(PhysOrg.com) -- Les chercheurs de l'UCLA sont désormais capables de scruter les plus petites structures du monde pour créer des images tridimensionnelles d'atomes individuels et de leurs positions. Leurs recherches, publié le 22 mars dans la revue La nature , présente une nouvelle méthode de mesure directe de la structure atomique des nanomatériaux.

"C'est la première expérience où nous pouvons voir directement des structures locales en trois dimensions à une résolution à l'échelle atomique - cela n'a jamais été fait auparavant, " a déclaré Jianwei (John) Miao, professeur de physique et d'astronomie et chercheur au California NanoSystems Institute (CNSI) à l'UCLA.

Miao et ses collègues ont utilisé un microscope électronique à transmission à balayage pour balayer un faisceau étroit d'électrons de haute énergie sur une minuscule particule d'or de seulement 10 nanomètres de diamètre (presque 1, 000 fois plus petit qu'un globule rouge). La nanoparticule contenait des dizaines de milliers d'atomes d'or individuels, chacun environ un million de fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain. Ces atomes interagissent avec les électrons traversant l'échantillon, projeter des ombres contenant des informations sur la structure interne de la nanoparticule sur un détecteur sous le microscope.

L'équipe de Miao a découvert qu'en prenant des mesures sous 69 angles différents, ils pourraient combiner les données glanées à partir de chaque ombre individuelle dans une reconstruction 3-D de l'intérieur de la nanoparticule. En utilisant cette méthode, connue sous le nom de tomographie électronique, L'équipe de Miao a pu voir directement des atomes individuels et comment ils étaient positionnés à l'intérieur de la nanoparticule d'or spécifique.

Présentement, La cristallographie aux rayons X est la principale méthode de visualisation des structures moléculaires 3-D à des résolutions atomiques. Cependant, cette méthode consiste à mesurer de nombreux échantillons presque identiques et à faire la moyenne des résultats. La cristallographie aux rayons X prend généralement en moyenne des milliers de milliards de molécules, ce qui entraîne la perte de certaines informations dans le processus, dit Miao.

"C'est comme faire la moyenne de tout le monde sur Terre pour avoir une idée de ce à quoi ressemble un être humain - vous manquez complètement les caractéristiques uniques de chaque individu, " il a dit.

La cristallographie aux rayons X est une technique puissante pour révéler la structure de cristaux parfaits, qui sont des matériaux avec un nid d'abeilles ininterrompu d'atomes parfaitement espacés alignés aussi soigneusement que des livres sur une étagère. Pourtant, la plupart des structures existant dans la nature sont non cristallines, avec des structures beaucoup moins ordonnées que leurs homologues cristallines - imaginez un mosh pit de concert de rock plutôt que des soldats à la parade.

"Notre technologie actuelle est principalement basée sur les structures cristallines car nous avons des moyens de les analyser, " dit Miao. " Mais pour les structures non cristallines, aucune expérience directe n'a vu de structures atomiques en trois dimensions auparavant."

Sonder les matériaux non cristallins est important car même de petites variations de structure peuvent considérablement altérer les propriétés électroniques d'un matériau, a noté Miao. La capacité d'examiner de près l'intérieur d'un semi-conducteur, par exemple, pourrait révéler des défauts internes cachés qui pourraient affecter ses performances.

"La résolution atomique tridimensionnelle des structures non cristallines reste un problème majeur non résolu dans les sciences physiques, " il a dit.

Miao et ses collègues n'ont pas tout à fait résolu l'énigme non cristalline, mais ils ont montré qu'ils pouvaient imager une structure qui n'est pas parfaitement cristalline à une résolution de 2,4 angströms (la taille moyenne d'un atome d'or est de 2,8 angströms). La nanoparticule d'or qu'ils ont mesurée pour leur papier s'est avérée être composée de plusieurs grains de cristal différents, chacun formant une pièce de puzzle avec des atomes alignés selon des motifs subtilement différents. Une nanostructure avec des segments et des limites cristallins cachés à l'intérieur se comportera différemment d'une nanostructure constituée d'un seul cristal continu - mais d'autres techniques auraient été incapables de les visualiser en trois dimensions, dit Miao.

L'équipe de Miao a également découvert que la petite goutte dorée qu'ils ont étudiée avait en fait la forme d'une gemme aux multiples facettes, bien que légèrement écrasé d'un côté du fait qu'il repose sur une scène plate à l'intérieur du gigantesque microscope - un autre petit détail qui aurait pu être moyenné lors de l'utilisation de méthodes plus traditionnelles.

Ce projet a été inspiré par les recherches antérieures de Miao, ce qui impliquait de trouver des moyens de minimiser la dose de rayonnement administrée aux patients pendant les tomodensitogrammes. Lors d'un scan, les patients doivent être radiographiés sous divers angles, et ces mesures sont combinées pour donner aux médecins une image de ce qu'il y a à l'intérieur du corps. Miao a trouvé un moyen mathématiquement plus efficace d'obtenir des images similaires à haute résolution tout en prenant des scans sous moins d'angles. Il s'est rendu compte plus tard que cette découverte pourrait profiter aux scientifiques qui sondaient l'intérieur des nanostructures, pas seulement les médecins à la recherche de tumeurs ou de fractures.

Nanostructures, comme les patients, peut être endommagé si trop de scans sont administrés. Un bombardement constant d'électrons à haute énergie peut entraîner le réarrangement des atomes des nanoparticules et le changement de forme de la particule elle-même. En apportant sa découverte médicale à ses travaux en science des matériaux et nanosciences, Miao a été capable d'inventer une nouvelle façon de scruter l'intérieur des plus petites structures du terrain.

La découverte faite par l'équipe de Miao peut conduire à des améliorations de la résolution et de la qualité d'image pour la recherche en tomographie dans de nombreux domaines, y compris l'étude d'échantillons biologiques.