On pense que les premiers microscopes ont été inventés au 17ème siècle. Ensuite, ils représentaient un système de lentilles simple, qui ne faisait qu'indiquer la présence du micromonde. Désormais, une course à la résolution spatiale permet aux chercheurs d'observer les atomes eux-mêmes. En plus de l'expérience contemplative, il aide à la création de nouveaux matériaux, tels que les armatures organométalliques (MOF).
Après cela, il a rejoint le groupe de microscopie électronique du National Laboratory de Berkeley (parcours universitaire), où le développement d'un microscope électronique à résolution subangstromique venait de commencer. Là, j'ai été invité à la société FEI - récemment Thermo Fisher. C'est l'un des leaders mondiaux dans la production de microscopes à transmission. Tout en travaillant pour la FEI (filière industrielle), j'ai participé à l'installation et au lancement de plusieurs microscopes électroniques, à l'époque les plus avancés, pour le laboratoire KAUST. Plus tard, j'ai visité ce laboratoire plus d'une fois pour former le personnel. Ainsi, lorsque j'ai été invité à travailler au Core Lab en tant que microscopiste de premier plan, c'était un choix naturel.
En quoi la MET est-elle différente des autres techniques ? Par exemple, de la microscopie à force atomique ?
Dans l'ensemble, TEM est la réincarnation du théâtre d'ombres. Seulement au lieu de figurines en papier - des micro- et nano-objets, et le rôle de source lumineuse est joué par un flux cohérent (homogène dans l'espace et le temps) d'électrons de haute énergie. Le reste est quasiment le même: on regarde des micro- ou nano-objets et on les évalue par l'ombre qu'ils projettent. La fonction du mur est assurée par un écran fluorescent, un film photographique ou, de plus en plus, des caméras CCD (à peu près les mêmes que dans les appareils photo numériques). Il peut aussi y avoir d'autres détecteurs.
Dans la version classique, le TEM est implémenté comme un "tuyau vertical avec poignées". L'air est pompé hors du tuyau, un canon à électrons est placé sur le dessus, qui « tire » des électrons le long du tuyau. Le matériau de test est inséré au milieu du tube et un détecteur d'électrons est placé en dessous. Il y a aussi une bascule: le pistolet est vissé par le bas, et le détecteur est par le haut. Il existe peu de microscopes de ce type, mais ils sont parmi les meilleurs.
C'est en général. En pratique, des nuances apparaissent. Premièrement, pour générer un flux cohérent d'électrons volant à un niveau élevé et stable (avec un écart ne dépassant pas 0,0003 %), un équipement de haute précision est nécessaire. La plupart des microscopes existants accélèrent les électrons jusqu'à 300 kilovolts (environ 80 % de la vitesse de la lumière). Pendant ce temps, avant l'avènement des smartphones, il existait des systèmes qui accélèrent les particules jusqu'à un record de 1,5 mégavolt (97% de la vitesse de la lumière). La deuxième caractéristique est que les électrons sont bien absorbés dans l'air. Ils ont besoin d'un vide pour atteindre l'échantillon. Par conséquent, le TEM est également un équipement sous vide qui nécessite beaucoup d'énergie et chauffe. Cela implique le fonctionnement des systèmes de refroidissement. Troisièmement, l'objet à l'étude doit être translucide pour les électrons - ce n'est qu'alors qu'il est possible d'établir non seulement sa forme par la silhouette de l'ombre, mais également sa structure interne. Cette dernière condition impose une limitation de l'épaisseur de l'échantillon - en règle générale, de 10 à 100 nanomètres. Dans ce cas, l'ensemble du matériau est "translucide". La possibilité d'examiner tous les "intérieurs" distingue la microscopie à transmission de la microscopie à force atomique, dans laquelle seule la surface est étudiée.
Enfin, le microscope en MET doit être soigneusement isolé: le résultat est influencé par les vibrations, l'acoustique, les interférences électromagnétiques, voire les fluctuations de la température de l'air au-dessus de 0,5 degré Celsius. En ce qui concerne les échelles d'angström, les moindres détails comptent.
L'un des microscopes avec lesquels j'ai travaillé à Mumbai n'était pas correctement isolé et se trouvait à seulement 300 mètres de l'océan Indien. À partir des images de ce microscope, j'ai pu déterminer avec précision le début du surf. L'exemple inverse est le laboratoire allemand Jülich Forschungszentrum, situé dans une zone d'extraction de charbon active. Chaque jour, des moissonneuses-batteuses de 100 mètres creusent dans la roche et diffusent des vibrations sur des dizaines de kilomètres à la ronde. Une telle vibration est invisible pour une personne, mais pas pour un microscope électronique. Par conséquent, ils construisent des bâtiments séparés avec des températures super stables et un « brouilleur » de communications cellulaires, et les microscopes eux-mêmes sont placés sur d'énormes blocs de béton suspendus à des coussins d'air. Dans de tels endroits, la magie commence: nous voyons des atomes séparés d'un demi-angström seulement.
Le coût et la maintenance des systèmes TEM, en particulier ceux avec une résolution inférieure à l'angström, montent en flèche. Le prix d'un microscope à lui seul peut atteindre plusieurs millions de dollars. Dans le même temps, le champ d'application de la technologie est large: partout où vous avez besoin de découvrir la structure interne, jusqu'aux niveaux atomiques. C'est-à-dire que c'est aussi de la biologie - l'étude de la structure des cellules, des virus, des protéines, de l'ADN; et l'ensemble de l'industrie électronique; et l'industrie pétrochimique - une énorme couche de recherche liée au développement et à l'analyse de catalyseurs.
En 2016, KAUST a travaillé avec d'autres scientifiques pour trouver un moyen de briller à travers les MOF sans les détruire. Comment ça fonctionne? Votre laboratoire utilise-t-il uniquement le TEM pour étudier le MOF ?
Notre laboratoire est assez polyvalent et peut couvrir la plupart des domaines mentionnés précédemment et bien d'autres. Le MOF est l'un des matériaux "à la mode" de nos jours. Le monde entier étudie maintenant activement les charpentes organométalliques. Naturellement, KAUST ne reste pas à l'écart.
La principale difficulté dans l'apprentissage du MOF réside dans le nom. Dans leur structure, il y a une matière organique qui n'aime pas beaucoup l'irradiation électronique. Sous son action, les MOF sont facilement détruits. Vous devez travailler non seulement rapidement, mais instantanément. Par conséquent, lors de la "transmission" de charpentes organométalliques à l'aide de MET, il est nécessaire de limiter le nombre d'électrons tombant sur l'échantillon. Il faut rapidement et presque à l'aveugle (sans irradiation) trouver un endroit convenable à sa surface, l'orienter correctement et enregistrer une image sur laquelle presque rien n'est visible. Ensuite, de "presque rien" pour restaurer la structure. C'est l'essence de la technique "à faible dose" décrite dans l'article. Des caméras numériques très sensibles capables d'enregistrer le vol d'un seul électron sont indispensables. De telles caméras sont récemment apparues dans notre pays.
Presque toutes les techniques de microscopie sont représentées au Core Lab. Bien que le contraste de phase différentiel (DPC) n'était pas disponible jusqu'à récemment, il est bien connu. Si un champ magnétique ou électrique interne est présent dans l'échantillon étudié, alors, par rapport à l'échantillon sans champ, les électrons "translucides" changeront légèrement de trajectoire. Pour enregistrer la déviation, plusieurs détecteurs (au moins quatre) sont nécessaires, situés de manière à ce que les électrons déviés par le champ magnétique ou électrique de l'échantillon tombent principalement sur un seul détecteur. Ensuite, la comparaison du signal avec d'autres détecteurs permettra non seulement de visualiser, mais aussi de mesurer le champ magnétique ou électrique. En pratique, on n'utilise pas quatre détecteurs indépendants, mais un seul segmenté, et les lectures de chacun sont enregistrées séparément. Le concept est simple et fonctionne très bien. Une chose est que la plupart des MET anciens et même modernes n'ont pas de tels détecteurs segmentés. Ou il n'y a pas de logiciel pour enregistrer quatre signaux séparés.
Depuis que je me suis intéressé à la microscopie, j'ai eu l'occasion de "tourner les boutons" sur de nombreux TEM, deux cents, peut-être trois. La méthode DPC n'a fonctionné que sur un seul. Il n'était pas non plus disponible dans KAUST. Après avoir commencé à travailler au Core Lab, j'ai montré que le DPC peut être implémenté sur n'importe quel MET possédant au moins un détecteur standard, sans modification supplémentaire. Maintenant, nous utilisons activement l'approche que j'ai proposée pour étudier des échantillons magnétiques, en particulier des fils Ni/Co à l'échelle nanométrique, le mouvement contrôlé des parois du domaine magnétique dans lequel ils peuvent être convertis en supports d'information.
Récemment, les chimistes ont pu mesurer directement la force des liaisons entre les atomes d'hydrogène individuels. Ils ont utilisé un microscope à force atomique. TEM peut faire ça ?
Non, TEM a d'autres tâches. À savoir: la structure du matériau, les propriétés, les états de charge, l'activité électrique des atomes individuels ou les défauts du réseau cristallin à l'intérieur du matériau, etc.
Parlez-nous de Titan Themis Z. Si je comprends bien, on parle de développement logiciel ?
Plutôt du matériel. Le microscope à transmission Titan est un produit FEI et a été introduit il y a 12-13 ans. En fait, il s'agit d'une plate-forme sur la base de laquelle vous pouvez construire divers systèmes plus spécialisés ou universels. Rappelons le schéma du « tuyau vertical »: dans le cas de Titan, si le tuyau est refroidi à la température de l'azote liquide (–195, 75 degrés Celsius), on obtient Titan Krios - TEM pour l'étude du biomatériau. La congélation par choc dans la glace aide les matières organiques à conserver leur structure plus longtemps sous le faisceau d'électrons. De tels microscopes sont maintenant en plein essor.
Si vous ajoutez un peu de gaz au vide dans le tuyau, vous obtenez Titan ETEM (Environnemental). Il vous permet d'observer les processus chimiques en temps réel. Et si nous prenons la plus haute modification de ce tube avec un canon à électrons superstable, des correcteurs d'aberrations sphériques, l'équipent d'un détecteur de rayons X (les électrons qui traversent l'échantillon le génèrent en grande quantité), vissez le spectromètre de perte d'énergie des électrons de ci-dessous et placez toute la structure dans une boîte isolante, il s'avérera que Titan Themis Z. Z signifie numéro atomique. Son avantage est qu'avec des détecteurs supplémentaires, nous pouvons non seulement obtenir une image en noir et blanc, dans laquelle les points lumineux correspondent aux atomes, mais aussi la "colorer". Pour chaque atome, définissez le type, souvent - décrivez les propriétés électroniques du matériau, par exemple, s'il s'agit d'un diélectrique ou d'un conducteur.
La modification Themis Z a été introduite l'année dernière. KAUST l'a acquis pour la première fois au monde, ajoutant un sixième à sa gamme de cinq TEM Titan de la génération précédente. KAUST est désormais le seul endroit avec autant de microscopes à transmission haut de gamme.
Themis Z vous a-t-il déjà aidé à obtenir des résultats ?
Il y a des résultats, mais les publications ne sont que prévues. Le microscope est encore au stade de la mise en service.
La KAUST collabore étroitement avec d'autres groupes de recherche. Et avec vos collègues et partenaires russes ?
En travaillant à la FEI, j'ai visité de nombreuses organisations - dans le cadre de mise au point d'équipements, d'expérimentations communes, de formations, de conférences. Il est également venu en Russie: à Novossibirsk, Ekaterinbourg, Saint-Pétersbourg, Moscou. Les centres scientifiques locaux ont des groupes de recherche assez avancés. Séparément, je noterai l'Institut Kurchatov et le laboratoire d'Alexander Vasiliev, où deux Titan TEM sont installés à la fois, dont Krios (et les voisins, d'en face, ont un autre Titan). Je maintiens toujours un contact étroit avec les gars de ce groupe.
De nombreux scientifiques russes avec lesquels je travaille sont dispersés dans le monde. Par exemple, le centre scientifique NanoGune au Pays Basque, en Espagne: je travaille avec le chef de son département TEM, le professeur Andrey Chuvilin depuis plus de dix ans. Le résultat de notre amitié n'est pas seulement des publications, mais aussi des développements dans le domaine des techniques MET ou "attachements". Un exemple est un monochromateur pour canon à électrons, qui améliore la qualité et la résolution de la spectroscopie de perte d'électrons, ouvrant l'accès à l'étude des quasiparticules de basse énergie: excitons, plasmons, phonons.
Le monochromateur n'est pas un nouvel appareil. Mais nous avons récemment démontré qu'il peut fournir une résolution énergétique près de dix fois supérieure à celle revendiquée par le fabricant (une note connexe paraîtra bientôt dans Nature Communication). En plus d'étudier les quasiparticules, la découverte permet, par exemple, de mesurer la bande interdite - une des caractéristiques clés des semi-conducteurs - avec une extrême précision. Et grâce au TEM, dans ce cas, on obtient une résolution spatiale qui n'est pas disponible avec d'autres méthodes.