Le T.P.E. | Bbb1s2

Pourrait-on alors rendre l’ensemble de l’homme invisible en rendant l’ensemble de ses constituants invisibles ? Certaines espèces animales vivant en mer ont par exemple une peau transparente notamment les méduses. Si la peau des méduses est transparente, c’est car sa peau est dépourvue de mélanocytes et donc de pigments colorés.

On peut donc rendre, en theorie, la peau humaine invisible. Il suffirait pour cela d’effectuer des croisements entre personnes albinos, et on devrait alors pouvoir obtenir des individus à la peau dépourvue de pigments colorés, c’est à dire transparente, à l’image de celle de ce poisson rouge, fruit du croisement entre plusieurs poissons mutants à la peau très pâle.

Si l'on s'inspirait de ces recherches pour créer un homme à la peau invisible, un problème se poserait: comment pourrait-on protéger l'intérieur du corps des
rayons du Soleil ? Car ce sont les mélanocytes qui ont nous en protégene, et il faudrait supprimer ces pigments pour rendre un homme invisible. Celui si serait donc soumis a de grands risques dûs aux rayons UV, qui endommageraient les cellules et engendreraient des cancers.

Et même si l'on pouvait rendre le peau humaine invisible, il faudrait-alors encore rendre les organes, le sang et les os de l’homme invisibles. Or, cela est impossible. En effet au niveau du sang, il y a un problème : le sang est composé d’environ 50% (en volume) d’érythrocites, plus communément appelées hémacites ou globules rouges.

Or, comme leur nom l’indique ces cellules sont rouges. En effet, elles sont composées principalement d’hémoglobine (niveau moléculaire) qui elles mêmes sont basées sur des ions ferreux qui donnent sa couleur rouge caractéristique au sang. Pour rendre invisible les hémoglobines, le sang et donc par extension l’homme il faudrait donc retirer ces atomes de fer, ce qui est impossible puisque leur suppression entraînerait l’incapacité du corps humain à transporter l’oxygène et rendrait donc sa mort inéluctable.

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I) Rendre l’homme invisible:

Pour déterminer comment rendre l’homme invisible, essayons de trouver, dans la nature, des espèces vivantes étant invisibles ou presque.
Parmi les animaux “invisibles”, on note notamment la présence d’espèces telles que la pieuvre ou le caméléon par exemple. En effet, si ces animaux ne sont pas à proprement parler invisibles, ils ont la capacité de changer de couleur en fonction de leur environnement dans le but de se camoufler de leurs prédateurs.

Voyons alors si ces animaux ont un point commun qui leur permettrait de changer de couleur à loisir.

Après recherche, nous nous sommes rendus compte qu’en effet, tous ces animaux possèdent des cellules de peau nommées chromatophores: ce sont des cellules pigmentaires du derme (couche interne de la peau située entre l’épiderme et le tissu graisseux).
Il en existe de plusieurs sortes, chacune responsable d’une couleur. Cette couleur peut être produite par la présence de pigments, qui absorbent les couleurs, ou de cristaux qui dévient la lumière. Ces cellules peuvent, en se déformant ou en modifiant la distribution des pigments, modifier la couleur et les motifs du derme d’un animal en fonction de leur milieu, de la manière suivante:
celles-ci sont entourées d'un muscle circulaire. Lorsque celui-ci se contracte, les pigments se concentrent au centre de la cellule en un point presque invisible. La cellule devient alors claire. A l’inverse, lorsque le muscle se détend, les pigments se répartissent sur toute la surface de la cellule qui prend alors la couleur du pigment pour camoufler l’animal dans l'environnement de a couleur du pigment concerné.

L’homme, dans toute sa grandeur, serait-il lui aussi doté de cellules similaires ? Malheureusement, non. On en conclut alors qu’il est impossible de donner à l’homme la capacité de, par un changement de couleur de sa peau, se confondre à son environnement et devenir ainsi invisible.

II) La vision humaine :

1) L’œil

L'œil est l'organe du corps humain permettant la vision. L'œil a la forme d'une balle d'environ 2,5 cm de diamètre. Il est composé de nombreux éléments dont 3 couches qui constituent sa paroi :

–        la sclérotique, la couche externe de l'œil. C'est elle qui recouvre l'extérieur de l'oeil et qui amène à l'œil cette couleur blanche et cette dureté.
–        La rétine, la partie où se forme l'image. Elle est composée de photorécepteurs (cônes et bâtonnets) qui lui permettent d'être sensible à la lumière.
–        La choroïde, est un couche située entre la sclérotique et la rétine. Elle est de couleur sombre et a donc la capacité de conserver l’œil dans une chambre noire.

L’œil est aussi composé de 4 milieux transparents :

–        La cornée, est la membrane de l'œil par laquelle la lumière entre en premier Elle est majoritairement composée d'eau, qui est acheminée grâce a l'humeur aqueuse, elle aussi transparente.
–        Le cristallin, une lentille constituée de fines couches. Il se déforme pour que l'image se forme sur la rétine.
–        L'humeur vitrée, cette zone représente 80% du volume de l'œil et possède de l'acide hyaluronique, une sorte de gelée qui donne à l'œil cette consistance.

Nous pouvons également citer :

     –        L'iris, est la partie colorée de l'œil. C'est un muscle capable de faire varier la taille de la pupille afin de réguler la quantité de lumière entrant dans l'œil.
     –        La pupille, un trou placé au milieu de l'iris laissant passer la lumière pour qu'elle arrive jusqu'à la rétine.
     –        La fovéa, cette zone est l'endroit le plus sensible de la rétine et c'est là où les détails sont les plus précis.

2) Fonctionnement

Passons maintenant au fonctionnement de l'œil.

Tout d'abord, pour que l'image puisse se former, il

faut que la lumière passe à travers la cornée. Mais

pour cela, elle doit rester propre, d'où le rôle des

clignements de l'œil qui permettent de répartir les

sécrétions lacrymales qui humidifient et nettoient la

cornée. Par la suite, la lumière arrive au niveau du la

pupille qui se rétracte ou qui s'ouvre afin de laisser passer la quantité de lumière voulue. Puis le cristallin, peut-être la partie la plus importante de l'œil. Celui-ci change de courbure pour que l'objet visualisé paraisse le plus net possible. La lumière parvient alors à la rétine. Mais pour que l'image se forme, il reste encore de nombreuses étapes. En effet, comme nous l'avons vu précédemment, la rétine est composée de photorécepteurs qui sont divisés en 2 catégories :

– les cônes, ont pour fonction de retranscrir les couleurs. Il en existe 3 sortes, une réceptive au rouge, une au bleu et une au vert.
– Les bâtonnets, composées de rhodopsine et ayant pour but de capter la lumière.

3) De l’œil au cerveau

Sur la rétine se trouvent des cellules, les photorécepteurs, qui

s'imprègnent de la lumière que perçoit l’œil. Cette lumière est alors

convertie en un message nerveux.

Ce message part des 2 nerfs optique, puis ceux-ci se croisent au

niveau du chiasma optique pour enfin arriver au cerveau, et plus

particulièrement dans la partie occipitale de celui-ci. C'est dans

cette zone que se trouvent les aires cérébrales responsables de

la vision. Ces aires interprètent les signaux en provenance des

yeux et grâce à cette transcription, l'image peut se former.

Afin que l'image soit la plus précise possible, chaque aire a une

spécialisation. Les aires primaires V1 et V2 sont à la base et

nécessaires à la vision. L'aire V4 sert à percevoir les couleurs

même si elle ne serait pas la seule zone associée à cette compétence

. L'aire V5 permet d'observer les mouvements. L'aire V3 permet la

perception des objets.

Conclusion:

Nous remarquons que ce que l'oeil percoit et donne à analyser au cerveau sont les ondes lumineuses.

Ainsi, s'il est impossible de rendre l'homme invisible sans entraîner sa mort, il est possible, comme l'ont montré un groupe de chercheurs asiatiques, de rendre, en le trempant dans une solution de Scale, (un mélange de détergent détruisant les membranes de cellules vivantes, d'urée détruisant l'ADN et les protéines et de glycérol (un alcool) qui empêche l'eau de déformer l'embryon.) tout être-vivant transparent. L'expérience a été menée sur des embryons de souris qui après quelques jours de "trempette" sont devenus totalement translucides.

CONCLUSION:

Il est donc impossible de rendre directement l'homme invisible, en modifiant sa structure cellulaire, sans entraîner la mort de l'individu.

III) Refraction :

a) La Réfraction

Dans la partie précédente, nous avons vu que ce que l’œil et par extension le cerveau, voyait étaient les rayons lumineux ou leur absence.

On peut, à partir de cela, émettre l’hypothèse que pour rendre invisible un objet, il suffirait de dévier les rayons lumineux autour de cet objet pour leur faire reprendre leur trajectoire ensuite. On peut symboliser le fonctionnement de l'invisibilité par l'eau coulant autour d'une pierre dans une rivière. En effet, l'eau épouse les formes de la pierre pour ensuite reprendre sa trajectoire initiale :

Etudions alors le phénomène de réfraction de la lumière pour voir s’il est possible de dévier une onde puis de lui faire reprendre sa trajectoire initiale.

Nous savons que les rayons lumineux ne sont pas déviés lorsque l'indice relatif de réfraction est égal à 1. Celui-ci se calcule en faisant le rapport entre le premier milieu traversé sur le deuxième.

On peut donc en déduire que pour que cet indice soit 1, il suffit que les indices de réfraction des différents milieux traversés par la lumière soit égaux ou très proches.

Pour justifier cette déduction, nous allons procéder à une expérience.
Pour cela, nous avons besoin de trouver 2 milieux ayant le même indice de réfraction. Or, nous avons découvert que le pyrex (verre de borosilicate) qui compose les béchers et autres matériels de physique a un indice de réfraction égal à 1,470, ce qui est presque égal à celui du glycérol qui est un composé chimique basé sur de l’huile végétale employé dans de nombreuses compositions pharmaceutiques, puisque celui-ci est égal à 1,473. L'indice relatif de réfraction est alors égal à 1,473/1,470 =1,002 ou 1,470/1,473 =0,998. Il devrait donc avoir une invisibilité.

Hypothèse: on suppose que nous ne pourrons plus distinguer la partie du tube à essai immergée.
Matériel: Nous avons besoin de 2 béchers, 2 tubes à essai, du glycérol et d’eau.
Protocole expérimental: Nous allons prendre un bécher, un tube à essai et du glycérol. Ensuite nous remplissons le bécher et le tube à essai de glycérol. Puis, nous plongeons le tube à essai dans le bécher. En réalité, la différence existe mais elle reste difficile à percevoir.
Nous avons reproduit cette expérience pour l’expérience témoin en remplaçant le glycérol par de l’eau.
Observations et résultats: Nous pouvons observer que nous n'arrivons plus à distinguer le tube à essai. Nous sommes donc bien dans une situation d'invisibilité. Dans l’expérience témoin, nous sommes en mesure d’observer les contours du tube à essai. Cela s’explique par le fait que l’eau à indice de réfraction égal à 1.33, il est donc différent et il n’y a par conséquent aucune invisibilité.

Dans les différents milieux transparents, la lumière a une vitesse différente liée à la composition du milieu. C’est cette vitesse de propagation des photons, plus petits composants de la lumière, qui détermine l’indice du réfraction du milieu qui se calcule grâce à la formule n= c/v avec n l’indice de réfraction, sans unité, c la vitesse de la lumière dans le vide aussi appelée célérité (3.00x10⁸m/s), et v la vitesse de la lumière dans le milieu.

Cette notion de réfraction désigne le changement de direction subit par les rayons lumineux à la surface de contact entre les deux milieux transparents, appelée dioptre et induit par la différence de vitesse de propagation dans le milieu des rayons lumineux. Des exemples concrets de cette réfraction sont visibles chaque jour:

Mettons par exemple une paille dans un verre d’eau, on remarque que la paille semble être cassée au niveau du dioptre air-eau. Cela se justifie par les indices de réfraction différents de l’air (légèrement supérieur a 1,00 du fait des molécules présentes dans l’air) et de l’eau douce (~1,33), ce qui entraîne une déviation des rayons lumineux et donc la perception par le cerveau de l’image d’une paille “cassée”.

b) Origine de la réfraction:

Ce qui est à l’origine de la réfraction est en fait l’ensemble de deux éléments. En effet, les rayons lumineux sont des rayons électromagnétiques. Ainsi, comme leur nom l’indique, leur déplacement dans l’espace est, à la base, régi par les champs électriques et magnétiques qu’elle traverse.

La partie électrique se mesure en permittivité du milieu. La permitivitté d’un milieu est la tension nécessaire aux rayons lumineux pour parcourir une distance donnée dans ce milieu.

La partie magnétique se mesure en perméabilité magnétique du milieu. La perméabilité d’un matériau est la capacité d’un matériau un champ électrique.

Ce sont donc les champs électromagnétiques qui déterminent la vitesse de l’onde lumineuse dans un matériau donné et donc l’indice de réfraction d’un milieu.

c) Biréfringence et réfraction négative:

Dans certains milieux, transparents bien-sur, on observe un phénomène dit de biréfringence. Ce terme barbare composé de 5 voyelles et de 8 consonnes désigne en fait le fait que lorsque la lumière traverse ces milieux, elle se divise en deux rayons lumineux aux directions différentes.

En effet, les matériaux concernés par ce phénomène de biréfringence ont un indice de réfraction double. La cause de ce double indice de réfraction peut-être notamment dû, du moins nous le supposons, à une non-homogénéité du milieu impliquant une permittivité non-constante et donc un indice de réfraction double et un dédoublement du rayon lumineux.

C’est sur un principe similaire que s’appuie la réfraction négative. En effet, d’ordinaire et d’après la loi de Descartes, en traversant le dioptre (changement de milieu), le rayon lumineux traverse la normale en s’en rapprochant. Or, la réfraction négative désigne en fait l’opposé d’une réfraction normale: à savoir que le rayon réfracté négatif aussi dit extraordinaire est le symétrique par rapport à la normale du rayon réfracté normal, ou ordinaire.
Pour obtenir cette réfraction négative, il faut que la permittivité et la perméabilité du matériau soit négatives. Or, les matériaux ayant ces propriétés de manière naturelle sont inexistants. C’est ainsi ce qui a mené les scientifiques à créer un matériau composite artificiel ayant un indice de réfraction négatif il s’agit des métamatériaux...

d) Métamatériaux:

Un métamatériau est un corps composite (matériaux de natures différentes) fabriqué artificiellement. Il permet de donner une direction spécifique aux ondes électromagnétiques ou a la lumière qui l’atteignent.

Normalement, les ondes électromagnétiques comme la lumière ou les micro-ondes rebondissent sur les objets et nos yeux sont conçus pour détecter ces réflexions : on voit alors les objets et les ombres correspondantes. (Nos yeux sont par contre incapables de voir les micro-ondes et leur détection passe par des instruments spécifiques).

Le dispositif à base de métamatériaux modifie le comportement des ondes.

Une loi spécifique des métamatériaux actuels fait que la structure interne des ces derniers, pour qu'ils puissent dévier les ondes, doit être plus petite que la longueur d'onde du rayonnement. Ainsi, pour détourner des ondes visibles par des métamatériaux, ce qui est théoriquement possible, leur structure doit en conséquence faire quelques dizaines de nanomètres de diamètre.

Or, on commence à peine à manipuler les nanotechnologies. Il est donc pour le moment impossible de rendre un objet invisible à l'oeil nu grâce aux métamatériaux. Cette technologie s'applique en revanche déjà aux micro-ondes plus grandes que les ondes visibles et les chercheurs ont réussi à dissimuler un objet de 5cm aux micro-ondes.

IV) Applications actuelles et futures:

Grâce à ces découvertes sur le fonctionnement de l'invisibilité, les applications futures qui pourraient en découler sont nombreuses.

-Dans la partie précédente, nous avons vus qu'il était possible, grâce aux métamatériaux, de masquer un objet aux micro-ondes. Mais cela est aussi vrai pour les ondes physiques, plus longues encore, telles que les vagues ou les séismes. Ainsi, les chercheurs ont concu une maquette de disque d'invisibilité permettant de détourner les vagues d'une zone donnée. Et cette maquette, peut-être fabriquée en plastique puisqu'elle s'applique à des ondes très longues qui n'ont pas besoin d'une structure sophistiquée pour être déviées. Or, ce disque pourrait-être utilisé pour éviter l'endommagement de bâtiments lors de séismes :

Deux plaques tectoniques se rencontrent, passent l'une en-dessous de l'autre ou s'écartent. Ces mouvements sont à l'origine des séismes qui créent des ondes dites mécaniques et qui se propagent jusqu'aux zones habitées.

C'est à ce moment là qu'intervient le disque d'invisibilité. À l'instar des ondes électromagnétiques, les ondes mécaniques contournent le disque enfouit sous terre et donc le bâtiment se trouvant à la surface. Il n'y aurait alors plus de dommages.

Ces disques pourraient alors être placés autour de lieu d'habitations bien sur, mais aussi autour de lieux permettant la production d'énergie et pouvant se révéler fragiles et dangereux suite à un séisme, comme par exemple des centrales nucléaires ou des stations d'extractions de pétrole.

Lors de séismes de forte magnitude, ces installations empêcheraient la mort de milliers de personnes et l'utilisation de millions voir de milliards d'euros afin de réparer les aménagements matériels détruits.

Des catastrophes écologiques auraient ainsi pu être évitées, la plus célèbre et la plus récente étant la catastrophe nucléaire de Fukushima au Japon en 2011 provoquée par l'explosion d'un réacteur de la centrale suite à un séisme.

Si le séisme a lieu dans l'océan, celui-ci provoquera un tsunami qui pourra également être stoppé par les disques d'invisibilité. Le tsunami ne causera donc pas de dommages. Ainsi, les milliers de personnes du tsunami s’étant produit en Asie du Sud-Est en 2004 aurait pu être sauvées.

Comme nous l’avons vu précédemment, les disques d’invisibilité peuvent être construits avec d’autres matériaux, comme du plastique par exemple. Ce changement de matériau pourra permettre à cette application d’être très utilisée car elle plus efficace et moins chère que les immeubles anti-sismiques.

Elle serait donc à la portée de tous les pays, y compris les pays très pauvres et qui ont des risques sismiques parmi les plus importants comme Haïti qui en 2010, a été frappé par un séisme aux conséquences désastreuses.

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Présentation (réalisée par notre groupe) de l'impossible invisibilité de l'être-humain :

Embryon de souris normal à gauche et après macération dans une solution de Scale à droite.

Schéma de l'oeil :

Conclusion générale:

En conclusion, nous pouvons affirmer que le procédé d’invisibilité est sur le point de faire son entrée dans la vie de tous les jours et qu’il est déjà utilisé à des fins militaires afin par exemple de masquer des véhicules terrestres et aériens aux ondes radio.

En effet, dans une première partie, nous avons vu qu’il était impossible de rendre un humain en lui-même (toutes ces cellules et os) invisible à cause de la couleur du sang.

Dans une seconde partie, nous avons étudié le fonctionnement de l’oeil pour comprendre que ce que l’on voyait était la lumière et plus particulièrement les rayons lumineux. Nous en avons déduit qu’il suffirait de dévier les rayons lumineux autour d’un objet pour ensuite leur faire reprendre leur trajectoire d’origine afin de masquer l’objet à nos yeux.

Cela nous a amené à notre partie sur la réfraction qui nous a réappris qu’il était bel et bien possible de dévier les rayons lumineux et que seuls les métamatériaux pouvaient faire reprendre ensuite leur chemin original aux rayons électromagnétiques.

Cette capacité propre à ce type de matériaux rendent possible l’invisibilité par détournement d’ondes.

Enfin dans une dernière parties, nous avons vu que l’invisibilité était déjà utilisée pour masquer du matériel de guerre aux rayons radar ou aux caméra thermiques.

Le domaine de l’invisibilité est donc un domaine de recherche très si ce n’est extrêmement prometteur, en témoigne par ailleurs le milliard de dollars de subvention accordé aux chercheurs pour approfondir leur recherches à ce sujet.

Observons désormais le principe sur lequel sont fondés les métamatériaux, avec une expérience consistant à modéliser le détournement d'un rayon lumineux grâce à des miroirs.

Hypothèse: Nous pensons qu’il est possible de détourner le rayon lumineux d’un laser grâce à des miroirs, tout en le faisant atteindre le même point que si sa direction avait été rectiligne.

Matériel: 4 miroirs, un laser, un carton (écran), livres (pour surélever), pot de fleurs (obstacle)

Protocole expérimental:

Nous avons en premier placé notre laser, et avons observé sa

direction jusqu’à ce qu’il rencontre l’écran. Nous avons placé

entre les deux un pot de fleurs faisant office d’obstacle à ce rayon.

Ensuite, nous avons placé le premier miroir, avec une orientation

d’environ 45° par rapport à l’axe du laser, tout en vérifiant que le

rayon rencontre bien la surface du miroir.
Puis nous avons placé le 2nd miroir parallèlement au premier, sur

sa gauche, en vérifiant si le rayon traversait ce 2eme miroir.
Ensuite, nous avons placé le 3ème miroir perpendiculairement

à la direction du 2nd mais de manière rectiligne. Il a fallut surélever

avec quelques livres ce 3eme car le rayon lumineux passait

au-dessusde celui-ci, nous pensons que cela est du à une surface

non plane surlaquelle nous réalisions cette expérience, et

également aux miroirs dont la base n’était aussi pas exactement

lisse. Il fallait encore vérifier que le rayon traversait ce 3eme miroir.

Enfin, nous avons placé un 4ème et dernier miroir, parallèlement

au 3ème et sur sa droite (dans le même axe que le 1er, que le pot de fleur et que du laser). Il a fallut le surélever également, et vérifier que le rayon lumineux passait par celui-ci.

Observations et résultats:

Nous observons que le rayon frappe l’écran placé de l’autre côté de l’obstacle en gardant sa direction originelle.
En revanche, le point d’arrivée du rayon dévié se situe plus haut que lorsque le laser pointe directement l’écran, sans être dévié.
Malgré les conditions de l'expérience, nous avons donc réussi à schématiser le fonctionnement des métamatériaux qui dévient d'abord les rayons lumineux puis les redévient dans l'autre sens afin de leur faire reprendre leur direction originelle.

Ceci est du au fait que la différence de niveau entre la table et le laser s'accentue au fur et à mesure des miroirs.

Nous pouvons donc en conclure qu’une suite de miroirs fonctionne sur le même principe que les métamatériaux.

Observations suite à l'expérience :

Simulation de l'eau épousant la forme d'une pierre pour reprendre ensuite sa direction originelle :

Introduction:

L’invisibilité est définie par le fait qu'un objet ou un organisme ne peut être vu.
Depuis toujours, l'invisibilité représente pour l'homme un rêve, un objectif en quelque sorte qui pourrait avoir des applications énormes dans le futur.
Ainsi, des réalisateurs représentent l’invisibilité dans des films comme Harry Potter.. L’invisibilité relève donc plus de la fiction que de la réalité dans l'imaginaire collectif.
Mais cela est-il vrai ? Et ou en sont les recherches sur ce sujet ? Pour le savoir, nous avons décidé de choisir pour problématique: peut-on espérer que l’invisibilité s'intègre à nos vies dans un futur proche ?
Pour répondre à cette problématique, notre projet, alliant la svt et la physique, se décomposera en 5 parties. Tout d'abord, nous vous présenterons notre production. Puis, nous verrons si l'on peut rendre l'homme en lui-même invisible. Ensuite nous verrons les caractéristiques la vision humaine. Après cela, nous ferons une partie sur la réfraction contenant nos 2 expériences. Enfin, nous finirons les différentes applications de l'invisibilité.

Rappel concernant les longueurs d'ondes :