Les chercheurs utilisent la microscopie électronique pour produire des images haute résolution à l'échelle atomique de tout, des nanomatériaux composites aux protéines individuelles. La technologie fournit des informations précieuses sur la texture, chimie, et la structure de ces matériaux. La recherche au cours des dernières décennies s'est concentrée sur l'obtention de résolutions plus élevées :être capable d'imager des matériaux à des niveaux de plus en plus fins avec plus de sensibilité et de contraste. Mais quel avenir pour la microscopie électronique ?

Andrew Minor est le directeur des installations du Centre national de microscopie électronique de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab. Minor est également membre de la Division des sciences des matériaux, et professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'UC Berkeley et a co-écrit plus de 190 publications et a reçu de nombreux prix et distinctions pour son travail. Le groupe de recherche de Minor se concentre sur de nouvelles méthodes utilisant la microscopie électronique pour étudier la structure et les phénomènes à l'échelle nanométrique dans les matériaux.

Q. L'avenir de la microscopie électronique consiste-t-il à atteindre une résolution encore plus grande ou à améliorer une autre facette de la technologie ?

A. Historiquement, la résolution était la chose que les gens voulaient le plus pousser, et cela s'est produit au cours des 30 à 40 dernières années avec un grand effet. Les microscopes électroniques peuvent maintenant atteindre une résolution d'un demi-angström. C'est la moitié de la largeur d'un atome d'hydrogène, et un atome d'hydrogène est le plus petit atome qui soit. Il n'y a pas grand chose à voir au-delà. La résolution spatiale réelle n'est donc plus un facteur déterminant pour la plupart des applications.

Cependant, le gros inconvénient est que cette excellente résolution n'est vraiment disponible qu'à proximité de la température ambiante. Une grande partie de ce qui nous intéresse n'est pas à température ambiante, et il y a de gros problèmes pour atteindre ces types de résolutions si vous allez à des températures très basses ou très élevées. Mon sentiment personnel est que les améliorations technologiques les plus percutantes proviendront de l'extension de la résolution que nous connaissons et aimons à température ambiante à d'autres environnements.

Q. Que permettrait la microscopie électronique à haute résolution à des températures plus basses ?

R. Cela permettrait notamment d'obtenir de meilleures images de matériaux sensibles au faisceau d'électrons. Il y a ce compromis inhérent entre le fait que les électrons interagissent très fortement avec la matière, mais cela signifie aussi qu'ils endommagent très facilement la matière. Un métal ou une céramique peut supporter de nombreux électrons, ce que nous appelons une forte dose d'électrons dans une expérience. Vous pouvez obtenir des images très nettes car vous pouvez envoyer beaucoup d'électrons et vraiment augmenter votre rapport signal sur bruit. Dans la communauté biologique, ou encore avec un matériau souple comme un polymère, les électrons eux-mêmes peuvent endommager très rapidement les structures. Cela limite votre capacité à imager le matériel dans un état vierge ou représentatif.

Une façon dont le domaine a résolu ce problème est d'effectuer une microscopie à basse température, soi-disant cryoEM, où vous limitez légèrement les dégâts sur le matériel car les choses sont plus figées et les dégâts n'évoluent pas aussi vite. Mais quand vous allez à basse température, parce que tout le reste de la colonne du microscope est chaud par rapport à la basse température de l'échantillon, votre échantillon se déplace et change de position. Et lorsque vous êtes à un grossissement élevé, les images sont floues. C'est pourquoi je pense personnellement, et ici à Berkeley Lab, nous pensons, la solution à ce problème inhérent est de refroidir l'ensemble du microscope. Un nouveau concept important que nous menons ici est de développer un microscope à très basse température qui pourrait aller jusqu'à un degré Kelvin. Beaucoup de matériaux intéressants n'existent qu'à ces basses températures.

Q. Où en êtes-vous dans le développement d'un microscope à froid et que pourrait-il permettre aux chercheurs de faire ?

R. Nous avons commencé la conception avec le soutien du programme de recherche et développement dirigé par un laboratoire et avons le soutien du ministère de l'Énergie par le biais de la fonderie moléculaire pour construire un prototype de système de test d'aimant supraconducteur afin de confirmer certains aspects de notre conception. Nous avons également organisé une réunion communautaire en janvier pour examiner les différents moteurs scientifiques et réfléchir à ce qui pourrait être fait si vous disposiez de cette belle résolution à basse température pour de nouveaux matériaux. Des aspects entiers de la physique de la matière condensée et de la physique de l'état solide n'existent vraiment qu'à basse température. La plus évidente est la supraconductivité :la plupart des gens savent que les supraconducteurs n'existent qu'à basse température. Vous les réchauffez trop et cette propriété disparaît. Beaucoup de propriétés sont comme ça dans ce qu'on appelle des systèmes fortement corrélés, ou matériaux quantiques pour faire court. Nous n'avons pas été en mesure d'examiner avec une résolution atomique bon nombre de ces aspects intéressants des matériaux quantiques en raison des problèmes inhérents de dérive et de stabilité dans les microscopes disponibles actuellement.

Une autre capacité pourrait être la conception de nouveaux matériaux ou l'amélioration de ceux existants. En science des matériaux, nous nous intéressons à la corrélation entre la structure et les propriétés. Pouvoir examiner cela à la résolution fondamentale du matériau, comme les atomes, est un élément essentiel de ce qui se passe dans le développement de nouveaux matériaux.

Q. Quelles pourraient être d'autres possibilités?

A. Les matériaux exotiques sur des planètes lointaines existent à des températures froides. Que pouvons-nous apprendre sur l'étude des matériaux qui ne se forment qu'à basse température ? Le microscope à basse température fournirait également un environnement à vide poussé, ce qui serait idéal pour regarder de près les surfaces de matériaux tels que les particules catalytiques. Other things that would be of interest include the basic science of looking at structures when they are slow and frozen. A lot of processes are very fast at the atomic scale, like ions going back and forth in a battery. It's so fast that usually we can't capture it. Going cold would be one way to try to slow down processes to examine materials dynamically that are too fast to capture at room temperature.

I'm a materials scientist, so I gave you a lot of materials applications. But more broadly, the field of electron microscopy is impacting other fields, such as the biological community, the earth sciences community, microelectronics, and drug discovery. Going to low temperatures is of interest in these fields because you'll get a better picture and better measurements and enable atomic resolution imaging in an environment that is important for many advanced technologies, like quantum computing.