La capacité à diagnostiquer et prédire les propriétés des matériaux est vitale, en particulier dans le domaine en pleine expansion des nanotechnologies. La microscopie électronique et à sonde atomique peut catégoriser les atomes dans de fines feuilles de matériau, et dans de petites zones d'échantillons plus épais, mais il s'est avéré beaucoup plus difficile de cartographier les constituants des nanostructures à l'intérieur de grandes, objets épais. Les rayons X, l'outil d'imagerie le plus courant pour les matériaux biologiques durs tels que les os, ont une taille de foyer limitée, ils ne peuvent donc pas se concentrer sur des objets à l'échelle nanométrique.

Maintenant, Yukio Takahashi et ses collègues de l'Université d'Osaka, avec des chercheurs de l'Université de Nagoya et du centre RIKEN SPring-8 à Hyogo, ont réussi pour la première fois à produire à grande échelle des images bidimensionnelles de nanostructures enrobées de matériaux épais. Leur travail a été possible car ils ont conçu un nouveau système de microscopie à diffraction des rayons X qui ne nécessite pas d'objectif.

« Les principaux défis de ce travail étaient de réaliser une microscopie à diffraction des rayons X avec une haute résolution et un grand champ de vision, puis l'étendre à l'imagerie spécifique à l'élément, », explique Takahashi. "Nous y sommes parvenus en établissant une technique d'imagerie par diffraction des rayons X à balayage appelée ptychographie aux rayons X."

La ptychographie consiste à prendre des images d'un objet qui se chevauchent sur une série de points de réseau coïncidents. Les chercheurs ont combiné cette technique avec des rayons X, et inclus un système pour compenser la dérive de l'optique pendant l'imagerie. Takahashi et ses collègues ont concentré les rayons X à l'aide de soi-disant «miroirs Kirkpatrick-Baez» qui leur ont permis de collecter des données de diffraction de haute qualité.

Leur système surveille les changements dans la diffraction des rayons X à deux énergies différentes. Le degré de différence de phase entre les deux énergies de rayons X change de manière significative au bord d'absorption de l'élément cible. Ceci est lié au numéro atomique de l'élément, ce qui signifie que les éléments présents dans le matériau peuvent être identifiés. Pour vérifier que leur système fonctionne, les chercheurs ont déposé des nanoparticules d'or/argent de l'ordre de 200 nanomètres sur une membrane en nitrure de silicium, et produit des images à haute résolution et à grande échelle des particules. Les résolutions étaient meilleures que 10 nanomètres (Fig. 1).

« L'une des applications pratiques [de cette technique] à l'avenir est l'observation possible de cellules, », explique Takahashi. « La forme d'une cellule entière et la distribution spatiale de [ses] organites pourraient être visualisées en trois dimensions à une résolution de 10 nanomètres, afin de fournir des informations clés sur l'organisation à l'intérieur des cellules. Nous espérons que cette technique sera utilisée à l'avenir en biologie et en science des matériaux. »