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Posté par Michel le Jeudi 01/12/2011 à 00:00
Une nouvelle technique pour voir les cristaux comme jamais
Une équipe européenne menée par des chercheurs de l'Institut Fresnel (CNRS/Universités Aix-Marseille 1 et 3/Ecole centrale de Marseille) et de l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) à Grenoble vient de mettre au point une nouvelle technique permettant de voir la structure nanométrique, jusque-là inaccessible, des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) cristallins (1). Grâce à un faisceau microscopique de rayons X, cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) révèle en 3D et en haute résolution des plages très étendues de l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) analysé. De quoi révolutionner la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) dans diverses disciplines où l'on étudie des structures cristallines complexes, comme les sciences du vivant ou la microélectronique. Cette méthode fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il...) d'une publication dans la revue Nature Communications du mardi 29 novembre.

Jusqu'ici, il existait deux techniques pour analyser de près les matériaux cristallins contenant des imperfections, avec chacune leurs limites. D'un côté, la "diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être...) des rayons X" classique (2), qui permet d'acquérir, en 2D et sans abîmer l'échantillon, des informations sur les défauts de régularité dans l'échantillon, mais avec une résolution limitée de l'ordre du micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.) (10-6 m). Et de l'autre côté, 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...) électronique en transmission (MET) dotée d'une bien meilleure résolution (10-10 m), fournissant une "vraie" image du cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale...), mais destructive.

La technique développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales...) par Virginie Chamard, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) à l'institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Fresnel et ses collègues surmonte les limitations de ces deux méthodes en cumulant leurs avantages: elle produit des images 3D haute résolution - de quelques dizaines de nanomètres (10-9 m) -, sans détruire l'échantillon, et apporte autant d'informations que la diffraction classique des rayons X. De plus, elle permet d'analyser des régions très étendues, potentiellement infinies. Concrètement, cette nouvelle technique consiste à focaliser, sur l'échantillon à analyser, un faisceau de rayons X microscopique, produit par un synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) (3). Dans ces travaux, les chercheurs ont utilisé le synchrotron européen (ESRF) de Grenoble. Pendant que le faisceau balaie l'échantillon, un détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été spécifiquement conçu.) capte l'intensité des rayons X "diffractés" (déviés) par l'échantillon et permet, ainsi, d'acquérir une série de "clichés de diffraction". Ceux-ci sont ensuite traités par un algorithme, qui produit une image 3D de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme...) de l'échantillon avec des détails plus petits que la largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane, la largeur est la plus petite des deux mesures d'un rectangle, l'autre...) du faisceau.


ptychographie

Les bases de cette technique dite "ptychographie" ont été imaginées en 1969 par le physicien allemand Walter Hoppe. Celui-ci y songea dans un autre but: améliorer la résolution du microscope électronique. Virginie Chamard et son équipe ont dû les adapter à l'imagerie des cristaux. Un travail qui a nécessité trois ans.

Mettre au point (Graphie) un tel procédé était crucial pour relever plusieurs grands défis tant scientifiques que technologiques comme par exemple comprendre la croissance des coquillages, contrôler les propriétés optiques des semi-conducteurs ou améliorer les performances électriques des métaux (les coquillages, les semi-conducteurs et les métaux étant des matériaux cristallins complexes).


Notes:

(1) Matériaux formés d'un arrangement (La notion d'arrangement est utilisée en probabilités, et notamment pour les dénombrements en analyse combinatoire.) d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué d'un...) ou de molécules répétitif dans les trois directions de l'espace.
(2) Technique qui mesure l'intensité d'un faisceau de rayons X dévié par l'échantillon.
(3) Source de rayons X extrêmement brillants, produit par des électrons circulant dans un accélérateur à haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.).


Référence:

Three-dimensional high-resolution quantitative microscopy of extended crystals, P. Godard et col., Nature Communications, 29 novembre 2011


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Source: CNRS
Illustration: Nature Communications