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«Sauter le pas et essayer»
Dehors, le temps est couvert, des nuages gris recouvrent le ciel. Un vent violent souffle sur l'asphalte, fouettant les branches des arbres et des arbustes et faisant tomber de grosses gouttes de pluie partout. Nadia Shardt, arborant une queue de cheval brune et toute vêtue de noir, sauf un masque bleu pâle, attend à l'entrée du bâtiment du CHN abritant l'Institut des sciences atmosphériques et climatiques. C'est là que la Canadienne de 27 ans mène ses recherches au sein du groupe de physique atmosphérique de la professeure Ulrike Lohmann.
Un nuage à partir d'une puce
Il n'y a que quelques pas jusqu'au laboratoire de Nadia Shardt au rez-de-chaussée. Les stores sont fermés, bloquant le mauvais temps à l'extérieur. Malgré cela, les nuages et la pluie dominent les activités à l'intérieur: Nadia Shardt étudie comment les gouttelettes d'eau forment de la glace dans les nuages.
En collaboration avec Florin Isenrich, un doctorant de l'Institut d'ingénierie chimique et biologique, Nadia Shardt a mis au point un nouvel appareil pour étudier ce phénomène, baptisé Cloud from a Chip. Nadia Shardt est impatiente de montrer le fonctionnement de son invention. Extérieurement, l'appareil ressemble à une lame de microscope épaisse, c'est-à-dire une plaque de verre pour la microscopie qui tient facilement dans la paume de la main. À l'intérieur, un minuscule système de passages sinueux produit des gouttelettes d'eau d'un diamètre d'environ 75 micromètres. C'est à peu près l'épaisseur d'un cheveu humain – et proche du diamètre des gouttelettes d'eau dans les nuages.
Eau surfondue
Les minuscules gouttelettes sont noyées dans l'huile et alignées les unes derrière les autres en une rangée. Nadia Shardt guide l'ensemble de l'émulsion eau dans l'huile dans un fin tube en plastique. Disposés en parallèle, ces tubes forment une sorte de mini nuage artificiel. La chercheuse peut abaisser progressivement la température du nuage à l'aide d'une unité de refroidissement qu'elle a également développée elle-même. «À cette taille, les gouttelettes d'eau pure ne se transforment en glace qu'à environ moins 35 degrés Celsius», explique-t-elle. Bien qu'elles soient littéralement glacées au préalable, elles ne se cristallisent pas réellement. Le terme technique pour ce processus est la surfusion.
Dans le champ de vision noir du microscope, Nadia Shardt peut observer environ 300 gouttelettes qui gèlent en même temps. Une caméra prend des images en continu. «Lorsque les cristaux de glace se forment, ils apparaissent comme des points blancs», explique l'ingénieure chimiste. Le processus de dépistage n'est pour l'instant que semi-automatisé et la qualité des images peut encore être améliorée, mais l'approche expérimentale de base fonctionne : «Les résultats concordent avec ceux d'études antérieures», déclare-t-elle.
Une expérience amusante
«Développer un appareil entier à partir de rien a été une expérience brillante», déclare la scientifique. «Je n'aurais jamais imaginé que je mettrais réellement en pratique une si grande partie de ce que j'ai appris pendant mes études d'ingénierie chimique.»
Nadia Shardt s'est spécialisée en thermodynamique dans le cadre de son doctorat. Elle s'intéresse particulièrement aux transitions de phase. Sa thèse de doctorat portait sur des problèmes théoriques et des données issues de la littérature. Désireuse d'élargir ses horizons, elle a alors décidé de se familiariser avec l'aspect expérimental de la recherche et de «développer des expériences et générer des données par elle-même».
Pertinent pour le climat
C'est ce qu'elle fait avec le nouvel appareil. «Je m'intéresse à la manière exacte dont les différentes particules de poussière présentes dans l'atmosphère affectent la formation de glace dans les nuages.» Les particules de poussière agissent comme des noyaux de cristallisation qui déclenchent la formation de cristaux de glace. La scientifique prévoit donc des expériences dans lesquelles elle mélangera des poussières minérales, comme des silicates, avec les gouttelettes d'eau – d'abord individuellement, puis dans des mélanges clairement définis. Ses résultats devraient contribuer à améliorer les modèles climatiques et permettre ainsi des prévisions plus précises. «Il s'agit peut-être d'un détail minuscule, explique la postdoc, mais néanmoins très important.»
Dans l'atmosphère, la transition de l'eau à la glace sur les noyaux de cristallisation se produit à des altitudes basses à moyennes lorsque les températures sont inférieures à zéro. Ce processus est pertinent pour la météo et le climat, car: «La formation de glace modifie les propriétés des nuages. Par exemple, la quantité de lumière solaire qu'ils laissent passer ou la quantité de rayonnement thermique qu'ils retiennent de la surface de la Terre», explique Nadia Shardt. «Ou encore leur propension à produire des précipitations.»
Une vue céleste
Nous poursuivons l'entretien au dernier étage du bâtiment. La vue depuis la salle de conférence est spectaculaire, elle s'étend au-delà du bâtiment principal de l'ETH Zurich, sur l'ensemble de la ville, jusqu'au lac et aux Alpes au loin. Le ciel, qui semble large et haut d'ici, est depuis devenu à moitié bleu, et les nuages sont blancs, duveteux et sereins.
«Parfois, je monte ici pour admirer la vue, car elle m'inspire de nouvelles idées», explique Nadia Shardt. Elle est fascinée par les paysages et les éléments, qu'elle aime photographier pendant son temps libre: elle a récemment pris une image en accéléré de l'Üetliberg, l'emblème de la ville, enveloppé de nuages. J'aime explorer les choses du quotidien», dit-elle.
Saisir les opportunités
Au cours de sa licence, l'ingénieure chimiste a réalisé qu'elle s'intéressait à la recherche. Janet Elliott, qui a ensuite été sa directrice de thèse, lui a donné l'occasion de participer très tôt à un projet de recherche. Celui-ci portait également sur la formation de la glace, mais dans un contexte très différent: Nadia Shardt faisait partie d'une équipe interdisciplinaire qui cherchait à savoir comment empêcher la formation de glace dans les tissus de transplantation congelés. Elle a eu l'occasion de publier les résultats et de les présenter lors d'une conférence. Au cours de la deuxième année de ses études doctorales, elle a également eu la chance d'enseigner à des étudiant·es plus jeunes, ce qui n'est pas une pratique courante au Canada. Elle a toujours été ouverte à de tels défis. Sa devise est la suivante: «Sauter et y allez – et voir ce que ça donne.»
Son intérêt pour la physique atmosphérique a été initialement alimenté par une conférence à laquelle elle a assisté pendant ses études de doctorat à l'Université d'Alberta, au Canada. «J'ai pensé que ce serait un sujet intéressant pour mon post-doctorat», se souvient Nadia Shardt. Et une bonne occasion d'appliquer ses connaissances spécialisées en thermodynamique. Elle a découvert que l'ETH Zurich était pionnière dans ce domaine et a contacté Ulrike Lohmann pour «voir ce qui était possible». Et cela a porté ses fruits: son postdoctorat a été financé par les fonds propres du groupe de recherche, une subvention du CRSNG canadien et une bourse de l'ETH Zurich.
Le but ultime: une chaire de professeure
L'objectif de Nadia Shardt est d'obtenir un poste de professeure, et plus particulièrement un poste qui lui permette «d'appliquer la thermodynamique à des systèmes pertinents». Elle souhaite continuer à se concentrer sur les systèmes atmosphériques. «Plus nous comprenons ce qui se passe dans l'atmosphère, mieux nous pouvons prévoir le temps qu'il fera – et donc aussi prendre des décisions plus éclairées et trouver de meilleures solutions», dit-elle. Et elle est impatiente de jouer son rôle dans ce domaine.
Comme pour souligner la pertinence de la recherche sur l'atmosphère et le climat, le temps a encore changé à la fin de l'entretien: la vue magnifique a presque disparu. Le vent et la pluie fouettent les fenêtres de la salle de réunion. On a l'impression de regarder dans une gigantesque machine à laver. Mais aussi vite que la pluie a commencé, elle s'arrête soudainement. Lorsque nous atteignons la sortie du bâtiment, le ciel est à nouveau bleu.