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Les applications de la fluorescence se rencontrent tous les jours dans notre quotidien : des lessives aux gilets jaunes en passant par les billets de banque. Cette spectroscopie optique est également un outil d'analyse très sensible permettant le dosage de divers polluants de l'environnement ou encore de substances biologiques à caractère clinique. C'est également une technique de choix pour comprendre à l'échelle moléculaire les différents rouages de la machinerie cellulaire. Couplée à l'imagerie, de nombreuses méthodes non invasives à visée de diagnostic ou de thérapies sont développées dont la détection de tumeurs dans les organismes. Les protéines fluorescentes, sondes fluorescentes codées génétiquement et biocompatibles, ont révolutionné le monde des sciences biomédicales. Aujourd’hui il est crucial d’élaborer des protéines fluorescentes robustes et performantes impliquant la mise en oeuvre d’approches diverses, comme la RMN, les simulations de dynamiques moléculaires, la fluorescence, etc pour comprendre finement la relation entre leur structure, leur dynamique et leur fluorescence. Plus généralement, ces approches spectroscopiques et thériques permettent de sonder la structure des molécules biologiques à l’échelle de l’atome avec des applications directes en développement de médicaments et en biotechnologie.

La chimie a transformé complètement le monde dans lequel nous vivons. Cependant, les progrès considérables qu’elle a permis s’accompagnent d’une consommation considérable d’énergie et de la production de produits indésirables qui polluent l’environnement. Pour résoudre ces problèmes sociétaux de première importance, il devient
vital d’imaginer une chimie travaillant à un niveau plus précis et moins consommatrice en énergie. Il s’agira de sensibiliser les étudiants à l’importance et aux avantages de l’utilisation systématique des propriétés quantiques pour créer une chimie beaucoup plus efficace travaillant au niveau le plus élémentaire des processus moléculaires. Cette nouvelle chimie est directement liée aux développements d’outils expérimentaux de pointe: lasers ultrarapides permettant de suivre et guider les processus chimiques en temps réel (mouvement des noyaux et maintenant des électrons) et spectroscopie moléculaire de très haute résolution. La nature utilise déjà ces phénomènes quantiques pour optimiser des processus biologiques fondamentaux (processus de vision ou de photosynthèse par exemple).

La conversion de l’énergie solaire en énergie chimique par la photosynthèse des plantes et des algues se produit en une vingtaine de picosecondes et implique de nombreux transferts d’énergie d’excitation et d’électrons. Au cours des vingt dernières années, notre compréhension des phénomènes physico-chimiques qui assurent à ce processus un rendement quantique proche de l’unité ont énormément progressé, en s’appuyant sur des techniques d’investigations spectroscopiques de plus en plus avancées. Nous montrerons comment le panachage d’approches de biologie classique et d’investigations de physique moléculaire poussées a permis ces avancées et comment elles sont transférées aujourd’hui à des approches biomimétiques de photosynthèse artificielle, particulièrement prometteuses pour remplacer l’utilisation de combustibles fossiles et diminuer les émissions de gaz à effet de serre.

La matière interstellaire constitue la majorité de la matière de notre Galaxie, la Voie Lactée. Le milieu interstellaire est un laboratoire physico-chimique où l'on rencontre des conditions extrêmes en températures, faibles densités et exposition au rayonnement. Il s’agit de montrer comment des avancées obtenues durant les quarante dernières années en matière d’observation astronomique et d’exploration spatiale d’un côté, et d’expérimentation en laboratoire et de techniques d’analyses physico-chimiques de l’autre, ont beaucoup fait évoluer nos connaissances sur la composition du milieu interstellaire et sur l’histoire de la matière dans le Système solaire, et posent des problématiques scientifiques complexes et des voies de recherches nouvelles pour lesquelles les compétences interdisciplinaires de physico-chimistes sont essentielles.

L'étude physicochimique de matériaux archéologiques, des musées et d’histoire naturelle est au coeur de travaux
visant à documenter l’histoire matérielle des sociétés et des productions humaines (matériaux métalliques archéologiques, pigments, céramique, verres, textiles, etc…), ainsi que les processus conduisant à l’évolution de ces vestiges aux temps longs, de leur milieu d’enfouissement jusqu’à celui de leur exposition ou de leur conservation. L’étude de tels matériaux, hétérogènes et altérés, requiert la mise en place de protocoles analytiques complexes multi-échelle intégrant techniques portables, instruments de laboratoire et grands instruments (microscopies, spectroscopies, imagerie spectrale), pour en extraire le maximum d’information, tout en minimisant leur altération.