Quand beaucoup d'énergie frappe un atome, il peut faire tomber des électrons, rendant l'atome extrêmement réactif chimiquement et initiant une nouvelle destruction. C'est pourquoi les radiations sont si dangereuses. C'est aussi pourquoi les techniques d'imagerie à haute résolution qui utilisent des faisceaux d'électrons énergétiques et des rayons X peuvent altérer, même oblitérer, les échantillons qu'ils explorent. Par exemple, surveiller la dynamique de la batterie à l'aide de la microscopie électronique peut introduire des artefacts qui interfèrent avec les processus électrochimiques. Autre exemple :l'utilisation de la spectroscopie aux rayons X pour voir à l'intérieur d'une cellule vivante annihile cette cellule.

Maintenant, des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie et du National Institute of Standards and Technology ont démontré un moyen non destructif d'observer des objets et des processus à l'échelle nanométrique dans des conditions simulant leurs environnements de fonctionnement normaux. Ils commencent par une "chambre environnementale" pour encapsuler un échantillon dans un liquide. La chambre a une fenêtre constituée d'une membrane ultrafine (8 à 50 milliardièmes de mètre, ou nanomètres, épais). La pointe d'un microscope à sonde à balayage se déplace à travers la membrane, l'injection de micro-ondes dans la chambre. L'appareil enregistre l'endroit où le signal micro-ondes a été transmis par rapport à l'entrave et crée une carte haute résolution de l'échantillon.

Parce que les micro-ondes injectées sont 100 millions de fois plus faibles que celles d'un four à micro-ondes domestique, et ils oscillent dans des directions opposées plusieurs milliards de fois par seconde, de sorte que les réactions chimiques potentiellement destructrices ne peuvent pas se produire, la technique ORNL-NIST ne produit qu'une chaleur négligeable et ne détruit pas l'échantillon. Les scientifiques rapportent leur nouvelle approche consistant à combiner des membranes ultrafines avec des micro-ondes et une sonde à balayage, appelée microscopie à impédance micro-ondes à balayage, ou sMIM—dans le journal ACS Nano .

"Notre imagerie est non destructive et exempte des dommages fréquemment causés aux échantillons, telles cellules vivantes ou processus électrochimiques, par imagerie par rayons X ou faisceaux d'électrons, " a déclaré le premier auteur Alexander Tselev. Avec ses collègues Anton Ievlev et Sergei Kalinin du Center for Nanophase Materials Sciences, une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à l'ORNL, il a effectué une imagerie et une analyse micro-ondes à haute résolution. "Sa résolution spatiale est meilleure que ce qui est réalisable avec des microscopes optiques pour des échantillons similaires dans le liquide. Le paradigme peut devenir un instrument pour obtenir des informations importantes sur les phénomènes électrochimiques, objets vivants et autres systèmes à l'échelle nanométrique existant dans les fluides."

Par exemple, la microscopie micro-ondes peut fournir un moyen non invasif d'explorer d'importants phénomènes de surface se produisant à l'échelle du milliardième de mètre, comme la formation d'un mince revêtement qui protège et stabilise l'électrode d'une nouvelle batterie mais cannibalise son électrolyte pour fabriquer le revêtement. Microscopie micro-ondes, qui permet aux scientifiques d'observer les processus au fur et à mesure qu'ils se déroulent sans les arrêter complètement, permet de caractériser les réactions chimiques en cours à différentes étapes.

"Au NIST, nous avons développé des chambres environnementales avec des membranes ultra-minces pour effectuer la microscopie électronique et d'autres techniques analytiques dans les liquides, ", a déclaré l'auteur principal Andrei Kolmakov. Lui et son collègue Jeyavel Velmurugan du Center for Nanoscale Science and Technology du NIST ont fabriqué des chambres pour enfermer des objets et des processus dans des environnements liquides et ont effectué des caractérisations préliminaires pour identifier des cellules biologiquement intéressantes. " Les conversations entre les scientifiques de l'ORNL et du NIST ont abouti à l'idée d'essayer des micro-ondes non destructives afin que les chambres environnementales puissent être utilisées pour des études plus larges. Il y a très peu de groupes dans le monde qui peuvent imager avec une haute résolution en utilisant des micro-ondes, et CNMS en fait partie. La conception de l'expérience et l'adaptation de la technologie d'imagerie ont nécessité l'expertise de l'ORNL."

Les chercheurs de l'ORNL et du NIST ont combiné les technologies existantes de nouvelles manières et ont proposé une approche unique qui pourrait s'avérer utile dans le diagnostic médical, recherche en médecine légale et en matériaux.

"Pour la première fois, nous sommes capables d'imager à travers une membrane très fine, " a déclaré Tselev. "Les micro-ondes et la microscopie à sonde à balayage ont permis cela."

Le bon outil pour le travail

Pour imager des matériaux hautement ordonnés, comme des cristaux, les chercheurs peuvent utiliser des techniques telles que la diffusion des neutrons et la diffraction des rayons X. Pour imager des matériaux moins ordonnés, comme les membranes cellulaires vivantes, ou des processus, telles que les réactions chimiques en cours, l'équipe ORNL-NIST a collaboré étroitement pour innover le bon outil pour le travail.

Une fois que les scientifiques ont combiné la chambre environnementale avec une capacité de balayage à micro-ondes, ils ont étudié un système modèle pour voir si leur nouvelle technique fonctionnerait et pour établir une base de référence pour les expériences futures. Ils ont utilisé le système sMIM pour cartographier les particules de polystyrène s'auto-assemblant en structures densément emballées dans un liquide.

Une fois cette preuve de principe obtenue, ils ont ensuite demandé si leur système pouvait faire la distinction entre l'argent, qui est un conducteur électrique, et oxyde d'argent, un isolant, pendant la galvanoplastie (une réaction induite électriquement pour déposer de l'argent sur une surface). La microscopie optique et la microscopie électronique à balayage ne permettent pas de distinguer l'argent de l'oxyde d'argent. Microscopie micro-ondes, en revanche, distingue sans ambiguïté les isolants des conducteurs. Prochain, les chercheurs devaient savoir que l'observation avec sMIM n'introduirait pas d'artefacts, comme la précipitation d'argent, que peut causer la microscopie électronique à balayage, un problème qui n'est pas anodin. "Un article répertorie 79 réactions chimiques induites par les électrons dans l'eau, " a noté Tselev. En général, la microscopie électronique à balayage ne permettra pas aux scientifiques de suivre la précipitation de l'argent pour former des dendrites en croissance, car cette technique est destructrice. "Les dendrites se comportent très mal sous un faisceau d'électrons, " dit Tselev. Avec sMIM, les artefacts électrochimiques et l'arrêt du processus ne se sont pas produits. "Alors que le sMIM n'est pas la seule technique non destructive, dans de nombreux cas, c'est peut-être le seul qui puisse être utilisé."

Ensuite, les chercheurs ont imagé des cellules vivantes. Parce que les cellules saines et malades diffèrent par des propriétés telles que la capacité de stocker de l'énergie électrique, la cartographie intracellulaire pourrait fournir une base pour le diagnostic. « L'imagerie tomographique (résolution à travers les profondeurs) est également possible avec les micro-ondes, " a déclaré Tselev.

"Si vous avez des micro-ondes, vous pouvez aller en profondeur de manière variable et obtenir de nombreuses informations sur la membrane cellulaire biologique vivante elle-même - forme et propriétés qui dépendent beaucoup de la composition chimique et de la teneur en eau, qui à leur tour dépendent du fait que la cellule soit saine ou non. » Les chercheurs ont pu détecter des propriétés distinguant les cellules saines des cellules malades.

Dans les expériences en cours, le système permettait l'observation près des surfaces. "Cela ne veut pas dire que nous ne pourrons pas voir plus en profondeur si nous reconcevons l'expérience, " a déclaré Tselev. " Les micro-ondes peuvent pénétrer très profondément. La profondeur est essentiellement limitée par la taille de contact entre la sonde et la membrane cellulaire de l'environnement."

Ensuite, les chercheurs tenteront d'améliorer la sensibilité et la résolution spatiale de leur système. Parce que l'amincissement des parois de la chambre environnementale améliorerait la résolution, les chercheurs tenteront de réaliser les parois avec du graphène ou du nitrure de bore hexagonal, les deux n'ont qu'un atome d'épaisseur. Ils utiliseront également différentes sondes et algorithmes de traitement d'images pour améliorer la résolution à différentes profondeurs.