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Photo Mystérieuse

Que représente
cette image ?
Posté par Publication le 28/08/2005 à 00:38
Comment observer la structure de la matière en trois dimensions ?
Par quels moyens, par quels procédés recueillons-nous des connaissances sur la structure de la matière ? Est-il possible d'observer la structure interne de la matière en trois dimensions, comment et dans quelle mesure ? Ces questions sont cruciales pour obtenir une représentation de la matière condensée (matériaux solides et liquides) qui s'approche au plus près de la vérité.

En ce qui concerne la première question, il est important de prendre conscience que toute connaissance sur la structure de la matière est une information livrée par la matière lorsqu'on lui envoie un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes...) et qu'elle répond. Ce signal est un faisceau d'ondes, par exemple électromagnétiques. Ce signal est neutre et la matière le façonne de ses caractéristiques propres. C'est exactement le même processus qu'un courrier. On lui envoie une lettre blanche, et elle inscrit un message (La théorie de l'information fut mise au point pour déterminer mathématiquement le taux d’information transmis dans la communication d’un message par un canal de communication,...). Il est crucial de noter que ce message ne peut exister sans un support, le papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se présente sous forme de feuilles minces et est considéré comme un...) sur lequel on écrit par exemple. Et bien entendu, le support conditionne le type de message qu'on peut recevoir. Sur une lettre, il n'y aura pas de message vocal. Pour une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) électromagnétique, la matière modulera cette onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) et délivrera les messages qui correspondent à la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...) d'onde du support. Autrement dit, le message ne nous renseignera que sur un aspect limité de la matière.

La représentation que nous avons de la matière est issue des signaux fournis par des spectroscopes de types divers et des microscopes. Spectroscopes et microscopes projettent des rayonnements sur la matière et recueillent les signaux qu'elle renvoie ou laisse passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.). Les microscopes, qu'ils soient optiques (à lumière), électroniques ou à champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) proche, ont l'avantage d'avoir un système qui permet de reconstituer une image visuelle. Bien que l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens...) directe à l'oeil soit déjà un phénomène admirable, elle est restreinte à des échelles en rapport avec la mesure humaine. On est limité vers l'infiniment grand, et on fera appel alors aux télescopes. On est limité vers l'infiniment petit, car les détails qu'on peut distinguer à l'oeil nu (c'est-à-dire le pouvoir séparateur ou résolution de l'oeil) ont des dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son...) supérieures à quelques dizaines de micromètres, unité qui vaut un millième de millimètre. On s'aide alors d'instruments d'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit par impression...), tels que les microscopes.

Cependant ces images ne donnent généralement qu'une vision en deux dimensions. Par exemple, le microscope optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) est bien connu puisqu'il fait partie de la panoplie des appareils de laboratoire de sciences du vivant dans les collèges et lycées. Grâce à lui, il est possible d'obtenir des images agrandies d'objets sur des coupes extrêmement fines, donc en deux dimensions. Même si la coupe est assez épaisse, le microscope a une profondeur de champ extrêmement réduite, ce qui signifie qu'on ne peut mettre au point (Graphie) l'image que sur une faible profondeur à la fois. La manière d'obtenir des informations en trois dimensions est de faire des tranches successives de matière dans le même morceau, et d'assembler ces informations en les recalant les unes par rapport aux autres.

Évidemment, la lumière ne peut pénétrer dans la matière et en faire des images que si cette matière est transparente, ce qui est le cas pour les tissus biologiques en tranches fines. La lumière ne traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et...) pas les matières opaques, par définition de l'opacité. On peut faire appel aux faisceaux électroniques des microscopes électroniques en transmission qui donnent des belles images des structures cristallines des métaux et céramiques. Mais les tranches de matière que les électrons peuvent traverser en étant susceptibles de former une image sont encore plus minces que pour le microscope optique. Les microscopes électroniques à balayage ne sont pas embarrassés de cet inconvénient et, de plus, ils bénéficient d'une excellente profondeur de champ. Malheureusement, ils ne permettent d'observer que des surfaces, soit des surfaces naturelles, soit des surfaces de fracture (En traumatologie, le terme de fracture désigne par définition une solution de continuité osseuse ("rupture" des os).) (voir des explications plus détaillées dans le livre "Voyage (Un voyage est un déplacement effectué vers un point plus ou moins éloigné dans un but personnel (tourisme) ou professionnel...) au coeur de la matière plastique", chapitre "Le regard des microscopes", cité en fin de cet article).

Il faut des rayonnements comme les rayons X pour traverser des matières sur de grandes profondeurs, comme on le constate pour les radiographies effectuées sur les sacs et valises par les appareils de contrôle dans les aérogares. L'image est ici la projection (La projection cartographique est un ensemble de techniques permettant de représenter la surface de la Terre dans son ensemble ou en partie sur la surface plane d'une...) à deux dimensions de l'ombre (Une ombre est une zone sombre créée par l'interposition d'un objet opaque (ou seulement partiellement opaque) entre une source de lumière et la surface sur laquelle se...) des objets à l'intérieur de la valise, dont le mécanisme de formation est basé sur l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre...) plus ou moins importante des rayons en fonction de la nature et de l'épaisseur de la matière traversée.

A cause de ces limitations, le microscope confocal qui fournit directement des images en trois dimensions est un appareil précieux. Il est décrit en détail plus loin. Bien évidemment, il a ses propres limites, car étant une adaptation d'un microscope optique, il ne permet d'observer que de la matière transparente ou des surfaces. Il est généralement associé à la microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des...) à fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que la chaleur. (on parle parfois de « lumière froide »)....), grâce à laquelle il a de nombreuses applications en biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de l'histoire naturelle des...). C'est ainsi qu'il fournit des images en trois dimensions des réseaux et structures internes des cellules. Mais il est également avantageux dans le domaine des sciences de la matière, en fluorescence ou pas, comme je vais le rapporter ici, essentiellement au travers de mon expérience sur les polymères.
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