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Un microscope électronique 4D filme à l'échelle des femtosecondes !

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Grand spécialiste de la « femtochimie », l'étude des mouvements ultra-rapides des atomes, ce qui lui a valu un prix Nobel, Ahmed Zewail récidive. Avec son équipe, il vient de présenter dans deux publications des vidéos montrant pour la première fois des mouvements filmés à l'échelle de la femtoseconde par un microscope électronique 4D.

Un schéma de principe : le faisceau d'électrons incident est dévié au rythme de la vibration de la surface. Tout le problème consiste à analyser le faisceau réfléchi suffisamment rapidement. © Physical Biology Center for Ultrafast Science and Technology

Pour son pouvoir de résolution et pour la rapidité d'acquisition d'images, le microscope électronique, mis au point par le Physical Biology Center for Ultrafast Science and Technology, au Caltech (Etats-Unis), est sans conteste la caméra championne du monde. Comme un microscope électronique, il montre des détails inférieurs au nanomètre et, surtout, comme un système d'imagerie 4D, il visualise les phénomène par une succession de mesures ou d'images à un rythme très rapide, de l'ordre de la femtoseconde, c'est-à-dire 10-15 seconde, soit un millionième de milliardième de seconde.

Depuis longtemps, les spécialistes des matériaux, les chimistes et les biologistes veulent comprendre le déroulement temporel des phénomènes. C'est la microscopie 4D, la quatrième dimension étant bien sûr le temps. Mais à l'échelle microscopique, les mouvements sont extrêmement rapides. Le réarrangement de molécules dans un matériau ou des atomes dans une molécule au cours d'une réaction chimique ne peuvent se visualiser que sur un ralenti considérable où plusieurs images au moins sont prises en une picoseconde (10-12 seconde). Après la résolution spatiale, c'est donc la résolution temporelle que les chercheurs veulent augmenter.

Ahmed Zewail a obtenu en 1999 le Prix Nobel de chimie pour ses travaux en femtochimie, qui étudie les mouvements de molécules, voire ceux des atomes à l'intérieur d'une molécule. Depuis, son laboratoire du Caltech développe des techniques de diffraction d'électrons ultra-rapide (UED, Ultrafast Electron Diffraction), pour détecter ses mouvements, et de microscopie électronique ultra-rapide (UEM, Ultrafast Electron Microscopy), pour les visualiser.

Animation (GIF animé de 33 Mo) - Nanodrumming, c'est-à-dire nanotambour c'est ainsi que les chercheurs ont appelé ce phénomène vibratoire observé durant un dixième de seconde à la surface d'une couche de graphite © O.-H. Kwon, et al./Nanoletters

Vibrations de molécules saisies par la vidéo

Traversé par un faisceau d'électrons, l'échantillon est également soumis à une impulsion très brève, qui modifie l'image obtenue. L'équipe en est à la deuxième génération de microscope électronique ultra-rapide (UEM2), aux performances désormais uniques en leur genre.

Dans deux publications, l'équipe vient de présenter des résultats impressionnants et montre sur son site quelques animations révélatrices des progrès obtenus (aux formats AVI et Gif). La publication dans Science expose les expériences réalisées sur des surfaces d'or et de graphite. Après un choc thermique sur l'échantillon d'or, le microscope a pu visualiser l'expansion de la surface et la manière dont elle revenait à l'équilibre. Sur le graphite, l'équipe a mesuré la période de résonance longitudinale et retrouver la valeur du module d'élasticité de Young, démontrant la précision et l'intérêt de la technique.

Dans le second article, publié dans Nanoletters, les scientifiques décrivent une expérience sur une couche de graphite, soumise à une brève élévation de température. Grâce à une observation sur une durée très longue (un dixième de seconde !), l'UEM a montré comment se réorganisaient les atomes, d'abord en bougeant de manière chaotique puis en synchronisant leurs mouvements, jusqu'à faire ressembler la surface à celle d'un tambour vibrant à une certaine fréquence.

Ce nouvel instrument de microscopie 4D mis au point par Ahmed Zewail et son équipe apporte un progrès très significatif par rapport aux techniques existantes et devrait susciter un grand intérêt chez de nombreux scientifiques.

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