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La ptychographie électronique dévoile les relations entre atomes

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L'un des verrous limitant la résolution des microscopes électroniques à transmission vient de sauter grâce au développement de la ptychographie électronique. Il est maintenant possible d'observer la position des atomes les uns par rapport aux autres avec une précision inégalée à ce jour. Virginie Chamard, spécialiste française de la ptychographie en rayons X, explique ce curieux concept à Futura-Sciences. 

En microscopie optique, le concept de la ptychographie permet déjà d’observer des organismes vivants, à l'exemple de ces cellules végétales, sans avoir recours à diverses colorations. © University of Sheffield

L'invention des microscopes électroniques à transmission (TEM) ne date pas d'hier. Développés en 1933, les TEM ont été fabriqués en série par Siemens à partir de 1939. Cet outil d'observation utilise un faisceau d'électrons, focalisé par des lentilles électromagnétiques, traversant des échantillons en coupes suffisamment minces. La résolution maximale atteint environ 0,2 nanomètre (sans correction d'aberrations). Ce paramètre est malheureusement bridé par la qualité, toujours faible, des lentilles électromagnétiques formant l'image. Sans elles, il serait théoriquement possible d'atteindre un pouvoir de résolution équivalant la longueur d'onde des électrons, soit quelques picomètres (10-12 mètre).

Une équipe de chercheurs dirigée par John Rodenburg, de l'université de Sheffield (Royaume-Uni), est parvenue à s'affranchir de ce problème... en supprimant les lentilles, du moins après l'échantillon. Baptisée ptychographie électronique et décrite dans la revue Nature Communications en mars dernier, cette technique consiste à faire reconstruire par un ordinateur un cliché de qualité des échantillons en analysant la diffraction des électrons.

Il devient possible d'observer la position des atomes les uns par rapport aux autres, tant la résolution est importante ! Virginie Chamard, chercheuse à l'institut Fresnel et utilisatrice de la ptychographie en rayons X, nous en dit plus sur ce concept.

Dispositif expérimental utilisé lors de la ptychographie électronique. Les électrons sont focalisés sur l'échantillon par des lentilles électromagnétiques. Ensuite, contrairement à un microscope à transmission classique, il n'y a pas de lentille pour former une image. Les spots d’illumination sur les échantillons mesurent 20 à 40 nm de diamètre. © Adapté de Humphry et al. 2012, Nature Communications

La ptychographie électronique est une microscopie quantitative

« Rodenburg est l'inventeur du terme ptychographie. Il a développé un concept qu'il applique à toutes les longueurs d'onde et donc à toutes les techniques de microscopie. Il a démontré ses avantages numériquement, en optique, en rayons X et maintenant il le démontre en microscopie électronique » explique Virginie Chamard.

Concrètement, qu'est ce que la ptychographie électronique ?  « Des électrons sont envoyés sur une petite portion d'un échantillon et l'on photographie leurs motifs de diffraction [NDLR : la manière dont ils sont déviés, il n'y a donc pas besoin de lentille]. L'image enregistrée n'a rien à voir avec l'apparence de l'échantillon ; c'est la transformée de Fourier qui est mesurée (voir figure). » Cette opération est effectuée à de multiples reprises en déplaçant à chaque fois l'échantillon, en prenant soin de conserver un taux de recouvrement de 60 à 80 % entre deux images, jusqu'à ce que l'intégralité de la zone d'étude ait été couverte.

Les informations contenues dans les images d'intensité diffractée peuvent ensuite être extraites au moyen d'un algorithme d'inversion. « Nous utilisons une méthode numérique, grâce à un ordinateur, pour récupérer l'image de l'échantillon à partir de ces clichés d'intensité diffractée. Celle-ci est dite à grandeur complexe, en amplitude et en phase. Elle fournit de nombreuses informations d'ordre physique. C'est de la microscopie quantitative. » La microscopie classique est quant à elle qualifiée de qualitative. Les images obtenues doivent être interprétées par l'expérimentateur. Les valeurs calculées grâce à la ptychographie peuvent être associées avec précision, et en toute objectivité, à des structures particulières comme des éléments carbonés ou des composants cellulaires.

La ptychographie électronique exploite la diffraction des électrons pour reconstruire l'image d’un échantillon. Ce cliché d’intensité diffractée est loin de ressembler à l’échantillon. En revanche, un ordinateur pourra en reconstruire une image haute résolution en extrayant des informations de centaines de clichés de ce genre grâce à un algorithme inversé. Il faut environ 190 secondes pour prendre près de 900 photographies. La barre d’échelle vaut 1 nm. © Adapté de Humphry et al. 2012, Nature Communications

Résolution d’un dixième du diamètre d’un atome

La ptychographie électronique présente d'autres avantages. Sa résolution est cinq fois plus importante que celle d'un TEM classique avec lentilles. Pour citer un chiffre, elle vaut environ le dixième du diamètre d'un atome ! Le microscope a aussi besoin de moins d'énergie (30 keV, contre 100 auparavant), et peut donc être utilisé pour analyser des échantillons biologiques. Par ailleurs, les lentilles focalisant le faisceau d'électrons n'ont pas besoin d'être de bonne qualité. L'ordinateur peut en effet extraire des informations sur l'illumination à partir des clichés et en tenir compte dans ses calculs.

Cette approche souffre encore de quelques limites car les échantillons biologiques doivent toujours être préparés selon une méthode contraignante et surtout, elle ne permet pas de faire de l'imagerie en trois dimensions (contrairement à la ptychographie en rayons X).

Selon John Rodenburg, le développement de cette nouvelle technologie pourrait marquer le début d'une nouvelle ère pour la microscopie électronique subatomique en supprimant de nombreuses limites à l'expérimentation fondamentale.

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