Pour l’étude des structures à l’échelle atomique, le microscope électronique à transmission (MET) se présente comme un outil incontournable, offrant des capacités de grossissement nettement supérieures à celles des microscopes optiques traditionnels. Mais quel grossissement maximal un MET peut-il atteindre ? Quels sont les facteurs pouvant influencer cette performance ? Explorons ensemble les principes de fonctionnement du MET et examinons les limites pratiques et théoriques de son grossissement.
La microscopie électronique en transmission : qu’est-ce que c’est ?
La microscopie électronique en transmission ou Transmission Electron Microscopy est une technologie de microscopie reposant sur le principe de diffraction des électrons et pouvant atteindre un agrandissement de 5 000 000x. C’est en 1931 que le principe du microscope électronique en transmission a été mis au point par les prix Nobel de physique Ernst Ruska et Max Knoll.
La méthode consiste à déposer un échantillon suffisamment mince sous un faisceau d’électrons pour observer l’hologramme obtenu (la figure de diffraction dans le plan focal de l’objectif) ou utiliser une autre lentille pour visualiser la figure transformée de Fourier de la figure de diffraction. Ici, la limite de résolution est tributaire de la longueur d’onde de De Broglie des électrons. Dans un cas idéal, elle serait donc de l’ordre de grandeur du picomètre. Malheureusement, il y de fortes aberrations qui font que la résolution n’est en réalité que de quelques Ångstroms.
Certains scientifiques disent souvent « microscope électronique à transmission ». Mais il faut préciser que ce n’est pas l’appellation idéale ! En effet, les échantillons sont observés ici en transparence, en transmission. Il s’agit donc effectivement d’un microscope en transmission.
Comment fonctionne le microscope électronique en transmission ?
Il existe une certaine analogie entre le microscope optique à lumière directe et le microscope électronique en transmission. Dans les deux cas, c’est le rayonnement utilisé qui diffère principalement.
Comme rayonnement, le microscope optique utilise des photons (lumière extérieure). Un ensemble de lentilles optiques se charge de focaliser ou de dévier le rayon lumineux pour qu’il traverse un échantillon « relativement fin ». L’image finale est directement envoyée sur la rétine de l’observateur.
Quant au microscope électronique en transmission, il utilise plutôt des électrons comme rayonnement. Le rayon d’électrons est ensuite focalisé ou dévié sur un échantillon « extrêmement fin » par un système de lentilles magnétiques. Le cliché de diffraction ou l’image peut alors être détecté par un capteur CCD, enregistré sur un film photographique ou observer sur un écran fluorescent.
Quels sont les deux principaux modes de fonction des MET ?
Selon que l’on obtient un cliché de diffraction ou une image, le microscope électronique en transmission a deux principaux modes de fonction :
Le mode diffraction
Le mode diffraction utilise le comportement ondulatoire des électrons (onde de Broglie). Quand les électrons vont rencontrer de la matière organisée (les cristaux par exemple), ils seront diffractés dans des directions dépendant de l’organisation des atomes de celui-ci. Le faisceau est dévié en différents petits faisceaux qui, grâce à des lentilles magnétiques, vont ensuite se recombiner pour donner l’image.
Le mode image
En mode image, le faisceau d’électrons passe à travers l’échantillon. Selon la nature chimique, la densité et l’épaisseur de celui-ci, les électrons seront plus ou moins absorbés. Par transparence, on peut alors observer une image de la zone irradiée en plaçant le détecteur dans le plan image. Pour observer des coupes minces d’organes ou des cellules, c’est ce même principe qui est utilisé par les biologistes.
Comment les échantillons sont-ils préparés pour l’observation au microscope en transmission ?
La préparation des échantillons est une étape très déterminante pour une observation au microscope électronique en transmission. La qualité des résultats obtenus est fondamentalement dépendante de cela. L’épaisseur de l’échantillon doit être idéalement de l’ordre de quelques nanomètres puisque le faisceau d’électrons devra le traverser. La technique de préparation des échantillons n’est pas standard. Elle dépend de l’utilisation que l’on fait du MET.
En biologie
Ici, les échantillons sont placés sous ultravide et sont sous la forme de fines lames. Pour obtenir cette lame mince en biologie, il faut réaliser une coupe (ultra microtome). Les profils de multicouches sont obtenir par une technique de microcleavage : « Microcleavage transmission electron microscopy applied to the interfacial structure of multilayers and microstructure of small particles on a substrate« .
La coloration négative
Une grille métallique recouverte d’un film de carbone fin (quelques nanomètres) absorbe les échantillons minces (épaisseur allant de quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres). Il s’agit généralement de virus ou de complexes protéiques.
Un papier buvard se charge d’absorber l’excès d’eau. Il est ajouté une solution contenant un agent contrastant comme de l’acétate d’uranyle ou du tétroxyde d’osmium sur la grille pendant quelques secondes avant qu’elle ne soit absorbée. L’agent va se fixer au bord des particules adsorbées préférentiellement.
La grande masse atomique du contrastant lui permet de dévier les électrons dans le diaphragme objectif. L’échantillon biologique apparaît ainsi plus clair que ce qui l’entoure. Sur les photographies, on observe une image blanche sur un fond sombre, d’où l’appellation « coloration négative ».
Métallographie
En métallurgie, les échantillons sont obtenus par un découpage minutieux (avec une scie à fil diamanté par exemple) suivi d’un amincissement. En phase finale, la technique la plus courante consiste à réaliser un cratère, c’est-à-dire un trou qui traverse la lame de part en part. On regarde ensuite les bords minces du trou.
Ombrage rotatif
Encore appelée « ombrage réplique », cette technique de MET permet d’étudier le relief des structures. Avec un angle précis, elle consiste en la vaporisation d’une couche très fine de platine sur l’échantillon maintenu en rotation. Renforcée avec une couche de carbone également très fine, cette couche de platine est ensuite décollée de l’échantillon pour être directement observée par dépôt sur les grilles d’observations.
En résumé, le grossissement maximal d’un microscope électronique en transmission (MET) dépend de plusieurs facteurs, notamment les avancées technologiques récentes et la qualité des lentilles électromagnétiques. Bien que les modèles actuels puissent atteindre des grossissements de plusieurs millions de fois, la continuité des innovations et les défis techniques jouent un rôle déterminant dans l’amélioration de cette capacité. Pour les chercheurs, l’exploitation du potentiel des microscopes électroniques en transmission ouvre de nouvelles perspectives en analyse des matériaux à l’échelle atomique et en nanoscience.
