Lorsque quelqu'un propose le mot « agrandir », il fait référence soit au rapprochement d'objets éloignés, soit à l'agrandissement de petits objets à une échelle tangible. Il ne fait aucun doute que le pouvoir des instruments grossissants, quelles que soient leur échelle et leur direction, peut conduire au progrès du domaine scientifique. Depuis son lancement en 2021, le télescope spatial James Webb (JWST) s'est lancé dans une mission visant à collecter des données sans précédent sur l'univers profond, dans le but d'élargir notre compréhension de l'univers primitif et du cycle de vie des corps célestes.

L’analogie appropriée pour le JWST dans le monde atomique est le microscope électronique à correction d’aberrations (ACEM). En exploitant un électron hautement cohérent ainsi qu'un correcteur d'aberration, le microscope excelle dans la résolution des caractéristiques subatomiques, permettant une exploration complète de la relation structure-fonctionnelle dans les matériaux. En tant qu'élément de base pour les navigateurs du nanomonde, l'ACEM moderne peut fournir des informations inestimables qui restent irremplaçables par d'autres méthodes de caractérisation.

La contradiction vient de la double nature des électrons de haute énergie. La propriété ondulatoire de l’électron permet une imagerie à haute résolution, tandis que la propriété particulaire rend les collisions inévitables. Lorsque la particule se déplace à travers le gaz à pression ambiante, son libre parcours moyen (la distance qu'elle peut parcourir avant de changer substantiellement sa direction ou son énergie d'origine) n'est limité qu'à environ 100 nm.

Les collisions balistiques modifient la direction de l'électron ou épuisent son énergie, ce qui entrave considérablement les performances de l'optique électronique. Pour éviter ces collisions, la colonne du microscope est généralement maintenue dans des conditions d'ultra-vide, qui sont d'au moins 10 ¹⁰ fois plus mince que l'air ambiant.

La nature de l’ACEM limite son applicabilité aux échantillons statiques, minces et solides. Cependant, les matériaux englobent divers états de la matière au-delà des solides, notamment les liquides, les gaz et les plasmas. Pour observer les réactions à l’échelle nanométrique, il est essentiel d’encapsuler les milieux fluidiques impliqués dans un nanoréacteur scellé, empêchant ainsi leur dissipation. L'utilisation de la technique des systèmes microélectromécaniques (MEMS) au nitrure de silicium répond à ces besoins particuliers, permettant aux chercheurs d'explorer des réactions à l'échelle nanométrique.

Le film de nitrure de silicium, servant de membrane d'encapsulation, peut être commodément produit avec une épaisseur de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres à l'aide d'un procédé de dépôt chimique en phase vapeur. Ces films présentent une résilience raisonnable aux chocs mécaniques, en particulier lorsqu'ils ont plus d'une certaine épaisseur, bien qu'il existe une relation de compromis avec la transparence électronique.

À l’instar d’un aquarium doté d’une paroi de verre de plusieurs pieds d’épaisseur, qui peut être suffisamment robuste pour contenir une grande quantité d’eau, maximiser la visibilité à travers le verre devient un défi. Par conséquent, l'ingénierie du « mur » est cruciale pour garantir une visibilité optimale dans les aquariums et dans le réservoir de liquide de l'ACEM.

Pour relever ce défi, nous nous inspirons de la ruche, une structure qui résiste à des contraintes mécaniques élevées tout en utilisant un minimum de matériau. Notre solution consiste à créer un système de support hexagonal remplissant l'espace en utilisant du silicium fortement dopé sous le nitrure de silicium ultra-fin, ce qui représente seulement 1/5ème de l'épaisseur par rapport à la méthode conventionnelle.

La structure en forme de ruche maximise l’ouverture pour observer les réactions et offre une résistance optimale sous contrainte mécanique. Grâce à cette percée ultra fine, la membrane peut être amincie jusqu'à une échelle nanométrique à un chiffre, soit environ 1/10 000ème de l'épaisseur d'un cheveu humain, sans subir de rupture ou de fuite au microscope.

La transparence de la membrane ultrafine permet la cartographie des fluides avec une résolution spatiale inférieure au nanomètre et une suppression significative de la diffusion indésirable des électrons, une capacité non réalisable avec les matériaux d'enveloppement conventionnels. Cette percée permet une sensibilité en phase gazeuse au point de détecter une poignée de molécules de gaz à l’intérieur du microscope électronique à transmission (TEM). Ce niveau de sensibilité permet de capturer les réactions se produisant à l'interface gaz-solide avec une résolution temporelle à l'échelle de la microseconde.

À titre d’exemple illustratif, nous visualisons l’insertion d’atomes d’hydrogène dans du palladium métallique dans des conditions de température et de pression ambiantes. Cette technologie recèle un immense potentiel pour le développement et l’étude de nanocatalyseurs pour le captage du carbone en phase gazeuse, ainsi que pour les matériaux énergétiques tels que les piles à combustible et les batteries métal-air, fournissant ainsi des informations à l’échelle atomique. Nos travaux sont publiés dans la revue Science Advances .

Bien qu’opérant à une échelle et une portée différentes, nous établissons un parallèle entre ce développement et les capacités révolutionnaires du télescope spatial James Webb (JWST), qui fournit des images et des données sans précédent qui remettent en question les théories cosmologiques. En outre, nous proposons que cette stratégie innovante de conception de micropuces à membranes ultrafines puisse être étendue à diverses applications dans lesquelles les membranes minces servent d'encapsulation et/ou de matériaux de support, avec des implications s'étendant au-delà du domaine des nanosciences.

Cette histoire fait partie de Science X Dialog, où les chercheurs peuvent rapporter les résultats de leurs articles de recherche publiés. Visitez cette page pour plus d'informations sur ScienceX Dialog et comment participer.

Plus d'informations : Kunmo Koo et al, Micropuce ultra-mince en nitrure de silicium pour la microscopie in situ/operando à haute résolution spatiale et visibilité spectrale, Science Advances (2024). DOI :10.1126/sciadv.adj6417

Informations sur le journal : Progrès scientifiques

Le Dr Kunmo Koo est associé de recherche au Centre NUANCE. Le Dr Xiaobing Hu est professeur agrégé de recherche au département de science et d'ingénierie des matériaux et responsable des installations TEM au centre NUANCE. Le Dr Vinayak P. Dravid est professeur Abraham Harris de science et d'ingénierie des matériaux et directeur fondateur du Centre NUANCE.