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  • La tomographie électronique à grande vitesse établit de nouvelles normes pour les images 3D du nanomonde

    La série d'images sert de base de données pour la reconstruction du tomogramme électronique 3D. Crédit :Migunov, V. et al. Sci. Rép. 5, 14516, 2015

    Les scientifiques du Ernst Ruska-Centre de Forschungszentrum Jülich ont utilisé un microscope électronique à transmission pour enregistrer près de 3 500 images en 3,5 secondes pour la reconstruction d'un tomogramme électronique 3D. Précédemment, 10 à 60 minutes et une dose d'électrons dix fois supérieure ont été nécessaires pour enregistrer de telles séquences d'images. La nouvelle capacité est particulièrement adaptée à l'examen de cellules biologiques, bactéries et virus, dont la structure peut être endommagée par le faisceau d'électrons. En outre, il permet des processus dynamiques, tels que les réactions chimiques et les phénomènes de commutation électronique, à visualiser en temps réel en trois dimensions avec une précision sub-nanométrique. Les résultats ont été publiés dans la revue Rapports scientifiques .

    La tomographie électronique est liée à la tomodensitométrie, devenu indispensable dans la recherche et les études cliniques. Les tomogrammes électroniques peuvent être obtenus à partir de volumes beaucoup plus petits qu'avec les techniques basées sur les rayons X. La résolution spatiale tridimensionnelle de la tomographie électronique est la plus élevée possible avec la technologie actuelle. La méthode est particulièrement adaptée à l'étude des virus et des bactéries pour faciliter le développement de médicaments, ou pour l'imagerie des structures de nouveaux nanomatériaux pour des applications allant de la nanoélectronique à la technologie énergétique.

    "La capacité d'accélérer l'acquisition d'images et de réduire la dose de rayonnement ouvre de nouveaux horizons, en particulier dans les sciences de la vie et la recherche sur la matière molle, par tomographie électronique, " explique le Pr Rafal Dunin-Borkowski. Dans cette technique, un microscope électronique à transmission est utilisé pour enregistrer des images d'une région de taille inférieure au micromètre sous différents angles en succession rapide.

    "Les images individuelles ne montrent pas de coupes transversales de l'échantillon. Au lieu de cela, l'information de différentes profondeurs à l'intérieur est superposée - semblable à une image radiographique - et projetée sur un plan, " explique le directeur du Ernst Ruska-Centre, qui est également directeur de l'Institute for Microstructure Research (PGI-5) à l'Institut Peter Grünberg de Jülich. Pour cette raison, des algorithmes sont nécessaires pour qu'un ordinateur calcule une reconstruction tridimensionnelle de l'objet à partir de la série d'images.

    Tomogramme électronique 3D d'un nanotube (orange) et du film support C amorphe sous-jacent (bleu). Crédit :Migunov, V. et al. Sci. Rép. 5, 14516, 2015 (CC BY 4.0)

    La résolution qui peut être atteinte est limitée par l'effet destructeur du faisceau d'électrons sur l'échantillon. Mou, tendre, échantillons biologiques, en particulier, tolérer qu'un nombre limité d'images. Leurs structures sensibles, par exemple celles des protéines, sont rapidement détruits par les électrons de haute énergie. Afin de réduire la dose d'électrons, les chercheurs du Ernst Ruska-Centre ont équipé leur microscope électronique d'un nouveau détecteur. Cette caméra de détection d'électrons unique enregistre directement les électrons entrants, sans avoir besoin de les convertir en photons, c'est-à-dire léger - la pratique habituelle aujourd'hui.

    "La dernière génération de puces de détection a une très haute sensibilité, c'est-à-dire que pour une même qualité d'image, une dose de faisceau d'électrons deux à trois fois inférieure suffit, " explique le Dr Vadim Migunov, du Ernst Ruska-Centre et de l'Institut Peter Grünberg de Jülich. Ses collègues de l'Institut central d'ingénierie de Jülich, Electronics and Analytics (ZEA-2) a aidé à développer l'électronique dans la puce, ce qui garantit une vitesse de lecture rapide des données et donc des taux d'enregistrement extrêmement rapides.

    Premiers tests avec des nanotubes et des catalyseurs

    Afin de tester la technique améliorée, Vadim Migounov, avec ses collègues du Ernst Ruska-Centre, examiné un nanotube de lanthanide inorganique à l'aide du nouveau capteur. De telles structures sont actuellement intéressantes car elles peuvent être adaptées à la production d'électricité à partir de chaleur perdue ou en tant que nouvelles sources lumineuses et catalyseurs. Avec un taux d'enregistrement d'environ 1000 images par seconde, la tomographie électronique peut maintenant être utilisée pour des observations à l'échelle nanométrique de processus rapides tels que des réactions chimiques impliquant des catalyseurs, processus de croissance cristalline ou transitions de phase, " explique Vadim Migunov.

    Des études avec une meilleure résolution temporelle et spatiale pourraient aider à révéler pourquoi la fonctionnalité des nanocatalyseurs est perdue avec le temps. Les nanoparticules de catalyseur peuvent être utilisées pour produire de l'hydrogène et séparer les gaz à effet de serre nocifs. Leur efficacité dépend principalement de la façon dont les atomes sont disposés sur les surfaces sur lesquelles se déroulent les réactions chimiques.

    La nouvelle technique présente des avantages supplémentaires. Quelques secondes de temps de calcul seulement sont nécessaires pour enregistrer et reconstruire la structure tridimensionnelle d'un échantillon sur un ordinateur. Le temps nécessaire est donc très court et les scientifiques peuvent observer des expériences non seulement en 3D mais aussi presque "en direct".


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