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Des atomes sur le graphène : de l'hydrogène (flèches rouges) et un atome de carbone (flèche noire). Crédit : Nature
La technique de la microscopie électronique en transmission (MET) est ancienne puisqu'elle a été mise au point en 1931 par Max Knoll et Ernst Ruska, ce qui a valu à ce dernier le prix Nobel de physique en 1986. Elle repose sur les propriétés ondulatoires de la matière découvertes théoriquement en 1923 par Louis de BroglieLouis de Broglie. En utilisant des lentilleslentilles magnétiques, il est possible d'obtenir des images étonnantes d'un objet bien trop petit pour être observé à l'aide d'un microscope optiquemicroscope optique. On peut ainsi observer des détails de l’ordre de l’angström.
Il faut pour cela projeter un faisceau d'électrons sur l'objet à observer et recueillir le faisceau sur une plaque fluorescente. En pratique, l'échantillon à étudier doit être placé sur une fine feuille de métal. Le matériau à utiliser doit en effet être suffisamment robuste pour résister à un faisceau d'électrons assez énergétique, mais en même temps, il doit permettre à celui-ci de le traverser sans trop de problème.
La puissance de cette technique est telle que l'on avait réussi à imager des atomes lourds. Mais avec des atomes plus légers, fût-ce du carbonecarbone, les effets de diffusiondiffusion causés par les atomes lourds de la feuille métallique produisaient un signal important dégradant fortement celui, faible, produit par des atomes légers. Autant dire que l'observation directe d'un atome d'hydrogènehydrogène par cette technique devait rester à tous jamais une chimèrechimère.
Une couche de carbone plutôt que du métal
Pourtant, dans l'UniversUnivers, rien ne semble impossible et la découverte il y a quelques années d'un matériau miraculeux, le graphènegraphène, vient d'offrir aux chercheurs les premières images avec microscope électroniquemicroscope électronique en transmission des atomes de carbone et d'hydrogène. C'est le groupe d'Alex Zettl qui est responsable de cette prouesse et il vient de publier le résultat de ses travaux dans Nature.
On sait que le graphène est une couche monoatomique de carbone, formant donc des feuillets quasiment bidimensionnels et qui constituent, par leur assemblage, le graphitegraphite. Ces feuillets ont de remarquables propriétés électroniques et mécaniques et ils constituent donc naturellement un matériau de choix pour la MET car suffisamment résistant pour supporter des faisceaux d'électron dépassant les 100 keV mais surtout, suffisamment mince pour se laisser traverser facilement par ces particules, et de plus, sans dégrader les images d'atomes légers comme le font les feuilles de métauxmétaux, plus lourds, réalisées à partir de semi-conducteurssemi-conducteurs.
Les physiciensphysiciens ont alors pu observer grâce au graphène non seulement des atomes de carbone et d'hydrogène présents sur les feuillets mais aussi réaliser des films sur lesquels des lacunes dans le réseau d'atomes de carbone disparaissent lentement du fait de l'absorptionabsorption d'un atome de carbone. Mieux, ils ont même observé la reptation de longues moléculesmolécules, très probablement hydrocarbonées, qui se trouvaient dans le milieux environnant ou qui avaient contaminé la surface du graphène.
Les chercheurs pensent que des possibilités fascinantes viennent ainsi de s'ouvrir, comme celle d'observer la dynamique des réactions chimiquesréactions chimiques entre des nanotubes de carbonenanotubes de carbone et des molécules biologiques actives qui se fixeraient sur leur surface. Les conséquences en nanotechnologienanotechnologie et en nanosciences pourraient ainsi être considérables.
