Comprendre comment les réactions chimiques se produisent sur de minuscules cristaux dans des solutions liquides est au cœur de nombreux domaines, incluant la synthèse de matériaux et la catalyse hétérogène, mais obtenir une telle compréhension exige que les scientifiques observent les réactions au fur et à mesure qu'elles se produisent.

En utilisant des techniques cohérentes de diffraction des rayons X, les scientifiques peuvent mesurer la forme extérieure et la déformation des matériaux nanocristallins avec un haut degré de précision. Cependant, la réalisation de telles mesures nécessite un contrôle précis de la position et des angles du minuscule cristal par rapport au faisceau de rayons X entrant. Traditionnellement, cela a signifié adhérer ou coller le cristal à une surface, qui à son tour tend le cristal, altérant ainsi sa structure et affectant potentiellement sa réactivité.

"Avec des pincettes optiques, vous pouvez capturer une seule particule dans son état natif en solution et observer son évolution structurelle, " a déclaré Linda Young, Argonne distingué.

Maintenant, des scientifiques du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) et de l'Université de Chicago ont mis au point une nouvelle technique qui combine la puissance des « faisceaux tracteurs » à l'échelle nanométrique avec des rayons X de haute puissance, leur permettant de positionner et de manipuler des cristaux en solution qui ne sont pas en contact avec des substrats.

La technique du faisceau tracteur est connue sous le nom de "pince optique, " qui a également reçu par coïncidence le prix Nobel de physique 2018, car il permet de manipuler des échantillons en utilisant uniquement la lumière.

Alors que les pincettes optiques ordinaires impliquent un seul faisceau laser focalisé, les pincettes optiques holographiques utilisées dans l'étude impliquent des lasers modifiés avec précision avec un modulateur spatial de lumière. Ces lasers sont réfléchis par un miroir pour créer un motif d'interférence de « points chauds » qui sont à la fois plus localisés qu'un faisceau laser simplement focalisé et ont des emplacements rapidement reconfigurables. Le gradient de champ électrique de ces points chauds focalisés attire le cristal polarisable et le maintient en place.

Avec une paire de pincettes engagées, chacune à une extrémité du cristal, les scientifiques d'Argonne pouvaient manipuler le microcristal semi-conducteur en trois dimensions avec une grande précision en présence d'une solution liquide et sans l'exposer à d'autres surfaces.

"D'habitude, quand les gens regardent des microcristaux en utilisant la diffraction des rayons X, ils sont collés sur un porte-échantillon, ce qui provoque une distorsion, " a déclaré Linda Young, compatriote distinguée d'Argonne, un auteur correspondant de l'étude. "Mais maintenant, avec des pincettes optiques, vous pouvez capturer une seule particule dans son état natif en solution et observer son évolution structurelle. En principe, vous pouvez ajouter des réactifs, capturer la dissolution ou la réaction et surveiller les changements au niveau atomique."

En acquérant la capacité de manipuler l'échantillon en utilisant uniquement la lumière, Young et ses collègues ont pu profiter des rayons X cohérents produits par l'Advanced Photon Source (APS) d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science. En utilisant une technique appelée imagerie par diffraction cohérente de Bragg (CDI), les chercheurs ont pu examiner la structure du cristal dans des conditions réelles et sous différents angles.

En associant des pincettes optiques au Bragg CDI, les scientifiques ont maintenant une nouvelle façon d'explorer les matériaux en milieu liquide, a expliqué Yuan Gao, scientifique du Brookhaven National Laboratory (BNL), le premier auteur de l'étude. "Notre découverte vient d'une combinaison de différentes techniques, y compris l'appariement de lasers avec le faisceau cohérent de l'APS, " dit-il. " Pour que l'expérience fonctionne, nous avions également besoin de la technique de nanofabrication du Center for Nanoscale Materials pour fabriquer la cellule d'échantillon. » Le Center for Nanoscale Materials (CNM) est également une installation utilisateur du DOE Office of Science.

Selon Young, la technique pourrait être utile pour un large éventail d'études futures, y compris la nucléation et la croissance cristalline. "Typiquement, les gens regardent des échantillons nanocristallins isolés dans l'air ou sous vide. Nous voulions pouvoir contrôler de tels objets en phase liquide. Par exemple, nous voulions pouvoir suivre en temps réel le déroulement de la catalyse ou de la cristallisation avec la précision qu'offre la cristallographie aux rayons X, " elle a dit.

Gao a souligné la stabilité offerte par les pincettes optiques comme un avantage principal pour les futures expériences de rayons X cohérents. "La diffraction cohérente est très sensible à la position et à l'orientation de l'échantillon, et cette expérience a démontré les possibilités de cette nouvelle technique, " dit-il. En raison de la stabilité de la technique, les enquêteurs ont pu obtenir des données de diffraction cohérentes, ce qui leur a permis de reconstruire l'échantillon avec une précision sub-nanométrique, révélant des défauts à l'échelle sub-nanométrique et des joints de grains dans le microcristal de ZnO apparemment cristallin.

« Alors que nous envisageons la mise à niveau de l'APS, qui augmentera la luminosité des faisceaux de rayons X par ordre de grandeur, ces mesures seront beaucoup plus rapides et fourniront un aperçu encore plus passionnant de la façon dont les échantillons changent dans le temps, " a ajouté Ross Harder, un physicien Argonne à l'APS qui est un auteur sur le papier.

Finalement, les chercheurs souhaitent étendre la technique pour capturer l'évolution ultrarapide du cristal lorsqu'il est excité par une impulsion laser, a déclaré Norbert Scherer, professeur de chimie à l'Université de Chicago, un autre auteur de l'article. « C'est la première étape vers la réalisation de notre plus grande ambition, qui est de visualiser la dynamique structurelle dépendante du temps de la façon dont le réseau change, " il a dit.

Pour réaliser l'expérience, les chercheurs se sont appuyés sur la création de composants microfluidiques au CNM. Des simulations électrodynamiques ont également été réalisées au sein du cluster de calcul haute performance Carbone du CNM. Des chercheurs de l'Université de Chicago ont apporté leur expertise sur la technique de la pince à épiler optique holographique.

Un article basé sur l'étude, "Piégeage optique tridimensionnel et orientation de microparticules pour une imagerie cohérente par diffraction des rayons X, " paru dans l'édition en ligne du 11 février du Actes de l'Académie nationale des sciences .