Première mondiale : des scientifiques parviennent à effectuer la première radiographie d’un unique atome !
Un atome est constitué d’un noyau autour duquel gravitent des électrons. Crédits : Igor Batrakov/Shutterstock
Les chercheurs ont réalisé une première mondiale : la radiographie d'un unique atome ! Pour cela, ils ont notamment créé une nouvelle technologie qui s'appuie, entre autres, sur les rayons X, il s'agit de la microscopie à effet tunnel à rayons X synchrotron ou SX-STM qui permet de mieux comprendre le comportement des électrons dans les atomes.
Une première radiographie d’un unique atome ! Selon une étude parue dans Nature, une équipe de scientifiques des universités américaines de l’Ohio et de l’Illinois-Chicago et du laboratoire national d’Argonne viennent de révéler l’incroyable image d’un seul atome. Ils ont réussi cet exploit en utilisant un outil essentiel dans de nombreux domaines médicaux et scientifiques. Il s’agit des rayons X !
Une avancée révolutionnaire dans la radiographie d’un unique atome
Les atomes sont les plus petites parties d’un corps simple. Ils constituent toutes les substances solides, liquides et gazeuses qui nous entourent. Nous sommes nous-mêmes constituées d’atomes. Ces particules atomiques sont extrêmement petites. Par exemple, on estime le diamètre d’un atome d’hydrogène à 0,5 x 10-10 mètre c’est-à-dire environ un million de fois plus petit que le diamètre d’un cheveu humain. Et le noyau de l’atome est environ 100 000 fois plus petit que l’atome lui-même. Autant dire que l’observation des atomes est très difficile !
Le physicien Wilhelm Röntgen (1845-1923) a découvert les rayons X en 1895. Il s’agit d’un rayonnement électromagnétique de haute fréquence. Il se compose de photons ayant une énergie allant d’une centaine d’eV (électronvolt) à plusieurs millions d’eV (MeV). Les rayons X se caractérisent par leur capacité à pouvoir traverser la matière en étant en partie absorbés. Cette absorption est fonction de la densité de la matière traversée et de l’énergie des rayons X qui la traverse. Les applications des rayons X sont nombreuses. On les utilise en effet en imagerie médicale, en cristallographie ou encore en astrophysique.
Les rayons X peuvent donc servir théoriquement à radiographier les atomes. Toutefois, jusqu’à aujourd’hui, le signal produit par un seul atome traversé par des rayons X est trop faible et difficile à distinguer du bruit de fond. Mais des chercheurs ont déjà réussi à utiliser des rayons X pour radiographier un ensemble de 10 000 atomes.
Les chercheurs américains viennent de réaliser un véritable exploit en réussissant pour la première fois au monde à radiographier un seul atome !
La microscopie à effet tunnel à rayons X synchrotron
Pour caractériser la matière par les rayons X, il est indispensable de disposer d’un grand nombre d’atomes. Depuis plusieurs années maintenant, les chercheurs tentent de réduire cette quantité en développant des technologies comme les sources de rayons X synchrotrons. Ces derniers ont permis de radiographier une quantité correspondant aux 10 000 atomes cités plus haut dans cet article.
Certains microscopes, appelés microscope à sonde locale, permettent déjà aujourd’hui d’imager les atomes individuellement. Pour cela, on les cartographie à la surface d’un matériau en se servant d’une pointe extrêmement fine.
La nouvelle technologie mise au point avec les rayons X permet une avancée considérable en identifiant le type d’un unique atome et même son état chimique. La mise au point de cette technique a nécessité 12 ans de travail. Elle porte le nom de microscopie à effet tunnel à rayons X synchrotron ou SX-STM. Quant au détecteur à rayons X conventionnels, ils ont été remplacés par une pointe métallique extrêmement acérée permettant de s’approcher au plus près de l’échantillon.
Il s’agit d’une technique d’imagerie qui combine la sensibilité chimique, magnétique et structurelle des rayons X et l’incroyable capacité de la microscopie à sonde à balayage. Cette technologie s’utilise essentiellement pour l’imagerie et la caractérisation des matériaux à l’échelle nanométrique.
Le principe de cette méthode est le suivant. Les électrons les plus proches du noyau de l’atome sont excités par un flux de rayons X. Ces électrons excités émettent alors une empreinte unique qu’on appelle spectre d’absorption. Ce dernier permet d’identifier le type d’élément chimique présent dans le matériau.
Pouvoir prédire le comportement des électrons dans les atomes
Légende : Dans cette vidéo, découvrez le principe du microscope à effet tunnel.
Crédits : Le Blob/YouTube
On ne peut détecter le signal que quand la pointe métallique détectrice se trouve positionnée juste au-dessus de l’atome à étudier et au plus près de lui. Il s’agit donc bien là d’une méthode de détection localisée au niveau atomique.
L’équipe de recherche a réalisé cette radiographie d’un seul atome. Pour cela, elle a utilisé deux éléments chimiques métalliques : le fer (Fe) et le terbium (Tb). Les spectres d’absorption obtenus correspondent parfaitement aux atomes de fer et de terbium.
Les chercheurs ont également utilisé une autre technique qu’on appelle résonance X-ERT ou “X-ray excited resonance tunneling”. Cette technique permet de détecter toujours grâce aux rayons X synchrotrons, la manière dont les orbitales atomiques de tous les atomes constituant une molécule s’orientent à la surface d’un matériau. En connaissant l’orientation des orbitales atomiques, qui représentent une probabilité de présence d’un électron dans une zone donnée autour du noyau atomique, les scientifiques peuvent prédire le comportement des électrons.
Les chercheurs ont utilisé ces deux techniques pour détecter la signature radiographique d’un atome individuel. Ils viennent ainsi d’ouvrir la voie à de nouvelles recherches passionnantes dans de nombreux domaines comme les propriétés quantiques et les propriétés magnétiques des atomes individuels.
Source : sites Internet