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Photographier les atomes d'une molécule, même les plus petits

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    Photographier les atomes d'une molécule, même les plus petits

    "Si vous voulez obtenir bonne photographie d'une molécule, votre premier travail sera de persuader les atomes la constituant de poser pour vous", explique John Silcox, professeur d'ingénierie à l'Université Cornell. Or les atomes ne sont pas des sujets commodes. Ils s'agitent furieusement, défiant tout microscope qui essaye de les saisir au vol. De plus ils ne sont guère polis: les plus gros atomes d'une molécule éclipsent systématiquement les plus petits, empêchant de visualiser ces derniers.

    Silcox et André Mkhoyan, également de Cornell, ont développé une technique pour observer individuellement les différents atomes de molécules cristallines permettant, pour la première fois, de visualiser leur polarité, ou leur alignement physique, et d'obtenir une vue sur les atomes les plus petits. Grâce à cette nouvelle technique, les chercheurs pourront prédire plus aisément les propriétés physiques d'un cristal en chacun de ses points. L'utilisation de cette technologie engendrera des améliorations dans le domaine des lasers et d'autres dispositifs, en particulier à l'échelle nanométrique, où la structure d'une molécule peut déterminer le comportement d'un instrument.


    Réseau cristallin observé au microscope STEM.
    Les cercles jaunes au centre de chaque molécule en forme de poire
    représentent le signal intense produit par un gros atome;
    les parties en rouge dans les zones les plus étroites représentent
    le signal plus faible des atomes plus petits.
    Ce type d'image permet pour la première fois aux chercheurs d'observer
    l'orientation des différents atomes dans un cristal,
    leur fournissant ainsi un outil essentiel pour prédire ses propriétés.
    Un modèle de la structure moléculaire est superposé à l'image.


    Les scientifiques ont utilisé un microscope électronique à balayage (STEM) sur des échantillons de nitrure de gallium et d'autres cristaux utilisés en nanotechnologie dans une chambre capitonnée et protégée afin de réduire le bruit acoustique des atomes et les rayonnements électromagnétiques. Le STEM était équipé d'un correcteur d'aberration (un focalisateur) développé par Nion Co. Les chercheurs ont dirigé un faisceau d'électrons de 0,9 angström sur les minuscules cristaux, et collecté les électrons dispersés sur un détecteur de forme annulaire formant ainsi une image reflétant la configuration de diffraction. Comme les plus grands atomes dévient davantage les électrons que les plus petits, les données résultantes étaient relativement simples à interpréter.

    Utilisée sur un échantillon de nitrure d'aluminium, la technique, dite de champ sombre annulaire, montre des rangées de molécules en forme de poire avec les atomes d'aluminium (les plus gros) du coté épais et les atomes d'azote plus petits du coté étroit. C'est la première fois que les plus petits atomes d'une telle structure sont visualisés sur une image.

    Le point clé, selon Silcox, est l'étroitesse du faisceau d'électrons de lecture. "Nous parvenons à l'échelle de l'atome, versus celle de l'espacement entre atomes auparavant", indique-t-il. "Nous commençons à observer des alignements d'atomes légers ; de ce fait nous pouvons aisément caractériser le cristal avec plus de précision, en chaque point de sa structure".

    Mkhoyan précise que l'impossibilité de réaliser de telles images dans le passé représentait un obstacle considérable pour des chercheurs en nanotechnologie. "L'étude et l'application de ces réseaux cristallins sont au coeur de cette science. De nombreux articles sont consacrés à la synthèse et aux applications des nano particules basés sur ces matériaux", remarque-t-il, "cependant, la performance des dispositifs dépend fortement de la qualité structurale de ces nano particules. L'utilisation de notre technologie sera d'un grand secours, car elle permettra d'analyser n'importe quelle région de la structure et d'observer son comportement".

    Source: Cornell University
    Illustration: Mkhoyan CU
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