les atomes d'hydrogène vus en ME

Co-Administrateur Nombre de messages : 285 Date d'inscription : 22/02/2008

Des atomes d'hydrogène individuels vus au microscope électronique

Par Laurent Sacco, Futura-Sciences

Voir directement les atomes... Les physiciens ont réalisé ce vieux rêve il y a déjà quelques dizaines d’années avec, par exemple, le microscope à émission de champ. Des atomes lourds peuvent être également observés avec un microscope électronique mais, jusqu’à présent du moins, pas des atomes légers comme l’hydrogène. Grâce au graphène des physiciens de l’Université de Berkeley viennent de dépasser cette limite.

La technique de la microscopie électronique en transmission (MET) est ancienne puisqu’elle a été mise au point en 1931 par Max Knoll et Ernst Ruska, ce qui a valu à ce dernier le prix Nobel de physique en 1986. Elle repose sur les propriétés ondulatoires de la matière découvertes théoriquement en 1923 par Louis de Broglie. En utilisant des lentilles magnétiques, il est possible d’obtenir des images étonnantes d’un objet bien trop petit pour être observé à l’aide d’un microscope optique. On peut ainsi observer des détails de l’ordre de l’angström.

Il faut pour cela projeter un faisceau d’électrons sur l’objet à observer et recueillir le faisceau sur une plaque fluorescente. En pratique, l’échantillon à étudier doit être placé sur une fine feuille de métal. Le matériau à utiliser doit en effet être suffisamment robuste pour résister à un faisceau d’électrons assez énergétique, mais en même temps, il doit permettre à celui-ci de le traverser sans trop de problème.

La puissance de cette technique est telle que l’on avait réussi à imager des atomes lourds. Mais avec des atomes plus légers, fût-ce du carbone, les effets de diffusion causés par les atomes lourds de la feuille métallique produisaient un signal important dégradant fortement celui, faible, produit par des atomes légers. Autant dire que l’observation directe d’un atome d’hydrogène par cette technique devait rester à tous jamais une chimère.

Cliquez pour agrandir. A droite Ernst Ruska devant l'un des premiers microscope électronique. Crédit : Technische Universität, Berlin

Une couche de carbone plutôt que du métal

Pourtant, dans l’Univers, rien ne semble impossible et la découverte il y a quelques années d’un matériau miraculeux, le graphène, vient d’offrir aux chercheurs les premières images avec microscope électronique en transmission des atomes de carbone et d’hydrogène. C’est le groupe d'Alex Zettl qui est responsable de cette prouesse et il vient de publier le résultat de ses travaux dans Nature.

On sait que le graphène est une couche monoatomique de carbone, formant donc des feuillets quasiment bidimensionnels et qui constituent, par leur assemblage, le graphite. Ces feuillets ont de remarquables propriétés électroniques et mécaniques et ils constituent donc naturellement un matériau de choix pour la MET car suffisamment résistant pour supporter des faisceaux d’électron dépassant les 100 keV mais surtout, suffisamment mince pour se laisser traverser facilement par ces particules, et de plus, sans dégrader les images d’atomes légers comme le font les feuilles de métaux, plus lourds, réalisées à partir de semi-conducteurs.

Les physiciens ont alors pu observer grâce au graphène non seulement des atomes de carbone et d’hydrogène présents sur les feuillets mais aussi réaliser des films sur lesquels des lacunes dans le réseau d’atomes de carbone disparaissent lentement du fait de l’absorption d’un atome de carbone. Mieux, ils ont même observé la reptation de longues molécules, très probablement hydrocarbonées, qui se trouvaient dans le milieux environnant ou qui avaient contaminé la surface du graphène.

Les chercheurs pensent que des possibilités fascinantes viennent ainsi de s’ouvrir, comme celle d’observer la dynamique des réactions chimiques entre des nanotubes de carbone et des molécules biologiques actives qui se fixeraient sur leur surface. Les conséquences en nanotechnologie et en nanosciences pourraient ainsi être considérables.

Des atomes sur le graphène : de l'hydrogène (flèches rouges) et un atome de carbone (flèche noire). Crédit : Nature