Nanochemiscope 3D : quand l’analyse chimique descend à l’échelle du nanomètre

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Par Thierry Lucas - Publié le 01 septembre 2013, à 12h55

Le mariage de deux techniques de pointe permet d’analyser la composition d’une surface à l’échelle la plus fine. Le nouvel instrument européen, en cours d’industrialisation, est unique au monde.

C’est une vieille querelle. Chimistes et physiciens ont parfois du mal à se parler. Ils n’emploient pas le même langage. Ni les mêmes instruments. Mais c’est justement avec un nouvel instrument, unique au monde, qu’ils vont avoir l’occasion de coopérer étroitement, jusqu’à l’échelle du nanomètre. Car le NanoChemiscope 3D, résultat d‘un projet européen de 4 ans, est le premier appareil qui étudie en même temps, à l’échelle nanométrique, la topographie de la surface d’un matériau, ses propriétés physiques et sa composition chimique.
Il devrait intéresser les chercheurs et les industriels qui développent des technologies innovantes telles que des cellules photovoltaïques à base de polymères et tous les revêtements et couches protectrices pour les verres, les métaux, les plastiques… dont l’étude demande la connaissance de la composition chimique à l’échelle la plus fine.
Sur le principe, rien de très neuf, car le NanoChemiscope est la réunion de deux techniques existantes. D’un côté, le microscope à force atomique (AFM) révèle la topographie d’une surface quasiment jusqu’à l’échelle des atomes, et peut aussi mesurer des propriétés électriques ou mécaniques locales. De l’autre, la technique de spectrométrie de masse dite ToF-SIMS est déjà utilisée pour analyser avec précision la composition d’une surface. Dans ce cas, pourquoi ne pas utiliser successivement les deux techniques sur le même échantillon ? "En passant d’un instrument à l’autre, on a pratiquement aucune chance d’observer la même zone de quelques microns sur l’échantillon. En intégrant les deux techniques dans le même instrument, on peut s’assurer que l’on analyse bien la même zone, à quelques dizaines de nanomètres près", explique Laetitia Bernard, qui a mené les études à l’Empa, le centre de recherche suisse sur les matériaux, et partenaire du projet.
Ion-TOF, société allemande spécialiste mondial des instruments ToF-SIMS, est responsable de l’intégration du système. Les deux instruments ont été repensés spécialement pour leur intégration. Mais la mise au point du NanoChemiscope 3D a demandé de multiples compétences. Le logiciel, par exemple, qui réalise la corrélation entre les données mesurées par l’AFM et le spectromètre ToF-SIMS, afin d’attribuer une composition chimique à une zone très précise de l’échantillon, a été développé à l’université technologique de Vienne (Autriche).
Et c’est l’Empa qui a répondu à l’un des principaux défis posés par la conception, le système de déplacement de l’échantillon entre le microscope et le spectromètre, à l’intérieur de l’appareil. "On a rapproché les deux instruments autant que possible, mais il restait 23 cm à franchir. Notre système déplace l’échantillon sur cette distance, et le repositionne avec une précision de 100 nanomètres… en moins d’une minute !", souligne Laetitia Bernard. Les systèmes de micro déplacement existant sur le marché ne vont pas au-delà du centimètre… Le nouveau système, constitué de platines déplacées sur des rails par des moteurs piézoélectriques, couvre la distance, à une vitesse compatible avec la patience des chercheurs, tout en garantissant la précision du repositionnement. Les rails ont été revêtus de couche de diamant (DLC) ou de saphir pour éviter les effet de dilatation thermique.
Le prototype est maintenant  en cours d’industrialisation chez Ion-TOF. Beaucoup de travail en perspective, car il faut rendre l’appareil simple d’usage, et optimiser sa conception afin de réduire son coût : même un produit unique au monde ne se vendra pas à n’importe quel prix !
Thierry Lucas