Dans l’œil du microscopiste

Rendre visible l’invisible : voilà le quotidien de Matthieu Bugnet, chargé de recherche CNRS au laboratoire MATéiS¹. Grâce à des outils de plus en plus élaborés, les microscopistes sont capables de mettre en lumière la matière à des échelles de plus en plus fines. Le graphène est le dernier matériau à être passé sur la platine de Matthieu : qualifié de « matériau miraculeux », le graphène possède des attributs si exceptionnels que ses potentialités sont immenses. Seulement, certaines propriétés intrinsèques de ce matériau relativement nouveau sont encore mal connues. Le chercheur de MATéiS s’est penché sur la question. Dans l’objectif de l’appareil à microscope, là où un œil peu aguerri ne verrait qu’un carré en noir et blanc aussi lisible que la matrice de points d’un QR code, il a démasqué la vie que mènent les atomes d’un matériau prometteur. 

Lorsque Matthieu Bugnet tente d’expliquer son métier, il temporise. « Je suis microscopiste et l’un de mes rôles est de faire évoluer les méthodologies d’observation. C’est une façon de faire avancer la science en améliorant la technique et la compréhension des observations qui peuvent être réalisées », explique le chercheur. Car pour observer la matière, il ne suffit pas d’activer le ‘mode zoom’. « L’observation au microscope doit s’adapter au matériau d’intérêt, de par son orientation, son épaisseur, sa composition, sa structure, sa densité, etc. Les propriétés physiques et chimiques que l’on souhaite mesurer dans le microscope sont souvent à des échelles très petites, ici au dixième de milliardième de mètre et elles vont générer un signal extrêmement faible qui se retrouve noyé dans le bruit sur les images. Et c’est ici que j’interviens d’une certaine façon, pour isoler l’information importante. »

Parmi les matériaux plus légers découverts à ce jour, le graphène semble offrir des possibilités prometteuses : excellent conducteur électrique et de chaleur, extrêmement fin et plus résistant que l’acier… Bref, le nouveau matériau fait le buzz depuis le milieu des années 2000. « Le graphène s’apparente à une feuille d’atomes de carbone qui sont répartis de manière périodique pour former une structure hexagonale. Il reste cependant coûteux et relativement difficile à synthétiser de manière très propre. Il n’était d’ailleurs pas évident de trouver un échantillon de très bonne qualité lorsque nous avons voulu l’utiliser comme matériau modèle pour notre étude. » 

Pour tenter de lire entre les atomes de graphène, Matthieu a d’abord recueilli l’image au microscope. « Il faut s’imaginer que la lecture se fait à partir d’un échantillon de quelques nanomètres carrés de matière et dans cette image, le signal est très faible ; il y a beaucoup de bruit, des artefacts liés à l’expérience qui nous empêchent de voir ce que nous cherchons », explique le microscopiste. « Je dois extraire le signal important en enlevant les artefacts qui interfèrent avec lui. L’appui de simulations qui ont été effectuées en collaboration avec des collègues à Vienne, en Autriche, est primordial pour atteindre cet objectif. » Ce travail d’orfèvre est rendu possible par les outils techniques, de plus en plus performants. Il a traversé la Manche pour trouver le matériel capable de lire les liaisons chimiques du graphène. « Nous avions besoin d’un microscope électronique en transmission aux performances ultimes et il n’y en a que quelques-uns en Europe. C’est un outil extrêmement stable et dont la résolution permet d’aller sonder la matière à des échelles très fines. Avec ses capteurs, on peut voir directement les atomes et la manière dont ils sont liés entre eux. » 

Les atomes, ces briques élémentaires constitutives de la matière sont périodiquement ordonnés dans le graphène. Mais ça, les chercheurs le savaient déjà. Les connaissances scientifiques dans la littérature font état de liaisons chimiques bien connues entre les atomes de carbone, qui leur permettent d’être organisés de manière ordonnée, et confèrent au graphène ses propriétés remarquables. Ces liaisons chimiques, déduites par des moyens théoriques et expérimentaux, n’avaient pourtant jamais été imagées directement à des échelles aussi fines. Si l’évolution des techniques et des outils à disposition des chercheurs sont de plus en plus précis, Matthieu estime que l’expérience n’est faisable que depuis une dizaine d’années seulement.

Il a ainsi établi une cartographie des liaisons chimiques du graphène, la toute première. « Au-delà du développement méthodologique qui pourrait servir à d’autres études au microscope mais qui se trouve très en amont d’applications concrètes, ce travail ouvre des pistes d’exploration pour mieux comprendre et utiliser les propriétés physiques macroscopiques du graphène et aussi d’autres matériaux. Par exemple, imager la liaison chimique au niveau de défauts et d’interfaces permettrait de favoriser le développement de nouveaux matériaux aux propriétés innovantes. A terme, des domaines scientifiques aussi larges et variés que la microélectronique, la catalyse, ou le stockage de l’énergie pourraient en bénéficier. »

Matthieu Bugnet a présenté ses travaux à la communauté scientifique dans un article² paru dans la revue Physical Review Letters. Cette étude est le fruit d’une collaboration entre des scientifiques du laboratoire MATéIS (CNRS/INSA Lyon/université Claude Bernard Lyon 1), de SuperSTEM (Autriche), des universités de Leeds et d’York (Autriche), de l’université de technologie de Vienne (Autriche) et de l’université de Virginie-Occidentale (États-Unis).

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[1] Matériaux : ingénierie et science (INSA Lyon / CNRS / Lyon 1)

[2] Imaging the spatial distribution of electronic states in graphene using electron energy-loss spectroscopy: prospect of orbital mapping. 
M. Bugnet, M. Ederer, V. K. Lazarov, L. Li, Q. M. Ramasse, S. Löffler, and D. M. Kepaptsoglou.
Physical Review Letters, 128, 116401 (2022).