Le 13 mai 2011, le journal Science a publié un article où des scientifiques de Risoe DTU (Danemark), en collaboration avec des scientifiques chinois et américains, rapportent une nouvelle méthode pour révéler une image 3D de la structure à l'intérieur d'un matériau.
La plupart des matériaux solides sont composés de millions de petits cristaux, emballés ensemble pour former un solide entièrement dense. Les orientations, formes, les tailles et l'arrangement relatif de ces cristaux sont importants pour déterminer de nombreuses propriétés des matériaux.
Traditionnellement, il n'a été possible de voir la structure cristalline d'un matériau qu'en regardant une surface coupée, donnant juste des informations 2D. Dans les années récentes, Des méthodes aux rayons X ont été développées qui peuvent être utilisées pour regarder à l'intérieur d'un matériau et obtenir une carte 3D de la structure cristalline. Cependant, ces méthodes ont une limite de résolution d'environ 100 nm.
En revanche, la technique nouvellement développée maintenant publiée dans Science , permet la cartographie 3D de la structure cristalline à l'intérieur d'un matériau jusqu'à une résolution nanométrique, et peut être réalisé à l'aide d'un microscope électronique à transmission, un instrument que l'on retrouve dans de nombreux laboratoires de recherche.
Les échantillons doivent être plus fins que quelques centaines de nanomètres. Cependant, cette limitation n'est pas un problème pour les enquêtes sur les structures cristallines à l'intérieur des nanomatériaux, où la taille moyenne des cristaux est inférieure à 100 nanomètres, et ces matériaux sont étudiés partout dans le monde à la recherche de matériaux dotés de propriétés nouvelles et meilleures que les matériaux que nous utilisons aujourd'hui.
Par exemple, les nanomatériaux ont une résistance extrêmement élevée et une excellente résistance à l'usure et les applications s'étendent donc de la microélectronique aux engrenages pour les grandes éoliennes. La capacité de collecter une image 3D de la structure cristalline de ces matériaux est une étape importante pour pouvoir comprendre les origines de leurs propriétés particulières.
Un exemple d'une telle carte 3D est donné dans la figure, montrant l'arrangement des cristaux dans un film d'aluminium nanométallique de 150 nm d'épaisseur. Les cristaux ont une structure réticulaire identique (arrangement des atomes) mais ils sont orientés de différentes manières dans l'échantillon 3D comme illustré par les étiquettes 1 et 2. Les couleurs représentent les orientations des cristaux et chaque cristal est défini par des volumes de même couleur . Les cristaux individuels de différentes tailles (de quelques nm à environ 100 nm) et de formes (d'allongées à sphériques) sont clairement visibles et cartographiés avec une résolution de 1 nanomètre.
Un avantage important de ces méthodes 3D est qu'elles permettent d'observer directement les changements qui se produisent à l'intérieur d'un matériau. Par exemple, la cartographie peut être répétée avant et après un traitement thermique révélant l'évolution de la structure au cours du chauffage.
Cette nouvelle technique a une résolution 100 fois meilleure que les techniques 3D non destructives existantes et ouvre de nouvelles opportunités pour une analyse plus précise des paramètres structurels dans les nanomatériaux.
