(Phys.org) —En utilisant un microscope de pointe et de nouvelles méthodes de traitement d'images, une équipe multi-institutionnelle de chercheurs a mis au point un moyen inventif de mesurer les positions de sites atomiques uniques dans des matériaux plus précisément que jamais.

Dans un article publié le 11 juin 2014 dans la revue Communication Nature , l'équipe a démontré la capacité de localiser des atomes dans des images haute résolution de matériaux à mieux qu'un picomètre, ou un centième de nanomètre. C'est plus de cinq fois mieux que les méthodes d'imagerie précédentes.

Andrew Yankovich, un étudiant diplômé en science et génie des matériaux à l'Université du Wisconsin-Madison, est le premier auteur de l'article.

La nouvelle technique permet aux chercheurs d'identifier des déplacements auparavant indétectables de sites atomiques uniques dans un matériau. Un aperçu de ces changements atomiques pourrait aider à ouvrir la voie à de nouveaux matériaux innovants.

"Avant notre travail, les scientifiques pourraient utiliser des techniques de diffraction des rayons X pour mesurer des millions d'atomes à la fois, et si tout un tas de ces atomes se rapprochent ou s'éloignent un peu, ce changement est mesurable, " dit le co-auteur Paul Voyles, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à l'UW-Madison.

Bien que la diffraction des rayons X soit toujours un meilleur moyen de mesurer les déplacements impliquant un grand nombre d'atomes avec une précision beaucoup plus élevée, il ne fournit pas de mesures utiles pour des structures particulières où les chercheurs essaient de mesurer les déplacements de quelques atomes seulement.

"Maintenant, avec cette nouvelle technique, nous pouvons dire "cet atome s'est rapproché un peu de cet atome - et nous ne parlons que de ces deux atomes, " dit Voyles. " Cela nous donne la possibilité de répondre aux questions sur l'origine atomique de la fonction de classes de matériaux entièrement nouvelles, comme les catalyseurs à nanoparticules métalliques, c'était très difficile à mesurer avant."

Bien que Voyles et son équipe utilisent un microscope électronique à transmission à balayage (STEM) à la pointe de la technologie à l'UW-Madison pour recueillir des données expérimentales, mesurer les structures atomiques à l'échelle du picomètre est extrêmement difficile, dit Voyles.

"Si quelque chose bouge, le faisceau d'électrons de la sonde, l'échantillon, le microscope lui-même, ou le courant électrique circulant dans l'une des lentilles - alors cela ajoute de l'instabilité à l'image, ce qui signifie que les atomes s'éloignent de l'endroit où ils devraient être dans l'image, " dit Voyles. " Le STEM est extrêmement sensible à l'environnement dans lequel il se trouve. "

Voyles a commencé ce projet de recherche car il cherchait une solution à ces instabilités instrumentales, ce qui a limité la capacité de faire des mesures plus précises des sites atomiques.

Voyles dit que la collaboration interdisciplinaire a joué un rôle crucial dans la résolution du problème. Il a rencontré ses collaborateurs lors d'un atelier organisé par les co-auteurs Peter Binev et Wolfgang Dahmen à l'Institut de mathématiques interdisciplinaires de l'Université de Caroline du Sud, qui a invité Voyles et d'autres dans le domaine de la microscopie électronique à parler des défis dans leur domaine. Il s'est associé à des experts en mathématiques appliquées et en traitement d'images pour rechercher des solutions.

Voyles dit que la percée est survenue lorsque l'équipe a trouvé des moyens nouveaux et intelligents de combiner les techniques de science des données des mathématiques appliquées pour travailler avec les données des matériaux STEM. Le résultat a été une nouvelle combinaison de mathématiques et d'algorithmes, intégré dans un outil logiciel.

La nouvelle technique consiste à utiliser le STEM pour prendre environ 500 images d'un échantillon le plus rapidement possible. Les images devraient toutes être identiques, mais elles ne le sont pas, parce que les instabilités peuvent faire apparaître des atomes dans les mauvaises positions. Pour corriger cela, les chercheurs utilisent un algorithme pour estimer toutes les instabilités de chaque image et les annuler, produisant des images corrigées à un nouveau niveau de précision.

Les prochaines étapes consisteraient à améliorer la convivialité et l'efficacité du logiciel et à le rendre largement disponible.

"Je pense qu'il y a une grande opportunité pour une collaboration interdisciplinaire continue d'un type similaire à ce que nous avons fait, avancer dans de nouvelles réponses aux questions scientifiques, " dit Voyles.