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Les nouveaux territoires de la microscopie

Les nouveaux territoires de la microscopie

29.06.2020, par
Nanomax est le premier microscope permettant d'apporter de la matière in situ par faisceaux et d'observer et caractériser la croissance de nano-objets à l'échelle atomique.
Observer en direct la croissance d'un échantillon à l'échelle atomique ou scruter les propriétés de la matière à de très petites échelles de temps et d'espace... c'est désormais possible grâce à de nouveaux instruments tels ceux qui équipent la plateforme de microscopie Tempos.

Atome après atome, couche après couche... autour du microscope, des scientifiques assistent en temps réel à la formation d’un nanofil. Cette prouesse technologique n’était qu’un rêve de chercheurs il y a encore quelques années. Elle est aujourd’hui le quotidien des utilisateurs du microscope Nanomax, un instrument unique au monde, pilier de la plateforme de microscopie Tempos, inaugurée en décembre 2018 au cœur du campus Paris-Saclay. Pour autant, il ne s’agit pas d’un exploit isolé. Ces dernières années, c’est toute la microscopie électronique qui est entrée dans une nouvelle ère.
 

Jusqu’à présent, nous pouvions observer un objet nanostructuré seulement lorsqu’il avait fini de croître. Avec Nanomax, nous observons des objets croître en temps réel, dans le microscope, ce qui remet en cause certaines hypothèses sur les mécanismes de croissance.

Elle a d’abord atteint un niveau de précision stupéfiant : avec une résolution spatiale de 0,1 nanomètre, elle permet de visualiser les atomes individuels, ou, pour des cristaux, les colonnes d’atomes parfaitement alignés les uns derrière les autres. Avec un tel niveau de détails, l’enjeu majeur n’était donc plus d’améliorer cette résolution mais de permettre un nouveau genre d’observations. Notamment en ajoutant un paramètre ô combien capital : le temps. Et de réaliser ce vieux rêve de savant : pouvoir faire directement des expériences sous le microscope, observer en direct un échantillon « en situation » et ses évolutions au fil du temps lorsque l’on change les conditions expérimentales. Ce faisant, ce sont autant de nouvelles fenêtres qui s’ouvrent pour la physique bien sûr mais également pour la chimie ou la biologie… et autant d’échanges inédits entre ces disciplines.

Avec cet eldorado scientifique en ligne de mire, de nouveaux instruments ont éclos, notamment au sein de plusieurs laboratoires français, ouvrant la voie à des expérimentations jusqu’ici impossibles. Symbole de cette nouvelle vague : l’Equipex Tempos. Dédiée à l’étude des mécanismes de croissance des nanomatériaux et à l’analyse de leurs propriétés physiques, cette plateforme est composée de trois équipements : Nanomax, spécialisé dans l’imagerie, Chromatem, spécialisé dans la spectroscopie, et Nanotem, plus généraliste : « Ces trois équipements sont installés dans trois laboratoires différents mais sont coordonnés. Nous essayons de faire des expériences complémentaires », explique Odile Stéphan, professeure à l’université Paris-Sud et chercheuse au Laboratoire de physique des solides (LPS)1 d’Orsay, qui coordonne cette plateforme. L’enjeu pour les scientifiques : faire le lien entre la structure des nanomatériaux et leurs propriétés si singulières.

L'échelle nanométrique en temps réel 

L’objectif de Nanomax est ainsi d’aller au-delà des expériences d'observation de nanomatériaux déjà formés. « Jusqu’à présent, nous pouvions observer un objet nanostructuré seulement lorsqu’il avait fini de croître. Avec Nanomax, nous observons des objets croître en temps réel, dans le microscope, ce qui remet en cause certaines hypothèses sur les mécanismes de croissance », explique Odile Stéphan. L’exploit de ce microscope est d’associer deux procédés a priori contradictoires : maintenir le vide nécessaire à la microscopie électronique tout en apportant de la matière au niveau du nano-objet pour le faire croître, en adaptant pour cela la chambre du microscope.

Croissance d’un nanofil d’arseniure de gallium catalysé par l’or.

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2020

Sous la direction de chercheurs du Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces2 et du Centre de nanosciences et nanotechnologies (C2N)3 à Palaiseau, Nanomax a récemment observé la croissance de nanofils d'arséniure de gallium, un semi-conducteur. Une croissance réalisée par jets moléculaires, technique dans laquelle les atomes sont injectés les uns après les autres sur un substrat. Une expérience unique dans un microscope électronique en transmission, même s’il faut noter qu’un premier microscope d’un genre similaire avait été utilisé plusieurs années avant, au laboratoire Matériaux : ingénierie et sciences4 de Lyon, sous l’impulsion de Thierry Épicier, directeur de recherche CNRS.

Pour appréhender la révolution que constituent ces premières expériences, comprendre le fonctionnement de ces nouveaux instruments est déterminant. Dans les microscopes électroniques en transmission, l’échantillon observé, qui doit être très mince, est traversé par un faisceau d’électrons. La détection de ces électrons après interaction avec l’échantillon permet d’en déduire l’aspect ou les caractéristiques. Problème : maintenir de bonnes performances nécessite de faire le vide à l’intérieur du microscope, ce qui empêche donc toute observation d'échantillons dans un environnement autre que le vide. « Il y a pourtant un réel besoin de caractériser les matériaux dans leur milieu d’application, dans des environnements réalistes », explique Damien Alloyeau, chargé de recherche au laboratoire Matériaux et phénomènes quantiques (MPQ)5. C’est sur la base de cette nécessité que la microscopie environnementale (ou in situ) a vu le jour. Elle permet d’immerger un échantillon dans un environnement liquide ou gazeux, et d'observer en temps réel des réactions à l’échelle nanométrique, tout en modifiant les conditions expérimentales. La microscopie électronique était inerte, elle devient dynamique.

Intérieur de la chambre objet du microscope Nanomax. Au centre, le porte-échantillon dans lequel est insérée une membrane chauffante, et de part et d'autre, deux pièces polaires coniques formant la lentille objectif du microscope.
Intérieur de la chambre objet du microscope Nanomax. Au centre, le porte-échantillon dans lequel est insérée une membrane chauffante, et de part et d'autre, deux pièces polaires coniques formant la lentille objectif du microscope.

Les promesses de la microscopie environnementale

C’est dans la fraîcheur des sous-sols de l'université Paris Diderot, au sein du MPQ, qu’a été implémentée pour la première fois en France la microscopie environnementale utilisant des cellules dédiées. Le principe : encapsuler l'échantillon entre deux membranes de nitrure de silicium, de façon à le séparer du vide du microscope. Ces membranes, très fines, sont transparentes au faisceau d'électrons. Les chercheurs peuvent à tout moment y injecter n’importe quel type de gaz ou de liquide, changeant ainsi les conditions environnementales au cours même de l'observation. « Nous pouvons ainsi suivre la dynamique de nano-objets dans des environnements de composition et de température contrôlés. C’est un véritable bouleversement car cela nous permet d'aborder de nouveaux problèmes relevant de la dynamique des matériaux dans des environnements réalistes, chose qu’on ne pouvait pas faire avant à cause du vide que nécessite la chambre du microscope », explique Christian Ricolleau, professeur au MPQ.

Les scientifiques ont donc ici un moyen unique de suivre à l'échelle nanométrique les réactions chimiques ayant lieu aux interfaces solide-gaz ou solide-liquide. En milieu liquide, une des nombreuses expériences développées au MPQ consiste à étudier les mécanismes de corrosion des nanomatériaux, et leur devenir à long terme dans l’organisme. Pour cela, les chercheurs s’intéressent à la manière dont les nanomatériaux comme l'oxyde de fer, l’or et les nanotubes de carbone se dégradent, et à l’impact de cette dégradation sur les cellules du corps humain. « Ces réactions chimiques observées à l’échelle nanométrique grâce à la microscopie in situ permettent de donner une idée de ce qui arrive aux nanomatériaux lorsqu’ils sont dans leur milieu d’application », complète Damien Alloyeau.
 

Vésicules extracellulaires recouvertes de nanoparticules d’or observées directement dans un milieu de culture cellulaire.
Vésicules extracellulaires recouvertes de nanoparticules d’or observées directement dans un milieu de culture cellulaire.

Terrain passionnant, les chercheurs peuvent également s’intéresser à des échantillons biologiques. Dans leur viseur : des vésicules extracellulaires, produites par n'importe quelle cellule et impliquées dans la communication des unes avec les autres. « Nous pouvons les observer directement dans le milieu liquide dans lequel elles évoluent, observer leur structure, les voir bouger », explique le chercheur. Mais attention, il n’est pas question ici d’observer de la matière vivante à proprement parler. « Le seuil d’irradiation du faisceau d’électrons est largement au-dessus du seuil létal pour les cellules », précise-t-il. Néanmoins, les chercheurs peuvent observer des réponses à des stimuli et constater certaines formes de dynamiques.

De nouvelles gammes spectrales pour sonder la matière

« Dans l'esprit de beaucoup de personnes, la microscopie électronique sert à faire des images. Mais ce n’est pas uniquement cela », souligne Odile Stéphan. En effet, la microscopie électronique s'oriente vers des mesures toujours plus complètes de propriétés physiques. Une manière de compléter les informations structurales acquises avec l’imagerie. C’est la raison d'être de Chromatem, l’instrument de l’Equipex Tempos dédié à la spectroscopie. Installé au cœur de la forêt d’Orsay, au sein du LPS, il sonde les propriétés de la matière avec une très grande résolution spectrale, égalée par seulement trois microscopes au monde. Ces nouvelles gammes spectrales visent à mieux comprendre les propriétés optiques, mécaniques et magnétiques de la matière. « Nous cherchons à sonder ces propriétés à des échelles extrêmement locales, dans des nanostructures par exemple. En effet lorsqu'on réduit les échelles de la matière, de nouvelles propriétés émergent, justement liées à ces petites dimensions », explique la chercheuse.

Analyse des résultats acquis par spectroscopie de pertes d'énergie des électrons sur le microscope Chromatem, qui permet de sonder localement la structure chimique, électronique et optique de nano-objets.
Analyse des résultats acquis par spectroscopie de pertes d'énergie des électrons sur le microscope Chromatem, qui permet de sonder localement la structure chimique, électronique et optique de nano-objets.

L’une des techniques mises en place est la spectroscopie de pertes d’énergie. Elle consiste à mesurer la perte d'énergie subie par un électron après avoir excité un matériau. Cette perte d’énergie est caractéristique de la nature des éléments chimiques présents dans le matériau. Lorsque le matériau excité se désexcite, il émet des photons. D'autres expériences consistent donc à mesurer la lumière émise par un nano-objet et voir si cette lumière est toujours de la même couleur. L'objectif : comprendre comment la lumière interagit avec la matière aux échelles nanométriques, et comment ses propriétés peuvent être contrôlées en changeant la structure des objets. Des observations fondamentales particulièrement utiles par exemple dans le domaine du photovoltaïque ou de l’optoélectronique. « À terme, nous voudrions également découvrir grâce à Chromatem les propriétés optiques des objets fabriqués dans Nanomax. La boucle serait ainsi bouclée ».

Au fameux faisceau d’électrons des microscopes peut parfois se substituer un faisceau d’ions. Tout comme les électrons ces ions peuvent servir à faire de l’imagerie, mais ils ont surtout une tout autre utilité. C’est le cas au C2N, où est hébergé Nanotem, l’équipement polyvalent de la plateforme Tempos. Sur l'un des deux instruments de Nanotem, un faisceau d'ions focalisés est utilisé pour découper les échantillons en très fines tranches, à la manière d'un laser, à l'intérieur même de la chambre du microscope et donc sous observation par imagerie électronique. L'utilisation du faisceau d'ions focalisés permet ainsi de préparer des échantillons pour tous les autres microscopes électroniques en transmission dans des conditions optimales.

Ouverture de l'enceinte du microscope à doubles faisceaux (ionique et électronique) Scios, dédié à la préparation d'échantillons ultra-minces pour les observations ultérieures en microscopie électronique en transmission (plateforme Nanotem du C2N).
Ouverture de l'enceinte du microscope à doubles faisceaux (ionique et électronique) Scios, dédié à la préparation d'échantillons ultra-minces pour les observations ultérieures en microscopie électronique en transmission (plateforme Nanotem du C2N).

Améliorer la résolution temporelle

Au Centre d’élaboration de matériaux et d’études structurales (Cemes) du CNRS à Toulouse, non loin du célèbre dôme d'argent qui renferme l’impressionnant générateur d’une puissance de 1,2 million de volts qui équipait un ancien microscope électronique, l’avenir du laboratoire est en train de s’écrire. Dans une salle entièrement plaquée de cuivre – prévention des perturbations électromagnétiques oblige –, un nouveau microscope a pris place, inauguré en septembre 2019. Aboutissement d’une longue relation entre le Cemes et l'entreprise japonaise Hitachi High-Technologies Corporation (HHT), il est le fruit d'un laboratoire commun, HC-IUMi (Hitachi CNRS Infrastructure for Ultrafast Microscopy), créé en 2018. Il s'agit d'un microscope électronique en transmission ultrarapide (Utem), capable de sonder la matière à de très petites échelles d'espace mais surtout de temps. Les chercheurs ont pour cela mis au point un canon à électrons capable d’émettre des impulsions d'électrons de quelques centaines de femtosecondes, à la manière d'un stroboscope.
 

Manipulation du premier prototype de microscope électronique en transmission ultrarapide (Utem) capable de scruter les propriétés de la matière à de très petites échelles de temps et d'espace.
Manipulation du premier prototype de microscope électronique en transmission ultrarapide (Utem) capable de scruter les propriétés de la matière à de très petites échelles de temps et d'espace.

« L’Utem offre tout ce que fait la microscopie électronique, mais découpé dans le temps. C’est absolument colossal. La dernière grande révolution a été l’amélioration de la résolution spatiale, nous pensons que la prochaine sera d'avoir cette résolution temporelle d'une extrême finesse », confie Florent Houdellier, ingénieur de recherche et directeur du laboratoire commun HC-IUMi. Les manipulations d’interférométrie réalisées avec ce microscope ultrarapide permettent d’étudier la dynamique des champs électriques et des champs magnétiques dans les matériaux. Un des objectifs est par exemple de pouvoir suivre quantitativement la désaimantation du champ magnétique d’un aimant et son retour à un état initial. Tout cela à la fois à une échelle temporelle de l’ordre de la femtoseconde et à une échelle spatiale nanométrique. D'autres expériences envisagées consistent à étudier des systèmes de micro-électronique présents dans les téléphones ou les ordinateurs. Et pendant qu'ils sont en activité, observer la dynamique des champs électrostatiques pour savoir où sont stockées les charges électriques et comment elles se répartissent.

Une structuration en réseaux

Tous ces équipements tendent à se structurer en réseaux, et ce afin de répondre à deux réalités affectant des infrastructures aussi ambitieuses. Le coût d’achat des instruments d’une part, leur coût de maintenance de l’autre. « L’achat d’un équipement de pointe peut aller de 3 à 5 millions d’euros et les contrats d’entretien avoisinent les 100 000 euros par an », souligne Etienne Snoeck, chercheur au CNRS et directeur du Cemes. En France, cette structuration a débuté en 2009 avec le réseau national Metsa, dont il est à l’origine. Metsa réunit à ce jour des instruments du Cemes, du LPS, du MPQ, de l’Institut de physique et des matériaux de Strasbourg6, et de quatre autres laboratoires français. « Concrètement, nous proposons de l’expertise et du temps d’accès à nos instruments. Ces réseaux prennent en charge les missions des utilisateurs et nous rémunèrent en fonction du temps d’accès. Cela permet pour les visiteurs une utilisation gratuite des équipements et nous apporte de l'argent pour financer nos contrats d’entretien. Sur le plan scientifique, c’est également un moyen d’élargir notre réseau de collaboration et d'aborder de nouveaux sujets », complète Odile Stéphan.

L’achat d’un équipement de pointe peut aller de 3 à 5 millions d’euros et les contrats d’entretien avoisinent les 100 000 euros par an.

Le Cemes et le LPS font également partie d’un réseau européen : Esteem3. Amorcé début 2019, la troisième itération de ce projet de la Communauté européenne (CE) englobe trois volets : l’accès transnational aux infrastructures, la poursuite d’activités de recherche communes et le développement de programmes de formations. « Le problème de ce type de réseaux est qu'ils dépendent des appels d’offres de la CE, pour des projets de quatre ans. Il faut donc imaginer un autre mode de fonctionnement, de manière à avoir une structure plus pérenne où les utilisateurs puissent tout de même disposer des instruments les plus novateurs », soutient Etienne Snoeck. 

La solution : s’inspirer du fonctionnement des synchrotrons et travailler avec eux. Dream, le projet qu’il coordonne actuellement en ce sens, réunirait des laboratoires de microscopie électronique et six des synchrotrons européens. « Les utilisateurs ont des questions scientifiques auxquelles la microscopie électronique et le rayonnement synchrotron peuvent répondre. Les synchrotrons développent leurs propres équipements et contrairement à nous, l’accueil des utilisateurs est leur cœur de métier. Cela fait beaucoup de points qui motivent le fait de travailler ensemble plus étroitement »Les développements instrumentaux et méthodologiques réalisés dans les laboratoires seraient ainsi partagés avec les synchrotrons, sur des microscopes disponibles à temps plein pour les utilisateurs extérieurs. Les microscopes des laboratoires et des synchrotrons seraient accessibles à tous types d’utilisateurs, qu’ils viennent de la science des matériaux ou de la biologie. La microscopie électronique en transmission n’a pas fini d’ouvrir de nouveaux horizons. ♦

Notes
  • 1. Unité CNRS/Université Paris-Saclay.
  • 2. LPICM (CNRS/École polytechnique).
  • 3. Unité CNRS/Université Paris-Saclay.
  • 4. Unité CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1/Insa Lyon.
  • 5. Unité CNRS/Université de Paris.
  • 6. Unité CNRS/Université de Strasbourg.

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