Les méthodes analytiques basées sur la diffraction sont largement utilisées dans les laboratoires, mais ils ont du mal à étudier des échantillons plus petits qu'un micromètre. Chercheurs du Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux (CNRS/Ensicaen/Unicaen), le Laboratoire catalyse et spectrochimie (CNRS/Ensicaen/Unicaen), et l'Académie des sciences de la République tchèque ont néanmoins réussi à utiliser la diffraction électronique pour révéler la structure des nanocristaux2. Leur méthode est si sensible qu'elle a même localisé la position des atomes d'hydrogène pour la première fois, ce qui est crucial pour accéder à la morphologie des molécules ou à la taille des cavités dans les matériaux poreux. Cette recherche, publié le 13 janvier 2017, a fait la une du journal Science .

La diffraction des rayons X ou des neutrons par les cristaux est une méthode de choix pour obtenir la structure atomique des solides cristallins indispensable à la compréhension des propriétés des matériaux, mécanismes réactionnels ou biomolécules comme les protéines ou l'ADN. Cependant, cette technique nécessite des cristaux de l'ordre du micromètre, dans le cas des rayons X, et d'un millimètre, dans le cas des neutrons. La diffraction électronique permet l'étude d'échantillons nanométriques, grâce à la forte interaction avec la matière de ces particules chargées. L'inconvénient est que de multiples diffractions se produisent et réduisent la qualité des résultats obtenus.

Dans la théorie cinématique de la diffraction, on suppose que les particules diffractées subissent un seul événement de diffraction. Cette approximation simplifie considérablement les analyses pour les rayons X et les neutrons, mais ne fonctionne pas pour les électrons. Il faut donc utiliser la théorie dynamique de la diffraction, qui tient compte du fait que les électrons peuvent être diffractés plusieurs fois. Cela nécessite un traitement spécifique, et une analyse longue et complexe.

Grâce à une nouvelle application de la théorie dynamique à l'analyse des données de diffraction électronique, il a été possible de déterminer les structures d'un composé organique, paracétamol, et un composé inorganique, un aluminophosphate de cobalt. La sensibilité remarquable de cette méthode permet de révéler la position des atomes même les plus légers, c'est-à-dire des atomes d'hydrogène. Leur position est cruciale pour accéder à la morphologie des molécules organiques, interactions faibles dans le matériau, et la taille des cavités dans les matériaux inorganiques poreux. En localisant les atomes d'hydrogène, il est démontré que la structure des nombreux composés qui ne forment que de très petits cristaux peut maintenant être résolue dans ses moindres détails. Cette recherche ouvre la voie à une large utilisation de la diffraction électronique pour déterminer la structure des cristaux qui ne sont pas accessibles par diffraction des rayons X ou des neutrons.