Croquette9. Cédric Chanal sous la direction de Werner Krauth10. Christophe Chevallier sous la direction de Daniel Bonn11. Maguelonne Chevallier sous la direction de Werner Krauth12. Julien Chopin sous la direction d'Arezki Boudaoud13. Francis Corson sous la direction de Mokhtar Adda-Bedia14. Ulysse Delabre sous la direction d'Anne-Marie Cazabat15. Julien Dervaux sous la direction de Martine Ben-Amar16. Gustavo Düring sous la direction de Sergio Rica17. Claudio Falcon sous la direction de Stephan Fauve18. Abdoulaye Fall sous la direction de Daniel Bonn19. Basile Gallet sous la direction de Stephan Fauve20. Laetitia Gauvin sous la direction de Jean Vannimenus21. Stéphane Ghozzi sous la direction de Didier Chatenay

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22. Sébastien Giraud sous la direction de Roland Combescot et Xavier Leyronas23. Christophe Gissinger sous la direction de Stephan Fauve24. Jean-Érik Guet sous la direction de Frédéric Pincet25. Arman Javadi sous la direction de Daniel Bonn et Sébastien Moulinet26. Antoine Jégou sous la direction de Christine Gourier et Éric Perez27. Thomas Julou sous la direction de David Bensimon28. Giorgio Krstulovic sous la direction de Marc-Étienne Brachet29. Serguei Mechkov sous la direction d'Anne-Marie Cazabat30. Adrien Meglio sous la direction de Vincent Croquette31. Peder Moller sous la direction de Daniel Bonn32. Francesco Mosconi sous la direction de David Bensimon33. Gilles Pfingstag sous la direction d'Arezki Boudaoud34. Élise Praly sous la direction de David Bensimon35. Hervé Rouault sous la direction de Vincent Hakim36. Nestor Sepulveda sous la direction de Sergio Rica37. Miguel Trejo sous la direction de Martine Ben Amar38. Jérôme Wong sous la direction de Didier Chatenay

Encadrement d'étudiants en thèse ailleurs qu'au LPS

1. Laurent Bonnasse-Gahot sous la direction de Jean-Pierre Nadal2. Irene Fasiello sous la direction de Jean-Pierre Nadal

122 CHAPITRE 3. ENCADREMENTS DE THÈSES

Quatrième partie

Hygiène et sécurité

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Hygiène et sécurité

Au cours des quatre dernières années, un seul accident a été révélé. Le problème de sécurité à l'atelier demécanique a duré jusqu'à février 2006, il est mentionné ci-dessous. Quelques observations mineures ont été faitessur le conditionnement des cartons.

1. En juillet 2007, un chercheur s'est blessé à l'index droit (coupure profonde, nerf entamé) qui a nécessitédes points de suture. En cours d'expérimentation, une tôle d'épaisseur 1mm et de dimension environ 2mpar 1m s'est décrochée, le chercheur a voulu la rattraper, mais la tôle a fait guillotine, entamant le doigtau moment. Suite à cet incident, des améliorations ont été apportées autour de cette expérimentation.

2. Suite à un problème de sécurité existant à l'atelier de mécanique dû à l'incompétence professionnelleajoutée à une mauvaise volonté d'un agent, une solution temporaire avait été apportée en février 2006.Cette personne avait été déplacée dans un local adapté pour qu'elle puisse y être seule. Le problème nesubsiste plus du fait que la personne est partie en janvier 2008.

3. Les observations faites sur le conditionnement des cartons sont d'ordre logistique et elles ont été prises encompte.

4. Le laboratoire comporte un ACMO : Joseph da Silva Quintas

5. Dispositions mises en ÷uvre pour la formation des personnels et notamment des nouveaux entrants (ycompris stagiaires, doctorants. . . ). On remarque une plus grande sensibilisation dans le comportement despersonnes sur les problèmes d'hygiène et de sécurité. Les nouveaux entrants expérimentateurs qui sontamenés à travailler dans l'atelier mécanique sont initiés par notre mécanicien et n'ont l'autorisation d'ytravailler qu'en sa présence et sous son contrôle.

Une demi-journée d'information est allouée aux nouveaux entrants (et anciens) sur l'identi�cation des risquesde travail en laboratoire. Cette information permet de sensibiliser le personnel sur les dangers qu'il encoure s'ilne respecte pas les règles de sécurité.

Au sujet de la sécurité incendie, le système sonore d'évacuation en cas d'incendie est insu�sant. Il néces-site d'importantes améliorations. Le système est inaudible dans certaines pièces du laboratoire, elles devraientêtre équipées d'une signalisation visuelle et sonore au cours les travaux de sécurité qui ont démarré au débutde septembre 2008. Nous suivrons la mise en ÷uvre d'un système système sonore �able d'évacuation en casd'incendie.

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Cinquième partie

Formation permanente

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Formation permanente

Notre laboratoire comprend une centaine de personnes (chercheurs, enseignants-chercheurs, thésitifs, postdocs et ITA).

Les activités et le programme de recherche du LPS s'organisent autour de quatre thèmes qui sont tous liésà l'ordre, au désordre ou à la transition entre ordre et désordre dans la matière. Ces quatre thèmes sont :

1. Turbulence et phénomènes non linéaires.

2. Physique statistique de la matière condensée

3. Systèmes moléculaires organisés

4. Physique tournée vers les systèmes vivants

Une des caractéristiques du LPS, qui compte 60% d'expérimentateurs et 40% de théoriciens, est d'avoir desinteractions fortes entre les deux. Cette caractéristique fait son originalité et son dynamisme. A�n de maintenirla cohésion du laboratoire, nous organisons, tous les deux ans, une réunion dite � journées du LPS � où chacunfait un exposé rapide de ses travaux les plus marquants suivi d'une courte discussion (au total 15mn). Cetteannée, ces journées ont eu lieu en Sologne au mois de juin. Elles sont destinées à tous les membres du LPS,organisées hors du laboratoire a�n d'éviter que certains soient tentés de retourner sur leurs manips. Des pausescafé, en matinée et en soirée et un bu�et (chaque midi) permettent des discussions plus approfondies.

D'autre part, chaque nouvel arrivant est accueilli pendant les journées des nouveaux entrants où ils dé-couvrent le monde scienti�que et les services administratifs du CNRS.

Les besoins recueillis auprès des ITA sont principalement axés sur les logiciels de gestion Carambole, Kiwipour l'Ecole Normale Supérieure, . . . , XLAB : Echange-information depuis la mise en place des outils BFC,SIRHUS pour le CNRS. Les trois secrétaires gestionnaires ont suivi la formation sur le nouveau logiciel de base dedonnées des Universités de l'UPMC et Denis Diderot : SIFAC. Notre Ingénieur d'Études s'est formé en 2006 enparticipant à l'école � Nano sciences � (Département MPPU, CNRS) puis en 2007 sur les Techniques de gravureet de lithographie et la Physique des semi-conducteurs. Aujourd'hui, de nombreux dispositifs électroniquesutilisent des circuits programmables, nos électroniciens prévoient de participer à des stages sur la programmationde microcontrôleurs et l'utilisation de cartes d'acquisition de données.

Quant aux chercheurs, étudiants en thèse et post docs, ils suivent des écoles d'été (Cargèse, . . . ) ou d'hiver(Les Houches, Peyresq, etc.), des ateliers de formation (organisés par l'INSERM) a�n de se spécialiser et d'élargirleurs connaissances et de pouvoir changer rapidement de sujet, ce qui permet de maintenir ainsi le dynamismedu laboratoire et la qualité du travail qui y est fait.

Plusieurs personnes ont été intéressées par la gestion des contrats européens. Certaines expériences sur l'e�etdynamo nécessitent l'utilisation de hautes pressions (plusieurs chercheurs sont intéressés par une formation surles expériences hautes pressions).

Quelques agents ont participé à des formations concernant l'hygiène et la sécurité : la manipulation desextincteurs et formation aux premiers secours.

En vue de futures collaborations rapprochées avec des équipes françaises, un chercheur associé CNRS a suiviune formation de langue française et une secrétaire un stage de langue anglaise.

Les séminaires, les conférences et les visites de laboratoires tiennent lieu de formations. Ceux-ci sont trèsimportants pour que notre laboratoire continue à avoir une forte production scienti�que sur les sujets les plus� chauds � et à former les meilleurs étudiants dans nos domaines scienti�ques.

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laboratoire de physique statistique de l'École normale

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