Cette sonde permet aux chercheurs d’identifier la composition d’un échantillon atome par atome, mais aussi de cartographier précisément l’emplacement de chaque atome.
Les applications pratiques potentielles sont nombreuses, depuis le développement de nouveaux traitements contre l’ostéoporose jusqu’au développement de trains d’atterrissage plus robustes.
«On ne joue pas seulement aux Legos avec des atomes», a déclaré le directeur scientifique de la plateforme PolyAPT, le professeur Oussama Moutanabbir, du département de génie physique de Polytechnique Montréal. “Si nous voulons comprendre la position des atomes, ce n’est pas seulement pour le (plaisir de) le faire, il s’agit vraiment de comprendre les performances d’un matériau et pourquoi il va se dégrader.”
La sonde atomique tomographique Invizo 6000 analyse la composition atomique d’un échantillon en supprimant ses atomes un par un pour générer une image tridimensionnelle de l’objet avec un niveau de détail sans précédent. Un spectromètre de masse intégré identifie non seulement la nature de chaque atome, mais également sa forme isotopique. L’outil est si sensible qu’il reconnaît les plus petits atomes, même ceux d’hydrogène et de lithium.
L’instrument pourrait aider à développer des matériaux de pointe pour des applications dans les technologies de l’information quantique ; nanoélectronique; optoélectronique; conversion et stockage d’énergie; alliages métalliques pour l’aérospatiale; technologies biointégrées; et les biomatériaux.
La technologie permet également d’envisager la conception de nouvelles générations de semi-conducteurs et de matériaux quantiques sensibles aux variations atomiques et aux impuretés. Le dispositif ouvre enfin la voie à une meilleure connaissance des structures fines, comme celles des batteries ou des tissus biologiques comme les os.
L’acquisition d’un appareil aussi sophistiqué, comme vous pouvez l’imaginer, ne s’est pas faite en claquant des doigts. Le processus a débuté il y a sept ans et a finalement nécessité un partenariat entre l’Université de Montréal, l’École de technologie supérieure, l’Université McGill et l’Université de Sherbrooke pour réunir les millions de dollars nécessaires.
Les échantillons analysés par la sonde sont environ mille fois plus petits qu’un cheveu humain. Découpés en forme d’aiguille, ils sont congelés à une température de -230 degrés Celsius et soumis à un champ électrique intense. Les pulsations d’un laser « soulèvent » alors les atomes vers la surface pour qu’ils puissent être analysés.
“Ces champs électriques intenses rendent les atomes à la surface” lâches “”, a expliqué le professeur Mouttanabir. Ensuite, il faut quelques centaines d’impulsions (laser) pour arracher l’atome, et une fois l’atome arraché, il sera propulsé vers le détecteur.
Le temps nécessaire à l’atome pour se rendre au détecteur permet aux chercheurs de déterminer sa masse et son identité chimique. L’endroit où l’atome frappe le détecteur permet de calculer où il se trouvait à la surface de l’échantillon.
L’appareil a déjà produit des résultats qui enflamment l’imagination, comme cet échantillon de météorite analysé par le professeur Mouttanabir et ses collègues.
“Nous avons découvert que la météorite est antérieure à la création du système solaire, elle a donc plus de cinq milliards d’années”, a expliqué le chercheur.
L’un des collaborateurs du professeur Mouttanabir travaille, en partenariat avec l’industrie, au développement de la prochaine génération de scanners à rayons X.
Pour détecter les cancers le plus tôt possible, a-t-il déclaré, nous avons besoin de détecteurs très efficaces. Et un élément clé de cette efficacité est l’homogénéité à l’échelle atomique des matériaux utilisés pour les examens aux rayons X.
Le nouveau dispositif, a déclaré le professeur Mouttanabir, nous permet de « voir où sont placés les atomes, et leur position et leur répartition dicteront les performances des détecteurs ». Et si le matériau utilisé est plus uniforme, moins de rayons X seront nécessaires pour obtenir le même résultat, a-t-il ajouté.
“C’est également important pour tout ce qui touche à la sécurité”, a ajouté le professeur Mouttanabir. Bientôt, dans les aéroports, nous aurons des détecteurs (tellement efficaces) que nous n’aurons plus besoin de vider nos bagages.»
L’acquisition de cette machine permet, en quelque sorte, au professeur Mouttanabir de « boucler la boucle », dont la carrière scientifique a en quelque sorte été lancée par une photo floue d’un atome aperçue dans un livre de science lorsqu’il était très jeune.
« Pour moi, ça a été un choc. Pouvons-nous voir un atome ?, a-t-il dit en conclusion. Ensuite, j’ai toujours été fasciné par le contrôle de la position de l’atome. Dans tous mes laboratoires, nous voulons créer des matériaux un atome à la fois. Nous prenons des sacs d’atomes, nous les secouons, et si nous avons les bonnes conditions, les atomes s’organiseront et créeront quelque chose d’utile.
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