Des scientifiques réalisent l’exploit de radiographier un seul atome

Une équipe de chercheurs* a réussi à obtenir le premier signal (ou signature) aux rayons X d’un seul atome. Financée par le département américain de l’Énergie, l’Office of Basic Energy Sciences, cette réalisation pourrait bouleverser la façon dont les scientifiques détectent les matériaux.

Les rayons X, découverts par Roentgen en 1895, sont largement utilisés, des examens médicaux aux contrôles de sécurité dans les aéroports. Même Curiosity, le rover de la NASA sur Mars, est équipé d’un dispositif à rayons X pour examiner la composition des roches martiennes.

L’usage scientifique clé des rayons X est l’identification des matériaux d’un échantillon. Grâce aux développements des sources de rayons X synchrotron et de nouveaux instruments, la quantité de matériau nécessaire pour la détection a été considérablement réduite. Aujourd’hui, l’échantillon le plus petit qui peut être radiographié est à l’échelle de l’attogramme, soit environ 10 000 atomes ou plus.

En effet, le signal des rayons X produit par un atome est extrêmement faible, ce qui empêche l’utilisation de détecteurs conventionnels pour l’identifier. Selon le professeur de physique à l’Université de l’Ohio, Hla, l’objectif de longue date des scientifiques de radiographier un seul atome est désormais réalisé.

« Nous pouvons désormais détecter exactement le type d’un atome particulier, un atome à la fois, et mesurer simultanément son état chimique, » explique le Pr. Hla, qui est également le directeur de l’Institut des Phénomènes Nanoscale et Quantiques à l’Université de l’Ohio. « Une fois que nous sommes capables de faire cela, nous pouvons traquer les matériaux jusqu’à la limite ultime d’un seul atome. Cela aura un grand impact sur les sciences environnementales et médicales et pourrait même trouver un remède qui aura un énorme impact pour l’humanité. Cette découverte transformera le monde.

Leur article, publié dans la revue scientifique Nature, détaille comment le Pr. Hla et d’autres physiciens et chimistes ont utilisé un instrument à rayons X synchrotron construit spécialement pour l’occasion. Pour leur démonstration, l’équipe a choisi un atome de fer et un atome de terbium, tous deux insérés dans leurs hôtes moléculaires respectifs.

« La technique utilisée et le concept prouvé dans cette étude ouvrent la voie à de nouvelles recherches et pourraient donner naissance à de nouvelles technologies, » déclare Tolulope Michael Ajayi, premier auteur de l’article.

L’étude du Pr. Hla se concentre sur les sciences nano et quantiques avec un accent particulier sur la compréhension des propriétés chimiques et physiques des matériaux au niveau le plus fondamental – sur une base atomique individuelle. L’objectif clé de l’équipe était d’utiliser cette technique pour étudier l’effet environnemental sur un seul atome de terre rare.

« Cette réalisation connecte les rayons X synchrotron avec le processus de tunnel quantique pour détecter la signature aux rayons X d’un atome individuel et ouvre de nombreuses directions de recherche passionnantes, » commente encore le Pr. Hla.

À l’avenir, le Pr. Hla et son équipe de recherche continueront d’utiliser les rayons X pour détecter les propriétés d’un seul atome et trouver des moyens de révolutionner encore leurs applications.

Atome et ordres de grandeur

Un atome est la plus petite unité constitutive de la matière. Il est composé d’un noyau central, qui contient des protons et des neutrons, ainsi que d’électrons qui orbitent autour du noyau.

• Taille d’un atome : La taille d’un atome varie en fonction de l’élément chimique, mais en général, elle est de l’ordre de quelques angströms (1 angström = 0,1 nanomètre). Par exemple, le diamètre d’un atome d’hydrogène est d’environ 0,1 nanomètre.

• Taille d’une molécule : Les molécules sont formées de plusieurs atomes liés entre eux. La taille d’une molécule peut varier considérablement en fonction de sa composition, mais elle est généralement de l’ordre de quelques nanomètres à quelques micromètres. Par exemple, la taille d’une molécule d’eau est d’environ 0,3 nanomètre.

• Taille d’une cellule : Les cellules constituent les unités de base des organismes vivants. Elles sont composées de molécules et peuvent avoir des tailles allant de quelques micromètres à quelques centaines de micromètres. Par exemple, la taille typique d’une cellule humaine est d’environ 10 à 30 micromètres.

• Taille d’un grain de sable : Un grain de sable a une taille d’environ quelques centaines de micromètres à quelques millimètres. Cela signifie qu’il contient un grand nombre d’atomes et de molécules.

• Taille d’un cheveu humain : Un cheveu humain a une taille d’environ 50 à 100 micromètres. Il est composé de milliers de cellules alignées les unes à côté des autres.

* des scientifiques de l’Université de l’Ohio, du Laboratoire National Argonne, de l’Université de l’Illinois-Chicago et d’autres institutions, dirigée par Saw Wai Hla, professeur de physique à l’Université de l’Ohio et scientifique au Laboratoire National Argonne.

Crédit images / Saw-Wai Hla