Après des années de recherche, les scientifiques de la TU/e Jom Luiten et Peter Mutsaers et leur équipe ont réussi à produire des rayons X durs de haute qualité à l’aide d’un appareil compact.
Ce qui a commencé comme le désir de mieux observer les peintures avec des rayons X durs, dont la longueur d’onde est inférieure à un nanomètre, aboutit aujourd’hui à une incroyable réalisation d’une équipe de chercheurs dirigée par Jom Luiten et Peter Mutsaers. Avec leur « synchrotron » compact, qui tient dans un espace de laboratoire au lieu de couvrir un bâtiment entier, ils ont réussi à générer des rayons X durs dans une gamme de longueurs d’onde très étroite. Ce rayonnement X peut également être adapté avec précision au matériau que l’on souhaite étudier. Le fait que cela soit possible avec une source de ces dimensions est unique au monde. Le chemin parcouru jusqu’à cette étape se lit comme un livre d’aventures.
Un vendredi après-midi de septembre, Jom Luiten, professeur de cohérence et de technologie quantique, reçoit un appel téléphonique du laboratoire disant : « Jom, tu dois venir au laboratoire maintenant ! Le coup de téléphone provient de ses étudiants en doctorat, Ids van Elk et Coen Sweers, qui travaillaient encore dans le sous-sol de Qubit. Son collègue Peter Mutsaers avait la malchance d’être en vacances. »
À l’arrivée au laboratoire, la raison est vite apparue : la machine à rayons X compacte, capable de produire des rayons X durs, rapprochés et ajustables, fonctionne ! Une raison suffisante pour se réjouir et envoyer un message rapide le lundi à tous les membres du consortium de recherche Smart*Light 2.0.
La raison de cette grande joie’ Pour cela, il faut revenir au début de la recherche. Le voyage a commencé, ce qui n’est pas tout à fait caractéristique de notre université, par un tableau.
Voir les couches d’un tableau
Joris Dik, historien de l’art et spécialiste des matériaux affilié à l’université de technologie de Delft, est connu pour avoir découvert des études préliminaires repeintes de Van Gogh, Rembrandt et Magritte.
Son travail a permis de retrouver des tableaux célèbres dans le monde entier, et il s’est fait connaître par l’analyse aux rayons X du tableau « Grassland » de Van Gogh, sous lequel une étude possible des « Mangeurs de pommes de terre » a été retrouvée.
Désireux de pouvoir examiner des tableaux aux rayons X, il est entré en contact avec Yom Luiten par l’intermédiaire de l’Académie royale néerlandaise des arts et des sciences (KNAW). Les rayons X permettent de regarder sous la surface des peintures ou d’autres objets d’histoire de l’art ou d’archéologie.
Cette nouvelle source de rayons X promet d’étudier la chimie et la structure des couches de peinture avec une résolution beaucoup plus élevée. Cela permet, par exemple, de rendre visibles des couches de peinture cachées dans un tableau.
Comme il s’agit d’une source compacte de rayons X, elle peut en principe être utilisée dans un musée. Il s’agit là d’une formidable opportunité pour la recherche sur le patrimoine muséal.
Un synchrotron de poche
Pour examiner les couches d’une peinture, il faut une autre source de rayons X. C’est ce qu’a fait Dik ! C’est ce que propose Dik ! Cependant, l’équipement capable de générer des rayons X aussi précis n’est pas encore disponible dans un hôpital ou un musée.
En effet, à l’heure actuelle, seul un synchrotron permet d’obtenir de tels résultats. Et comme leur nom l’indique, ces grands synchrotrons ronds (comme celui de l’ESRF à Grenoble) ont des dimensions énormes. De plus, leur construction est coûteuse et ils sont donc toujours complets pour la recherche. Ils ne conviennent pas à la numérisation d’une nouvelle acquisition dans un musée, et certainement pas à la numérisation de l’ensemble de la collection.
En discutant avec Dik, Luiten a eu plusieurs bonnes idées pour construire un appareil plus petit qui peut également générer des rayons X durs accordables et à bande étroite à une intensité raisonnablement élevée. Et ce, avec une installation de la taille d’une table de laboratoire d’optique au lieu d’un vaste bâtiment.
Un appareil de ces dimensions peut être installé dans un laboratoire de taille moyenne et, en principe, dans un conteneur d’expédition. Il n’est donc pas nécessaire de reconstruire un bâtiment pour l’installer. L’appareil peut même être suspendu au plafond pour surveiller les processus de production de cette taille.
Cette source linéaire de rayons X est pratiquement de la taille d’une poche dans le monde des grands synchrotrons. Luiten : « Et nous avons même des idées pour rendre l’instrument encore plus compact. »
Comment fonctionne cette source linéaire compacte de rayons X ?
Actuellement, deux sources de rayons X sont largement utilisées : les sources relativement faibles (les tubes à rayons X, utilisés dans les hôpitaux et chez les dentistes) et les sources puissantes (les synchrotrons). La nouvelle source linéaire compacte de Jom Luiten et de son équipe vient d’en ajouter une de milieu de gamme. Le tube à rayons X classique est basé sur une technologie du 19e siècle, vieille de plus de cent ans.
Les rayons X sont générés en « secouant » fortement des électrons rapides dans un sens et dans l’autre. Il existe pour cela plusieurs astuces : dans un tube à rayons X, les électrons sont brusquement ralentis dans un matériau, tandis que dans le synchrotron, les électrons se plient extrêmement fort dans un champ magnétique puissant.
À la source de la TU/e, les électrons accélérés vibrent dans le champ grâce à une impulsion laser intense. « Le principe physique selon lequel les électrons s’agitent d’avant en arrière est le même que pour un grand synchrotron, que ce soit à l’échelle du kilomètre ou du micromètre », considère M. Luiten.
En travaillant avec une source linéaire compacte, l’équipe accepte une intensité plus faible que celle générée par un synchrotron circulaire. Par exemple, dans cette source linéaire, les particules se déplacent à 99,995 % de la vitesse de la lumière, alors que dans les grandes versions (comme celle de l’ESRF), elles se déplacent à 99,9999995 % de la vitesse de la lumière. Et c’est précisément l’accélérateur de particules très compact qui rend cette source de rayons X si unique.
Luiten : « Cette capacité moyenne permet également à cette source d’examiner des peintures, des tranches de silicium ou du matériel biologique sans les endommager. En outre, cette source est spéciale parce que l’énergie des rayons X peut être ajustée très précisément au matériau que l’on veut détecter. Vous pouvez la « régler » pour visualiser n’importe quel élément du tableau périodique. En outre, le faisceau lumineux est raisonnablement cohérent. C’est pourquoi les mesures qu’il permet d’effectuer sont d’une grande précision ».
Outre les recherches du consortium Smart*Light 2.0, des travaux sur une source compacte de rayons X de « moyenne portée » sont en cours dans environ cinq autres endroits dans le monde. Mais aucun d’entre eux ne dispose d’un accélérateur de particules aussi compact que celui-ci, dont l’énergie peut être modifiée rapidement et facilement.
Le rayonnement pour l’art et l’archéologie
Les premiers pas ont été faits lorsque Dik et Luiten se sont rencontrés pour la première fois lors de la conférence SR2A (Synchrotron Radiation for Art and Archaeology) en 2016. « Je suis un grand optimiste », s’amuse Luiten. « Je dois l’être pour faire décoller ce type de projets de recherche et susciter l’intérêt des investisseurs. »
« Grâce au financement d’Interreg Flandre-Pays-Bas et aux contributions du gouvernement, nous avons vécu un grand moment lorsque nous avons commencé nos recherches. »
« Au début, je pensais que nous pourrions y arriver en trois ans. Malheureusement, nous avons pris du retard et avons dû faire face à des retards dus à la pandémie de COVID. L’aménagement du laboratoire dans le bâtiment où nous nous trouvons aujourd’hui, Qubit, a également pris beaucoup de retard. Cela a eu une incidence sur nos calendriers ».
Un prototype fonctionnel
Il s’agit du premier prototype fonctionnel dans leur laboratoire situé au sous-sol de Qubit. Ou, comme l’appelle poétiquement Luiten, leur « accélérateur de particules compact ». Il mesure un mètre et demi sur trois et, par mesure de sécurité, des cloisons en plomb et des murs en béton ont été installés pour permettre aux chercheurs de travailler en toute sécurité.
Il s’agit d’une mesure standard dans les laboratoires d’accélérateurs de particules contre les formes indésirables de rayonnements nocifs. Grâce à une conception intelligente, un tel blindage contre les rayonnements ne sera plus nécessaire dans la version finale.
Dans leur laboratoire, les chercheurs ont construit le prototype compact du synchrotron, qui a réussi pour la première fois à produire des rayons X durs. « Après toutes ces années de recherche, nous savions que nous étions proches du but », commente M. Luiten. « C’était de plus en plus excitant. Néanmoins, Peter (Mutsaers, ndlr) est parti en vacances et je suis rentré chez moi le vendredi après avoir travaillé au bureau ».
L’euphorie de cette étape n’est pas moindre. « Ids, Coen et moi-même avons vraiment apprécié cette soirée au laboratoire. La semaine précédente, Coen et Ids avaient pris des mesures avec Peter pour supprimer les bruits de fond gênants. C’était exactement ce qu’il fallait. Nous avions une source de rayons X durs qui fonctionnait. Maintenant, pour de vrai ! »
Et le plus beau dans cet appareil, c’est qu’il peut générer différentes longueurs d’onde très facilement, comme on l’espérait. « Il nous suffit d’utiliser un bouton rotatif pour faire varier la longueur d’onde et l’adapter précisément au matériau ou à l’objet que nous voulons étudier », explique M. Luiten.
« C’est probablement ce qui nous surprend le plus. Cet appareil fait exactement ce que nous avions prévu avec nos modèles et notre théorie. Pour un physicien, cela le rend un peu ennuyeux, pour être franc. L’énigme est résolue. »
Prochaines étapes
Aussi beau que soit le prototype fonctionnel, il ne s’agit pas encore de l’appareil dont Dik rêvait et pour lequel d’autres parties intéressées du monde médical et de l’industrie se sont maintenant manifestées.
Hessel Castricum, partenaire de recherche et chargé de recherche en science et ingénierie des matériaux à l’université technique de Delft, déclare : « En ce qui concerne l’application, c’est seulement maintenant que les choses commencent. Dans les mois à venir, nous travaillerons avec les autres partenaires du consortium pour cibler précisément les rayonnements sur les matériaux à étudier, pour les capter à l’aide d’équipements de détection avancés, puis pour analyser les données ainsi recueillies. La TU Delft et les universités d’Anvers et de Gand sont compétentes dans ce domaine.
Luiten : « En effet, le rayonnement que nous produisons n’est pas seulement adapté à l’examen de l’intérieur des tableaux. Il est également possible d’examiner des tranches de silicium pour vérifier si toutes les couches et les lignes sont au bon endroit. Ou, comme le souhaite notre partenaire Erasmus MC, vous pouvez l’utiliser pour étudier l’athérosclérose (durcissement des artères, ndlr) ou examiner les tissus pulmonaires présentant des lésions COVID à un stade précoce. Grâce à la haute qualité des rayons X, comparée à celle des scanners à rayons X actuels, vous pouvez obtenir une image plus nette des plus petites parties d’une cellule ou d’un tissu. »
Castricum ajoute : « Il reste encore beaucoup de travail à accomplir au cours de la période à venir. Outre le fait que nous pouvons, avec les partenaires de recherche de leur Interreg 0, effectuer des mesures sur les matériaux, nous devons tirer le meilleur parti de la source, par exemple en augmentant encore l’intensité et en concentrant encore mieux le faisceau laser et le faisceau d’électrons. »
« La prochaine étape consistera à faire une véritable démonstration de faisabilité. Nous pourrons ainsi observer l’intérieur d’un tableau à l’aide de cette source. Notre travail n’est certainement pas terminé », conclut M. Luiten, visiblement ravi.
Légende illustration : L’équipe de la TU/e au laboratoire avec sa source compacte de rayons X. De gauche à droite, Coen Sweers, Peter Mutsaers, Jom Luiten et Ids van Elk. Photo : Bart van Overbeeke
Source : TU/e – Traduction Enerzine.com
