Lorsque l'expérience de Michal Vadai a fonctionné pour la première fois, elle a sauté de son siège.

Vadaï, un boursier postdoctoral à l'Université de Stanford, avait passé des mois à concevoir et à dépanner un nouvel outil qui pourrait considérablement étendre les capacités d'un microscope avancé dans les installations partagées de Stanford Nano. Malgré le grand scepticisme de la communauté de la microscopie, elle et ses collègues chercheurs tentaient une union entre la microscopie optique et la microscopie électronique à transmission qui, en cas de succès, révélerait une seule particule subissant une réaction activée par la lumière.

"Je ne peux pas souligner à quel point c'était excitant de le faire fonctionner la première fois. C'était un énorme défi technologique, " dit Vadaï, qui est dans le labo de Jennifer Dionne, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux. "La première fois que nous avons eu le début d'un résultat expérimental, nous criions à haute voix. Il était très, très excitant que nous puissions voir et contrôler ce qui arrivait à cette nanoparticule avec la lumière."

Cette recherche, publié le 7 novembre dans Communication Nature , se concentre sur une réaction photocatalytique où l'énergie de la lumière visible initie une réaction chimique dans des nanocubes de palladium. Chacun de ces cubes mesure environ 30 nanomètres de chaque côté, soit à peu près la taille d'un virus du rhume.

Les scientifiques en savent beaucoup sur la photocatalyse basée sur de grands groupes de nanoparticules, mais la nouvelle technique permet aux chercheurs d'étudier ce qui se passe dans les nanoparticules individuelles. Au-delà de la photocatalyse, cette technique pourrait un jour être utilisée pour étudier presque toutes les interactions de la lumière et de la matière avec une résolution d'environ 2 nanomètres, même ceux qui se produisent dans les cellules vivantes.

Nanocubes soigneusement bercés

La microscopie électronique à transmission forme une image en projetant des électrons à travers une fine tranche de matériau. Ce processus révèle des structures dans les moindres détails, mais il ne permet pas aux scientifiques d'observer les matériaux à mesure qu'ils changent sous différentes conditions d'éclairage, comme les récepteurs de lumière dans l'œil, matériaux utilisés dans les cellules solaires ou, comme dans ce cas, nanocubes de palladium pour la catalyse. La nouvelle configuration allie la résolution de la microscopie électronique à la couleur de la microscopie optique.

"L'une des plus grandes réalisations de cet article est la technique elle-même, " a déclaré Dionne. "Nous apportons de la lumière de différentes 'couleurs' au microscope électronique. Nos mesures sont directes - on peut visiblement voir la réaction photochimique au fur et à mesure qu'elle se déroule dans la nanoparticule."

La nouvelle technique impliquait un porte-échantillon conçu sur mesure dans lequel l'échantillon était chargé. Autour de cela se trouvaient des miroirs pour focaliser la lumière de deux fibres optiques avec un espace pour le faisceau d'électrons. L'ensemble de la conception devait tenir dans un espace très limité :un espace de 5 mm dans le microscope.

Pour tester la configuration, les chercheurs ont pompé la chambre du spécimen avec de l'hydrogène. En regardant au microscope électronique, ils ont pu confirmer que le nanocube de palladium a changé de phase au fur et à mesure qu'il se remplissait d'hydrogène. L'expérience a été structurée de manière à ce que les nanocubes restent dans cette phase remplie d'hydrogène jusqu'à ce que les chercheurs allument la lumière. Une fois illuminé, ils ont observé une vague semblable à de l'eau s'écouler gracieusement à travers la particule – l'hydrogène quittant le palladium. C'était une réaction basée sur la lumière vue par un microscope électronique et un succès digne d'un saut de joie.

Différences individuelles

Les nanoparticules sont souvent produites et étudiées en grand nombre, ce qui signifie que nous savons qu'ils varient en taille, forme ou position - mais nous savons peu de choses sur la façon dont ces variations affectent les performances.

"Si vous voulez vraiment plonger dans la physique fondamentale de ce qui se passe, vous devez examiner les particules individuelles car nous savons que les différences individuelles sont importantes, " a déclaré Vadai. " C'est comme un mystère et vous devez bien regarder un indice pour pouvoir le résoudre. "

Les premières expériences visaient en grande partie à montrer que la technique pouvait fonctionner, mais a quand même révélé quelque chose de nouveau sur les nanocubes. Pour un, la réaction se produit 10 fois plus vite à la lumière qu'à l'obscurité. Les chercheurs ont également pu voir comment chaque étape de la réaction - l'hydrogène quittant le nanocube, la structure en réseau du réarrangement du nanocube - est affectée par différentes longueurs d'onde de la lumière.

Il s'avère également que le coin du nanocube le plus proche de la région absorbant la lumière - dans ce cas, un disque d'or à proximité - est le plus réactif. Comprendre comment et pourquoi cela s'est produit pourrait potentiellement permettre des réactions sélectives de produits basées sur la géométrie du catalyseur.

Avec le succès de cette preuve de concept, le laboratoire passe aux prochaines étapes. Par exemple, les chercheurs visent à ajouter des capacités de spectroscopie, ce qui signifie qu'ils pourraient évaluer la lumière générée par ces réactions afin d'analyser la chimie plus en détail.

"Si vous parlez d'une seule particule, il faut généralement se battre pour voir ces signaux faibles, " dit Vadai. " Dans l'attente, ce sera une suite complète d'outils que vous pourrez utiliser pour étudier l'interaction de la lumière et de la matière à l'échelle nanométrique en temps réel, à très haute résolution, au niveau d'une seule particule."