Aperçus du nanocosme avec une netteté et une rapidité inégalées jusqu'à présent

Une équipe germano-américaine autour de la physicienne de la TU Tais Gorkhover et de Christoph Bostedt du Laboratoire National Argonne et de l’Université Northwestern à Chicago a réussi à filmer des explosions de nanoparticules libres individuelles à l’aide d’un microscope à rayons X ultrarapide. Pour la première fois, une résolution inférieure à 8 nanomètres a été combinée à une résolution temporelle très élevée de 100 femtosecondes. La durée d’exposition de la prise de vue était si courte que les particules gazeuses rapides apparaissaient comme « figées » sur les images et n’avaient donc pas besoin d’être fixées — comme c’est habituellement le cas en microscopie. La Dr. Tais Gorkhover travaille à l’Institut de physique optique et atomique de la TU dans le groupe de recherche sur les amas et nanocristaux, dirigé par le Prof. Dr. Thomas Möller. Ses recherches s’inscrivent dans le cadre d’une bourse Peter Paul Ewald de la Fondation Volkswagen au laboratoire de recherche SLAC de l’Université Stanford aux États-Unis. Pour ses expériences, l’équipe de chercheurs a utilisé un laser à rayons X unique (Free Electron Laser), capable de produire des impulsions de rayons X extrêmement courtes et intenses. Les résultats de ses recherches ont été publiés dans Nature Photonics : DOI : 10.1038/NPHOTON.2015.264.

Les méthodes d’imagerie modernes sont fortement limitées lorsqu’une combinaison d’une haute résolution et d’une rapidité extrême est nécessaire. Les techniques d’imagerie optique rapide se concentrent généralement uniquement sur des objets macroscopiques. Les microscopes électroniques produisent des images nettement plus précises, mais au prix d’une résolution temporelle inférieure en raison du long temps d’exposition. Cette situation a jusqu’à présent empêché la visualisation directe de processus ultrarapides dans des nanoparticules libres. Or, la compréhension de tels processus est fondamentale pour un large éventail de questions, allant de la modélisation climatique à la nanotechnologie.

En général, les nanoparticules libres peuvent fortement modifier leurs propriétés dès qu’elles sont fixées à des surfaces. Afin de pouvoir représenter les particules à étudier et leur dynamique de manière aussi inaltérée que possible, celles-ci ont été photographiées pendant leur vol libre à travers une chambre à vide. Les minuscules particules, d’un diamètre de 40 nanomètres (comparables à environ un millième de l’épaisseur d’un cheveu humain), étaient composées de xénon solide. Les particules ont été ionisées à l’aide d’un laser optique intensif, fortement chauffées et amenées à exploser, puis illuminées par des impulsions de rayons X. À partir d’une multitude d’images, un film de diverses explosions a été assemblé. « À notre grande surprise, les particules en explosion semblaient devenir plus petites au fil du temps, au lieu, comme on l’attendait, de s’étendre », explique Tais Gorkhover. Ce résultat inattendu a finalement pu être expliqué par des modèles théoriques dans lesquels les particules ne s’étendent pas de manière uniforme, mais « fondent » de l’extérieur vers l’intérieur.

Un autre aspect intéressant de cette nouvelle méthode est qu’il a été possible pour la première fois de représenter directement la dynamique de nanoparticules libres individuelles. Jusqu’à présent, la plupart des études en résolution temporelle reposaient sur l’observation de nombreux particules, et donc sur des valeurs moyennes. Cela peut facilement faire passer à côté des différences fondamentales, liées par exemple à la taille, à la position et à la nature des particules. « Nous avons déjà confirmé lors d’expériences statiques antérieures qu’avec cette approche, il est possible de découvrir des effets inattendus qui n’avaient pas été perçus auparavant. Désormais, cette méthode est enfin disponible pour des techniques d’imagerie en résolution temporelle », explique Gorkhover.

« Notre expérience ne fournit pas seulement des aperçus fondamentaux sur la physique de la matière fortement surchauffée, mais ouvre également la voie à une multitude de futures expériences visant à étudier la dynamique rapide avec une haute résolution dans des particules en suspension », explique Christoph Bostedt. De telles dynamiques sont par exemple importantes dans la formation d’aérosols, qui peuvent réfléchir une grande partie du rayonnement solaire et sont donc pertinentes pour les modèles climatiques. La recherche sur les réacteurs à fusion laser et le domaine de la nanoplasmonique, un nouveau domaine de la nanotechnologie où les propriétés des nanoparticules sont contrôlées à l’aide de champs lumineux intenses, pourraient également bénéficier de cette nouvelle méthodologie.

Publication originale :

Tais Gorkhover et Christoph Bostedt et al. : Visualisation femtoseconde et nanométrique de la dynamique structurale dans des nanoparticules surchauffées, DOI : 10.1038/NPHOTON.2015.264