Une technique qui a révolutionné la capacité des scientifiques à manipuler et à étudier des matériaux à l'échelle nanométrique peut avoir des conséquences inattendues dramatiques, révèle une nouvelle recherche de l'Université d'Oxford.

Le broyage par faisceau d'ions focalisé (FIB) utilise un minuscule faisceau de particules hautement énergétiques pour couper et analyser des matériaux plus petits qu'un millième d'un cheveu humain.

Cette capacité remarquable a transformé des domaines scientifiques allant de la science et de l'ingénierie des matériaux à la biologie et aux sciences de la terre. FIB est maintenant un outil essentiel pour un certain nombre d'applications, notamment; la recherche d'alliages hautes performances pour l'ingénierie aérospatiale, applications nucléaires et automobiles et pour le prototypage en micro-électronique et micro-fluidique.

On croyait auparavant que le FIB causait des dommages structurels à l'intérieur d'une couche superficielle mince (des dizaines d'atomes d'épaisseur) du matériau coupé. Jusqu'à présent, on supposait que les effets du FIB ne s'étendraient pas au-delà de cette mince couche endommagée. De nouveaux résultats révolutionnaires de l'Université d'Oxford démontrent que ce n'est pas le cas, et que le FIB peut en fait altérer considérablement l'identité structurelle du matériau. Ce travail a été réalisé en collaboration avec des collègues du Laboratoire National d'Argonne, ETATS-UNIS, Université LaTrobe, Australie, et le Culham Center for Fusion Energy, ROYAUME-UNI.

Dans une recherche récemment publiée dans la revue Rapports scientifiques , l'équipe a étudié les dommages causés par le FIB à l'aide d'une technique appelée diffraction cohérente des rayons X synchrotron. Cela repose sur des rayons X ultra-lumineux à haute énergie, disponible uniquement dans les installations centrales telles que la source avancée de photons du laboratoire national d'Argonne, ETATS-UNIS. Ces rayons X peuvent sonder la structure 3D des matériaux à l'échelle nanométrique. Les résultats montrent que même de très faibles doses de FIB, auparavant considéré comme négligeable, avoir un effet dramatique.

Félix Hofmann, Professeur agrégé au Département des sciences de l'ingénieur d'Oxford et auteur principal de l'étude, mentionné, "Nos recherches montrent que les faisceaux FIB ont des conséquences beaucoup plus étendues qu'on ne le pensait au départ, et que les dommages structurels causés sont considérables. Il affecte l'ensemble de l'échantillon, changer fondamentalement le matériau. Étant donné le rôle que la FIB est venu à jouer dans la science et la technologie, il est urgent de développer de nouvelles stratégies pour bien comprendre les effets des dommages causés par les FIB et comment ils pourraient être contrôlés. »

Avant le développement de FIB, les techniques de préparation des échantillons étaient limitées, ne permettant de préparer que des sections à partir de la masse de matière, mais pas de caractéristiques spécifiques. FIB a transformé ce domaine en permettant de découper de minuscules coupons provenant de sites spécifiques dans un matériau. Cette progression a permis aux scientifiques d'examiner des caractéristiques matérielles spécifiques à l'aide de microscopes électroniques à haute résolution. En outre, il a rendu possible le test mécanique de minuscules échantillons de matériau, une nécessité pour l'étude des matières dangereuses ou extrêmement précieuses.

Bien que désireux que ses pairs tiennent compte des graves conséquences de la FIB, Le professeur Hofmann a dit :« La communauté scientifique est sensibilisée à ce problème depuis un certain temps maintenant, mais personne (moi y compris) n'a réalisé l'ampleur du problème. Il n'y a aucun moyen que nous aurions pu savoir que le FIB avait des effets secondaires aussi invasifs. La technique fait partie intégrante de notre travail et a transformé notre approche du prototypage et de la microscopie, changer complètement notre façon de faire de la science. C'est devenu un élément central de la vie moderne."

Avancer, l'équipe est soucieuse de développer la prise de conscience des dommages causés par les FIB. Par ailleurs, ils s'appuieront sur leurs travaux actuels pour mieux comprendre les dommages formés et comment ils pourraient être supprimés. Le professeur Hofmann a dit :"Nous apprenons à nous améliorer. Nous sommes passés de l'utilisation aveugle de la technique, à déterminer comment nous pouvons réellement voir les distorsions causées par le FIB. Ensuite, nous pouvons envisager des approches pour atténuer les dommages causés par le FIB. Il est important de noter que les nouvelles techniques de rayons X que nous avons développées nous permettront d'évaluer l'efficacité de ces approches. À partir de ces informations, nous pouvons alors commencer à formuler des stratégies pour gérer activement les dommages causés par les FIB. »