Communique de presse - Une nouvelle technique pour voir et identifier les atomes à l'unite

Une équipe de chercheurs franco-japonaise¹ vient de franchir une étape décisive en montrant qu'il est possible de déterminer la nature, le nombre et l'environnement des atomes. Ces recherches réalisées dans le cadre du programme de collaboration internationale ICORP (International Cooperation Research Project), entre le CNRS et la Japan Science and Technology Corporation (JST), ont été effectuées sur de nouvelles familles de structures dérivées de la variété élémentaire des nanotubes de carbone, les "nanotubulites", grâce à la technique de spectroscopie des pertes d'énergie.
Les progrès des nanotechnologies mettent chaque jour à notre disposition des objets de taille sans cesse réduite et de complexité toujours croissante. Leur étude et caractérisation constituent ainsi un défi instrumental essentiel.
Ces recherches sont publiées dans Science, le 22 décembre 2000.

Parmi les voies de recherche explorées ces dernières années pour voir et identifier les atomes un par un, la plus fructueuse à ce jour consistait à identifier la masse des atomes par spectroscopie de masse après les avoir extraits du matériau analysé par une technique d'évaporation de champ. Cette technique portée à un haut degré de sophistication par l'équipe du Groupe de physique des matériaux (CNRS - Université de Rouen - INSA Rouen) a récemment permis de visualiser le nuage des atomes d'impuretés autour d'une dislocation isolée au sein d'un alliage métallique. Cependant cette approche est destructrice dans la mesure où il faut évaporer les atomes de la cible pour les analyser, et ses capacités d'imagerie ne permettent pas une visualisation directe des architectures souvent complexes dans lesquelles ces atomes sont insérés.

La microscopie électronique traditionnelle ne souffre pas de ces limitations, car elle a prouvé depuis longtemps ses capacités à imager les structures atomiques les plus variées. A partir d'images de microscopie électronique à haute résolution, le chercheur japonais, Sumio Iijima, a ainsi identifié et interprété pour la première fois, voici une dizaine d'années, la structure en cylindres concentriques des nanotubes de carbone multiparois. Par ailleurs, on savait depuis les travaux d'Albert Crewe aux Etats-Unis que le microscope électronique dans sa version STEM (microscope électronique à balayage à transmission) offrait la possibilité de "voir" des atomes lourds isolés déposés sur une lame de carbone ultra-mince. Ceci était le résultat d'un long travail de mise au point d'une source spéciale d'électrons, une source à effet de champ, à partir de laquelle il est possible de focaliser tous les électrons du faisceau en une sonde ultra-fine d'un diamètre égal à quelques distances interatomiques (de l'ordre de 0,5 nm). Le signal utilisé pour "voir" les atomes individuels consistait à mesurer le pouvoir de déviation des électrons à plus ou moins grand angle, dans la mesure où les atomes les plus lourds ont un pouvoir diffusant accru. Mais cette technique n'était pas suffisante pour identifier sans ambiguïté la nature chimique des atomes ainsi visualisés.

L'équipe de chercheurs du laboratoire de physique des solides (CNRS - Université Paris XI) et du Laboratoire Aimé Cotton (CNRS), sous la direction de Christian Colliex² , s'est attachée depuis plus de vingt ans à mesurer les pertes d'énergie caractéristiques subies par les électrons du faisceau au cours de leur traversée de l'échantillon. A partir de la position, de l'intensité et de la forme des signaux enregistrés, ils ont ainsi montré qu'il est possible de déterminer la nature, le nombre et l'environnement des atomes concernés. La démonstration de l'imagerie sélective d'un type d'atomes déterminé, que l'on peut compter un par un, a été réalisée sur un échantillon élaboré par l'équipe de Sumio Iijima au Japon. Les nanotubes de carbone simple paroi ont été synthétisés et remplis par des chapelets de molécules de fullerènes ayant la propriété particulière de contenir chacune un seul atome d'un élément de terre rare, le gadolinium. L'objet-test ainsi analysé à partir de plus de 4000 spectres de pertes d'énergie enregistrés selon une trame régulière avec des pas de 0,3 nm, présentait la particularité de contenir à intervalles de l'ordre de 1,2 à 1,5 nm des atomes de gadolinium individuels et isolés. C'est cette distribution que le travail mené en collaboration franco-japonaise sur le microscope STEM d'Orsay a pu reproduire, en mettant en évidence la tendance à fusionner de molécules adjacentes de fullerènes, sous l'impact du faisceau d'électrons du microscope. La séquence des atomes de gadolinium comptés le long des nanotubes sélectionnés peut ainsi présenter des valeurs de plusieurs unités séparées par des séquences sans atome de gadolinium.

Ces travaux démontrent que les développements techniques récents impliquant les sources d'électrons de grande brillance, les détecteurs d'électrons bidimensionnels associés à une intégration réussie de l'informatique à toutes les étapes de l'acquisition et du traitement des données, permettent non seulement de "voir" des atomes individuels dans leur environnement, aussi complexes soient-ils, mais aussi de les "reconnaître". Dès à présent, cette approche permet des applications dans des domaines très variés. Il a été immédiatement suggéré de la mettre en œuvre pour identifier des atomes individuels marqueurs sélectifs sur différents sites actifs moléculaires. D'ores et déjà des essais sont en cours pour distinguer des atomes de thorium et de terbium, colorants spécifiques de molécules d'ADN ou d'anticorps. Ceci n'exclut pas en parallèle de préparer une future génération de microscopes électroniques, possédant non seulement la sensibilité requise pour identifier des atomes individuels séparés par des distances de l'ordre du nanomètre, mais aussi la résolution spatiale nécessaire pour les séparer lorsqu'ils sont impliqués dans des arrangements compacts de quelques atomes, à savoir 0,2 ou 0,3 nm.

Référence : Element-Selective Single Atom Imaging, K.Suenaga, M. Tencé, C.Mory, C.Colliex, H.Kato, T. Okazaki, H.Shinohara, K. Hirahara, S. Bandow, S.Iijima, Science, 22 décembre 2000.

¹ K.Suenaga, M. Tencé, C.Mory, C.Colliex, H.Kato, T. Okazaki, H.Shinohara, K. Hirahara, S. Bandow, S.Iijima.

Contact chercheur :
Christian Colliex
Laboratoire Aimé Cotton (CNRS)
Tél : 01 69 35 20 05
Mél : christian.colliex@lac.u-psud.fr

Contact département Sciences physiques et mathématiques :
Frédérique Laubenheimer
Tél : 01 44 96 42 63
Mél : frederique.laubenheimer@cnrs-dir.fr

Communiqué de presse Une nouvelle technique pour voir et identifier les atomes à l'unité
Paris, le 22 décembre 2000

Une équipe de chercheurs franco-japonaise¹ vient de franchir une étape décisive en montrant qu'il est possible de déterminer la nature, le nombre et l'environnement des atomes. Ces recherches réalisées dans le cadre du programme de collaboration internationale ICORP (International Cooperation Research Project), entre le CNRS et la Japan Science and Technology Corporation (JST), ont été effectuées sur de nouvelles familles de structures dérivées de la variété élémentaire des nanotubes de carbone, les "nanotubulites", grâce à la technique de spectroscopie des pertes d'énergie. Les progrès des nanotechnologies mettent chaque jour à notre disposition des objets de taille sans cesse réduite et de complexité toujours croissante. Leur étude et caractérisation constituent ainsi un défi instrumental essentiel. Ces recherches sont publiées dans Science, le 22 décembre 2000. Parmi les voies de recherche explorées ces dernières années pour voir et identifier les atomes un par un, la plus fructueuse à ce jour consistait à identifier la masse des atomes par spectroscopie de masse après les avoir extraits du matériau analysé par une technique d'évaporation de champ. Cette technique portée à un haut degré de sophistication par l'équipe du Groupe de physique des matériaux (CNRS - Université de Rouen - INSA Rouen) a récemment permis de visualiser le nuage des atomes d'impuretés autour d'une dislocation isolée au sein d'un alliage métallique. Cependant cette approche est destructrice dans la mesure où il faut évaporer les atomes de la cible pour les analyser, et ses capacités d'imagerie ne permettent pas une visualisation directe des architectures souvent complexes dans lesquelles ces atomes sont insérés. La microscopie électronique traditionnelle ne souffre pas de ces limitations, car elle a prouvé depuis longtemps ses capacités à imager les structures atomiques les plus variées. A partir d'images de microscopie électronique à haute résolution, le chercheur japonais, Sumio Iijima, a ainsi identifié et interprété pour la première fois, voici une dizaine d'années, la structure en cylindres concentriques des nanotubes de carbone multiparois. Par ailleurs, on savait depuis les travaux d'Albert Crewe aux Etats-Unis que le microscope électronique dans sa version STEM (microscope électronique à balayage à transmission) offrait la possibilité de "voir" des atomes lourds isolés déposés sur une lame de carbone ultra-mince. Ceci était le résultat d'un long travail de mise au point d'une source spéciale d'électrons, une source à effet de champ, à partir de laquelle il est possible de focaliser tous les électrons du faisceau en une sonde ultra-fine d'un diamètre égal à quelques distances interatomiques (de l'ordre de 0,5 nm). Le signal utilisé pour "voir" les atomes individuels consistait à mesurer le pouvoir de déviation des électrons à plus ou moins grand angle, dans la mesure où les atomes les plus lourds ont un pouvoir diffusant accru. Mais cette technique n'était pas suffisante pour identifier sans ambiguïté la nature chimique des atomes ainsi visualisés. L'équipe de chercheurs du laboratoire de physique des solides (CNRS - Université Paris XI) et du Laboratoire Aimé Cotton (CNRS), sous la direction de Christian Colliex² , s'est attachée depuis plus de vingt ans à mesurer les pertes d'énergie caractéristiques subies par les électrons du faisceau au cours de leur traversée de l'échantillon. A partir de la position, de l'intensité et de la forme des signaux enregistrés, ils ont ainsi montré qu'il est possible de déterminer la nature, le nombre et l'environnement des atomes concernés. La démonstration de l'imagerie sélective d'un type d'atomes déterminé, que l'on peut compter un par un, a été réalisée sur un échantillon élaboré par l'équipe de Sumio Iijima au Japon. Les nanotubes de carbone simple paroi ont été synthétisés et remplis par des chapelets de molécules de fullerènes ayant la propriété particulière de contenir chacune un seul atome d'un élément de terre rare, le gadolinium. L'objet-test ainsi analysé à partir de plus de 4000 spectres de pertes d'énergie enregistrés selon une trame régulière avec des pas de 0,3 nm, présentait la particularité de contenir à intervalles de l'ordre de 1,2 à 1,5 nm des atomes de gadolinium individuels et isolés. C'est cette distribution que le travail mené en collaboration franco-japonaise sur le microscope STEM d'Orsay a pu reproduire, en mettant en évidence la tendance à fusionner de molécules adjacentes de fullerènes, sous l'impact du faisceau d'électrons du microscope. La séquence des atomes de gadolinium comptés le long des nanotubes sélectionnés peut ainsi présenter des valeurs de plusieurs unités séparées par des séquences sans atome de gadolinium. Ces travaux démontrent que les développements techniques récents impliquant les sources d'électrons de grande brillance, les détecteurs d'électrons bidimensionnels associés à une intégration réussie de l'informatique à toutes les étapes de l'acquisition et du traitement des données, permettent non seulement de "voir" des atomes individuels dans leur environnement, aussi complexes soient-ils, mais aussi de les "reconnaître". Dès à présent, cette approche permet des applications dans des domaines très variés. Il a été immédiatement suggéré de la mettre en œuvre pour identifier des atomes individuels marqueurs sélectifs sur différents sites actifs moléculaires. D'ores et déjà des essais sont en cours pour distinguer des atomes de thorium et de terbium, colorants spécifiques de molécules d'ADN ou d'anticorps. Ceci n'exclut pas en parallèle de préparer une future génération de microscopes électroniques, possédant non seulement la sensibilité requise pour identifier des atomes individuels séparés par des distances de l'ordre du nanomètre, mais aussi la résolution spatiale nécessaire pour les séparer lorsqu'ils sont impliqués dans des arrangements compacts de quelques atomes, à savoir 0,2 ou 0,3 nm. Référence : Element-Selective Single Atom Imaging, K.Suenaga, M. Tencé, C.Mory, C.Colliex, H.Kato, T. Okazaki, H.Shinohara, K. Hirahara, S. Bandow, S.Iijima, Science, 22 décembre 2000. ¹ K.Suenaga, M. Tencé, C.Mory, C.Colliex, H.Kato, T. Okazaki, H.Shinohara, K. Hirahara, S. Bandow, S.Iijima. ² Directeur du Laboratoire Aimé Cotton (CNRS) Contact chercheur : Christian Colliex Laboratoire Aimé Cotton (CNRS) Tél : 01 69 35 20 05 Mél : christian.colliex@lac.u-psud.fr Contact département Sciences physiques et mathématiques : Frédérique Laubenheimer Tél : 01 44 96 42 63 Mél : frederique.laubenheimer@cnrs-dir.fr Contact presse : Carine Noël Tél : 01 44 96 46 06 Mél : carine.noel@cnrs-dir.fr