Microscope à force atomique - Définition et Explications

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Le microscope à force atomique (ou AFM pour atomic force microscope) est un dérivé du microscope à effet tunnel (ou Scanning Tunneling Microscope, STM), qui peut servir à visualiser la topologie de la surface d'un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...) ne conduisant pas l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...). Le principe se base sur les interactions entre l'échantillon et une pointe montée sur un microlevier. La pointe balaie (scanne) la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) à représenter, et l'on agit sur sa hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) selon un paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte...) de rétroaction. Un ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant...) enregistre cette hauteur et peut ainsi reconstituer une image de la surface.

La différence entre l'AFM et le STM réside dans la mesure prise en compte pour la rétroaction utilisée : le STM utilise le courant tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de...), l'AFM utilise la déviation du levier, c’est-à-dire indirectement les forces d'interactions entre la pointe et la surface.

Interactions et modes d'utilisation

Les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) ont souvent tendance à s'attirer ; lorsque l'affinité des atomes est grande, ils se lient pour former une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) ou un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que...), mais dans la plupart des cas, cette attraction est très faible et n'est perceptible qu'à très faible distance (il s'agit de force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) de Van der Waals). À l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...), lorsqu'ils sont très proches, les atomes se repoussent du fait de la soumission des électrons du cortège électronique au principe d'exclusion de Pauli. Il y a donc une sorte de " distance d'équilibre " : si les atomes s'éloignent, une force les rappelle, et s'ils se rapprochent, une force les repousse.

On utilise donc cette attraction/répulsion entre les atomes surfaciques et la pointe sondeuse. La pointe est montée sur un levier très flexible ; la mesure de la flexion du levier (dans un sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) ou dans l'autre) donne une mesure directe de la force d'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) entre la surface sondée et la pointe.

Il existe en fait trois modes d'utilisation de l'AFM : le mode contact, le mode non-contact, et enfin le mode contact intermittent.

  • Le mode contact consiste à utiliser les forces répulsives : la pointe appuie sur la surface, elle est donc repoussée du fait du principe de Pauli, et le levier est dévié. La rétroaction s'effectue sur la mesure de la direction de la déviation.
  • Le mode contact intermittent, de loin le plus utilisé, consiste à faire vibrer le levier à sa fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) propre de résonance (La résonance est un phénomène selon lequel certains systèmes physiques...) (typiquement de l'ordre de la centaine de kHz), avec une certaine amplitude (Dans cette simple équation d’onde :). Quand la pointe interagit avec la surface (essentiellement de façon répulsive), l'amplitude décroît (parce que la fréquence de résonance change). La rétroaction se fait alors sur l'amplitude d'oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à...) du levier.
  • Le mode non-contact utilise, lui, les forces attractives. Difficile à gérer, il est très peu utilisé en pratique, parce que ces forces sont faibles, et nécessitent un environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) à faible bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....). Par ailleurs, la couche d'adsorbats (toute surface à l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) ambiant est recouverte d'une couche de l'ordre du nm d'épaisseur d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) et de divers polluants) vient largement affecter les mesures - le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) est plus que conseillé pour obtenir une résolution suffisante en pratique. La rétroaction s'effectue soit sur la déviation, mais bien évidemment il s'agit d'une déviation du levier qui va dans l'autre sens que dans le cas du mode contact, soit sur l'amplitude des oscillations.

Mesure de la déviation du levier

Il existe plusieurs façons de mesurer la déviation du levier. La plus courante, et de loin, est la mesure via réflexion d'un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...).

Principe de fonctionnement d'un microscope à force atomique
Principe de fonctionnement d'un microscope à force atomique (Le microscope à force atomique (ou AFM pour atomic force microscope) est un dérivé du microscope...)

La pointe est alors montée sur un levier réfléchissant. Un rayon laser se réfléchit sur le levier. Si le rayon laser dévie, c'est que le levier s'est infléchi (dans un sens ou dans l'autre), et donc est révélateur des forces d'interactions entre la pointe et la surface. La mesure de la déviation de la pointe passe donc par celle de la position du faisceau laser réfléchi, ce qui s'effectue au moyen d'un quadrant (En géométrie euclidienne : quart de la circonférence du cercle (lui-même divisé en 100...) de photodiodes - c’est-à-dire une photodiode (Une photodiode est un composant semi-conducteur ayant la capacité de détecter un rayonnement du...) circulaire divisée en quatre parts égales, selon deux diamètres.

Quand le faisceau n'est pas dévié, il frappe au centre du quadrant, et donc illumine également les 4 photodiodes. Si le faisceau laser vient à être dévié vers le haut, les deux photodiodes du haut recevront plus de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) que celles du bas, et il apparait donc une différence de tension (La tension est une force d'extension.). C'est cette différence de tension que l'on utilise pour la rétroaction.

D'autres moyens de mesure de déviation du levier comprennent une mesure de capacité, un STM qui détecte la position du levier, etc.

L'intérêt de la mesure par laser est essentiellement la facilité de mise en œuvre, mais elle permet aussi d'accéder à une mesure secondaire (En mathématiques, la mesure secondaire associée à une mesure de densité...) qui est celle de la friction. En effet, la pointe balaie la surface à une certaine vitesse ; à partir du moment où elle est en contact, ceci génère des frottements, et donc infléchit le levier autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de son axe. Cette déviation implique une différence de tension non plus entre le haut et le bas du quadrant, mais entre la droite et la gauche. On peut ainsi avoir accès aux forces de frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre...) existant entre la pointe et la surface, et donc de façon qualitative à la nature chimique de la surface.

Résolution

La résolution de l'appareil correspond essentiellement à la dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une...) du sommet de la pointe (on parle de rayon de courbure). Mis à part le mode non-contact, dont on a déjà souligné la difficulté de mise en pratique, l'AFM utilise des forces répulsives, c’est-à-dire du contact. Il en résulte que les pointes trop fines s'usent rapidement - sans compter la détérioration de la surface ! C'est là tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) l'intérêt du mode " tapping " : puisque le contact est intermittent, les pointes s'usent bien moins vite, et on peut donc utiliser des pointes très fines (de l'ordre d'une dizaine de nm).

La résolution latérale est donc de l'ordre de la dizaine de nanomètres, mais la résolution verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le...) est par contre de l'ordre de l'ångström : on peut aisément visualiser des marches atomiques sur une surface propre.

Enfin, la surface visualisable dépend de la céramique (Premier « art du feu » à apparaître (avant la métallurgie et le travail du verre),...) piézoélectrique utilisée, et peut aller de la centaine de nanomètres à environ 150 micromètres.

Applications

Le microscope à force atomique devient l'un des appareils fondamentaux pour les recherches tribologiques ; voir à ce sujet le wikilivre de tribologie et plus spécialement le chapitre consacré à la genèse des frottements.

Le microscope à force atomique est également utilisé en biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant....). L'une des applications les plus fascinantes dans ce domaine est l'étude in vitro (In vitro (en latin : « dans le verre ») signifie un test en tube, ou, plus...) de l'ADN et des interactions ADN-protéines. L'AFM permet en effet d'observer à l'air ambiant ou même en milieu liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) les molécules individuelles absorbées sur une surface, avec une résolution nanométrique. Le mode contact intermittent est à la fois suffisamment doux avec la surface de l'échantillon et suffisamment sensible pour que l'ADN et les protéines soient observés sans être détériorés par la pointe AFM lors du balayage. La surface sur laquelle les molécules sont déposées est en général le mica, car il est facile d'obtenir avec ce matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) une surface plane (La plane est un outil pour le travail du bois. Elle est composée d'une lame semblable à celle...) et propre à l'échelle atomique. La force d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise...) de l'ADN et des protéines sur le mica dépend principalement de la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) de la surface et des concentrations en ions dans la solution de dépôt. Pour l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) à l'air ambiant les molécules doivent être complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou...) immobilisées sur la surface. Il est possible de cartographier la position des protéines le long des molécules d'ADN, mais également de caractériser les variations de conformation (En chimie, la conformation d'une molécule est l'arrangement spatial des atomes qui la composent....) de l'ADN, soit intrinsèques à sa séquence soit induites par la liaison des protéines. Pour l'observation en milieu liquide, un compromis est nécessaire : les molécules doivent à la fois être suffisamment adsorbées sur la surface pour ne pas être emmenées par la pointe de l'AFM lors du balayage, et rester suffisamment mobiles pour qu'il soit possible de suivre des interactions au cours du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...). La résolution temporelle dans ces expériences est de l'ordre de quelques secondes avec les AFMs actuels.

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