(a) Une image HAADF d'une nanoparticule d'or en forme de tige. Les points lumineux correspondent à des atomes individuels. (b) Déplacements atomiques bruts calculés par une méthode conventionnelle. Les déplacements plus importants dans les deux sens sont indiqués en bleu plus foncé et en jaune plus clair. Le bruit dans la mesure peut être apprécié dans la granularité de l'image. (c) Les vrais déplacements prédits par GPR. Le composant de bruit a été supprimé avec succès. (d) Carte de contrainte locale dans la nanotige. Les deux extrémités du capuchon présentent des zones jaune vif, indiquant la contrainte de traction le long de l'axe long. (e) Comparaison avec la méthode conventionnelle. En utilisant GPR, la contrainte locale minimale détectable a été améliorée de 1,1 % à 0,2 %. Crédit :Kohei Aso de JAIST.
Parfois, la propriété d'un matériau, comme le magnétisme et la catalyse, peut changer radicalement en raison de rien de plus que de minuscules changements dans la séparation entre ses atomes, communément appelées « souches locales » dans le jargon de la science des matériaux. Une mesure précise de telles déformations locales est, donc, important pour les scientifiques des matériaux.
Une technique puissante utilisée à cette fin est « l'imagerie annulaire en champ sombre à grand angle » (HAADF), une approche au sein de la microscopie électronique à transmission à balayage qui produit des images avec des points lumineux qui coïncident théoriquement avec les positions atomiques. Cependant, en pratique, Les images HAADF sont souvent déformées en raison de bruits mécaniques et électriques dans l'appareil, limitant les plus petites déformations locales mesurables à un peu plus de 1%.
Maintenant, une équipe de scientifiques dirigée par le professeur adjoint Kohei Aso du Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), Japon, ont tiré parti d'une méthode du domaine de la science des données pour mesurer plus précisément la distribution des contraintes dans les matériaux, améliorer la précision de l'imagerie HAADF. Cette étude, Publié dans ACS Nano , a été réalisée en collaboration avec le professeur JAIST Yoshifumi Oshima, puis étudiant diplômé Jens Maebe, stagiaire post-doctoral Xuan Quy Tran, Professeur adjoint Tomokazu Yamamoto, et le professeur Syo Matsumura de l'Université de Kyushu, Japon.
L'équipe a combiné l'imagerie HAADF avec la régression du processus gaussien (GPR), une technique de traitement de données couramment utilisée dans l'apprentissage automatique et dans des domaines tels que l'économie et la géologie. Dans un processus gaussien, le véritable état des données (dans ce cas, positions atomiques ou déplacement) est supposé être représenté par une fonction lisse, et un bruit aléatoire est ajouté à ce « vrai état » lorsque les données sont observées. En inversant ce processus par GPR, on peut estimer plus précisément les vraies positions des atomes, et ainsi calculer les déformations locales avec une plus grande précision. Spécifiquement, la méthode proposée a permis à l'équipe de mesurer la déformation avec une précision de 0,2 %.
L'équipe a démontré le potentiel de leur approche en mesurant les contraintes locales dans les nanostructures d'or et en comparant les contraintes de traction dans une nanosphère d'or avec celles de nanotiges d'or (essentiellement des cylindres avec des calottes hémisphériques) de différentes longueurs. Ces comparaisons ont révélé que les distributions de contraintes dans les nanoparticules d'or variaient en fonction de leur forme, avec des nanotiges présentant une contrainte de traction d'environ 0,5% près de la région où la courbure change brusquement. Le Dr Aso explique qu'« il est connu que les nanoparticules d'or sphériques sont soumises à une contrainte uniforme sur toute leur surface, et cette contrainte est proportionnelle à la tension superficielle. Ainsi, une contrainte de compression uniforme se produit dans la direction perpendiculaire à la surface. En revanche, en nanotiges d'or, la contrainte appliquée à la surface devient non uniforme, et les scientifiques ont émis l'hypothèse que la contrainte de traction devrait se produire à certains endroits. Cependant, cela n'avait pas été prouvé expérimentalement, jusqu'à maintenant."
Avec ces constatations, l'équipe est ravie des perspectives d'avenir de sa stratégie de mesure des contraintes. "Notre technique fournira des informations détaillées sur le monde atomique, ce qui est nécessaire pour le développement de matériaux et de dispositifs innovants à la fois performants et de petite taille. Cela pourrait être utile pour le développement de dispositifs et de capteurs utilisant des matériaux et des structures à l'échelle nanométrique. De plus, la méthode ne nécessite pas de modifications coûteuses ou de procédures compliquées et peut être facilement adoptée, " dit le Dr Aso.
