La matière molle englobe une large bande de matériaux, y compris les liquides, polymères, gels, mousse et - surtout - biomolécules. Au cœur de matières douces, régissant leurs propriétés et capacités globales, sont les interactions de composants de taille nanométrique. L'observation de la dynamique derrière ces interactions est essentielle pour comprendre les processus biologiques clés, telles que la cristallisation et le métabolisme des protéines, et pourrait contribuer à accélérer le développement de nouvelles technologies importantes, comme la photosynthèse artificielle ou les cellules photovoltaïques à haut rendement. Observer ces dynamiques à une résolution suffisante a été un défi majeur, mais ce défi est maintenant relevé avec une nouvelle technique d'imagerie nanométrique non invasive qui porte l'acronyme de CLAIRE.

CLAIRE signifie "imagerie activée par cathodoluminescence par transfert d'énergie résonante". Inventé par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE) et de l'Université de Californie (UC) Berkeley, CLAIRE étend l'incroyable résolution de la microscopie électronique à l'imagerie dynamique de la matière molle.

"La microscopie électronique traditionnelle endommage les matériaux mous et a donc principalement été utilisée pour fournir des informations topographiques ou de composition sur des solides inorganiques robustes ou des sections fixes d'échantillons biologiques, " dit la chimiste Naomi Ginsberg, qui dirige le développement de CLAIRE. "CLAIRE nous permet de convertir la microscopie électronique en une nouvelle modalité d'imagerie non invasive pour étudier les matériaux mous et fournir des informations spectralement spécifiques à leur sujet à l'échelle nanométrique."

Ginsberg occupe des postes au sein de la division des biosciences physiques de Berkeley Lab et de sa division des sciences des matériaux, ainsi que les départements de chimie et de physique de l'UC Berkeley. Elle est également membre du Kavli Energy NanoScience Institute (Kavli-ENSI) à Berkeley. Elle et son groupe de recherche ont récemment démontré les capacités d'imagerie de CLAIRE en appliquant la technique à des nanostructures d'aluminium et à des films polymères qui n'auraient pas pu être directement imagés par microscopie électronique.

« Quels défauts microscopiques dans les solides moléculaires donnent naissance à leurs propriétés optiques et électroniques fonctionnelles ? Par quel processus potentiellement contrôlable ces solides se forment-ils à partir de leurs composants microscopiques individuels, initialement dans la phase de solution? Les réponses nécessitent d'observer la dynamique des excitations électroniques ou des molécules elles-mêmes lorsqu'elles explorent des paysages spatialement hétérogènes dans des systèmes de phases condensées, " dit Ginsberg. " Dans notre démonstration, nous avons obtenu des images optiques de nanostructures d'aluminium avec une résolution de 46 nanomètres, puis validé le caractère non invasif de CLAIRE en imageant un film de polymère conjugué. La haute résolution, la vitesse et le caractère non invasif que nous avons démontrés avec CLAIRE nous positionnent pour transformer notre compréhension actuelle des interactions biomoléculaires clés."

CLAIRE fonctionne essentiellement en combinant les meilleurs attributs de la microscopie optique et électronique à balayage en une seule plate-forme d'imagerie. Les microscopes électroniques à balayage utilisent des faisceaux d'électrons plutôt que de la lumière pour l'éclairage et le grossissement. Avec des longueurs d'onde beaucoup plus courtes que les photons de la lumière visible, les faisceaux d'électrons peuvent être utilisés pour observer des objets des centaines de fois plus petits que ceux qui peuvent être résolus avec un microscope optique. Cependant, ces faisceaux d'électrons détruisent la plupart des formes de matière molle et sont incapables d'excitation moléculaire spectralement spécifique.

Ginsberg et ses collègues contournent ces problèmes en employant un procédé appelé « cathodoluminescence, " dans laquelle un film scintillant ultrafin, environ 20 nanomètres d'épaisseur, composé de pérovskite d'aluminium yttrium dopé au cérium, est inséré entre le faisceau d'électrons et l'échantillon. Lorsque le film scintillant est excité par un faisceau d'électrons de faible énergie (environ 1 KeV), il émet de l'énergie qui est transférée à l'échantillon, provoquant le rayonnement de l'échantillon. Cette luminescence est enregistrée et corrélée à la position du faisceau d'électrons pour former une image qui n'est pas limitée par la limite de diffraction optique.

Développer le film scintillant et l'intégrer dans un dispositif d'imagerie à puce électronique était une entreprise énorme, Ginsberg dit, et elle attribue le succès au « talent et au dévouement » de son groupe de recherche. Elle donne également beaucoup de crédit au personnel et aux capacités de la Fonderie Moléculaire, une installation utilisateur du DOE Office of Science, où la démonstration d'imagerie CLAIRE a été réalisée.

"La Fonderie Moléculaire a véritablement permis à l'imagerie CLAIRE de prendre vie, " dit-elle. " Nous avons collaboré avec le personnel scientifique là-bas pour concevoir et installer un appareil de collecte de lumière à haute efficacité dans l'un des microscopes électroniques à balayage de la fonderie et leurs conseils et contributions ont été fantastiques. Que nous puissions travailler avec les scientifiques de Foundry pour modifier l'instrumentation et améliorer ses capacités non seulement pour nos propres expériences mais aussi pour d'autres utilisateurs est unique. »

S'il reste encore du travail à faire pour rendre CLAIRE largement accessible, Ginsberg et son groupe vont de l'avant avec d'autres améliorations pour plusieurs applications spécifiques.

« Nous nous intéressons à l'imagerie non invasive de matériaux fonctionnels souples comme les couches actives des cellules solaires et des dispositifs électroluminescents, " dit-elle. " Il est particulièrement vrai dans les produits organiques et les hybrides organiques/inorganiques que la morphologie de ces matériaux est complexe et nécessite une résolution à l'échelle nanométrique pour corréler les caractéristiques morphologiques aux fonctions. "

Ginsberg et son groupe travaillent également sur la création de cellules liquides pour observer les interactions biomoléculaires dans des conditions physiologiques. Étant donné que les microscopes électroniques ne peuvent fonctionner que dans un vide poussé, comme les molécules dans l'air perturbent le faisceau d'électrons, et puisque les liquides s'évaporent sous vide poussé, les échantillons aqueux doivent être soit lyophilisés, soit scellés hermétiquement dans des cellules spéciales.

"Nous avons besoin de cellules liquides pour CLAIRE pour étudier l'organisation dynamique des protéines de récolte de lumière dans les membranes photosynthétiques, " dit Ginsberg. " Nous devrions également être en mesure de réaliser d'autres études en biophysique membranaire pour voir comment les molécules diffusent dans des environnements complexes, et nous aimerions pouvoir étudier la reconnaissance moléculaire au niveau d'une seule molécule."

En outre, Ginsberg et son groupe utiliseront CLAIRE pour étudier la dynamique des systèmes à l'échelle nanométrique pour les matériaux mous en général.

« Nous adorerions pouvoir observer des processus de cristallisation ou observer un matériau composé de composants nanométriques se recuire ou subir une transition de phase, " dit-elle. " Nous aimerions aussi pouvoir observer la double couche électrique à une surface chargée pendant qu'elle évolue, car ce phénomène est crucial pour la science des batteries."

Un article décrivant les travaux les plus récents sur CLAIRE a été publié dans la revue Lettres nano . L'article s'intitule "Nanoimagerie activée par cathodoluminescence :microscopie optique non invasive en champ proche dans un microscope électronique". Ginsberg est l'auteur correspondant. Les autres auteurs sont Connor Bischak, Craig Hetherington, Zhe Wang, Jake Precht, David Kaz et Darrell Schlom.