Holographie de Rayons X en vol

(Image à gauche) Les rayons X sont diffusés sur deux sphères et forment un motif d'interférence caractéristique appelé hologramme. (Images au centre) Les modifications de la taille ou de la distance entre les sphères se reflètent directement dans l'hologramme et peuvent également être recalculées à partir de celui-ci. (Image à droite) Si les deux sphères ne sont pas dans le même plan, les bandes d'interférence se transforment en lignes courbées, à partir desquelles la disposition tridimensionnelle peut être reconstruit. Dans l’« Holographie en vol », la plus petite sphère est utilisée comme référence holographique et la plus grande est remplacée par l’échantillon à étudier. À partir de l’hologramme, il est possible de récupérer non seulement la distance, mais aussi la structure de l’échantillon grâce à l’interférence caractéristique. (© Tais Gorkhover & Anatoli Ulmer)

Les chercheuses et chercheurs du groupe de Prof. Thomas Möller à l'Institut d'Optique et de Physique Atomique de l'Université Technique de Berlin ont réussi, en collaboration avec une équipe internationale, à développer une nouvelle forme d'holographie, appelée « Holographie en vol ». Grâce à cette technique particulière d'holographie aux rayons X, ils ont pu produire pour la première fois des images à haute résolution de nanoviroses, qui n'avaient pas besoin d'être fixées à une surface — elles étaient donc « en vol ».

L'holographie repose, dans son sens le plus large, sur l'interférence — c'est-à-dire la superposition — de faisceaux lumineux. Un hologramme se forme lorsque la lumière diffusée par un objet est superposée à un faisceau de référence. Cette superposition conduit à des motifs d'interférence uniques, à partir desquels il est possible, à l'aide d'algorithmes spécifiques, de calculer l'information sur la structure de l'objet. Par exemple, dans le cas des hologrammes optiques, il est possible de déterminer la structure tridimensionnelle d'un objet.

Dans le domaine des rayons X, l'holographie est un outil puissant qui permet, sans nécessiter beaucoup de calculs, d'obtenir des aperçus uniques de la structure de minuscules particules, telles que les virus et autres nanoparticules. « Un inconvénient : jusqu'à présent, il fallait fixer les échantillons, qui ne mesuraient que quelques nanomètres, sur une surface. Cela peut poser problème pour les échantillons biologiques et sensibles, comme les virus, car toute méthode de fixation modifie automatiquement l'échantillon. L'image résultante ne reflète donc pas l'état original », explique Anatoli Ulmer, co-auteur de l'étude, doctorant à la chaire de Prof. Möller à l'Université Technique de Berlin.

« Ce qui rend notre méthode particulière, c'est d'une part le fait que nous étudions des nanoparticules sans avoir à les modifier au préalable. De plus, la méthode permet une reconstruction claire et simple de l'échantillon, et est moins sensible au bruit de fond et à d'autres facteurs perturbateurs par rapport aux approches non holographiques », précise Anatoli Ulmer.

Dans cette étude, les chercheurs ont montré que l'holographie aux rayons X peut également être appliquée avec succès à des nanoparticules non fixées en phase gazeuse. L'expérience a été menée principalement par Dr. Tais Gorkhover, Prof. Dr. Christoph Bostedt et Anatoli Ulmer au laser à rayons X cohérents Linac (LCLS) en Californie, et a été sélectionnée pour la couverture de la rubrique « couverture de mars » de la revue Nature Photonics.

Un objet de référence a été ajouté aux virus dans l'échantillon, créant ainsi la condition pour une prise d'images holographiques. La référence utilisée était constituée de ce que l'on appelle des nanoclusters : des petites sphères de xénon.

Les nanoviroses ainsi que les nanoclusters ont été injectés ensemble dans le faisceau du laser à rayons X. L'échantillon est irradié par une impulsion laser d'une durée de l'ordre de 100 femtosecondes (1 femtoseconde = 10^-15 secondes). La radiation aux rayons X est diffusée à la fois par les nanoclusters et par les virus. Les motifs d'interférence résultants du rayonnement diffusé sont enregistrés par une caméra spéciale et contiennent des informations sur la structure du virus.

« Sans holographie, il faudrait analyser les images de diffraction en des milliers d'étapes à l'aide d'algorithmes complexes. La structure est alors déduite en moyennant des centaines de solutions possibles. En revanche, nos hologrammes peuvent être interprétés de manière univoque en seulement deux étapes », ajoute Dr. Tais Gorkhover, première auteure de l'étude, scientifique principale de l'équipe ayant réalisé l'expérience, et ancienne collaboratrice de l'Université Technique de Berlin, actuellement chercheuse à l'Université de Stanford aux États-Unis.

À long terme, cette méthode holographique pourrait ouvrir de nouvelles voies pour mieux étudier, par exemple, les nanoparticules jouant un rôle important dans la pollution atmosphérique, les mécanismes de combustion et la catalyse.

*Publication : Femtosecond X-ray Fourier holography imaging of free-flying nanoparticles ; Nature Photonics, Volume 12, pages 150–153 (2018), DOI : 10.1038/s41566-018-0110-y