SSonder la matière à l’échelle subatomique pour révéler ses propriétés | #5

Visualisation stylisée d’une simulation atomique d'un alliage à haute entropie, c'est-à-dire composé de plusieurs éléments en proportions égales, ici du fer, du chrome, du nickel et du manganèse. © Alex BOURGEOIS, Céline VARVENNE, Pierre-Antoine GESLIN | CNRS Images

Ressource #5 du dossier Pop’Sciences – CNRS : « ANNÉE DE L’INGENIERIE – Quand l’ingénierie façonne la recherche scientifique » ARTICLE 

Comprendre comment les constituants les plus élémentaires de la matière sont liés entre eux pour tenter de percer leurs secrets. Tel est l’objectif que s’est fixé Matthieu Bugnet à partir d’outils dédiés à l’étude des matériaux. En combinant la microscopie électronique en transmission avec une méthode de spectroscopie avant-gardiste, le scientifique cherche à révéler la structure de matériaux à l’interface des atomes qui les constituent.

Visualisation stylisée d’une simulation atomique d’un alliage à haute entropie, c’est-à-dire composé de plusieurs éléments en proportions égales, ici du fer, du chrome, du nickel et du manganèse. © Alex BOURGEOIS, Céline VARVENNE, Pierre-Antoine GESLIN | CNRS Images

Conductivité électrique ou thermique, élasticité ou rigidité, résistance à la rupture ou à la corrosion, transparence ou opacité sont autant de propriétés dont peuvent disposer les matériaux que nous employons au quotidien. Bien que toutes ces caractéristiques s’appliquent à des structures ou des objets de dimension macroscopique, elles trouvent leur origine dans l’agencement de la matière à l’échelle de ses atomes voire même en-deçà. Parvenir à mettre en évidence cette organisation constitue toutefois un véritable défi technique que Matthieu Bugnet, chargé de recherche CNRS et spécialiste de microscopie électronique en transmission, s’efforce de relever à travers les investigations qu’il mène au sein du laboratoire Matériaux ingénierie et science (MatéIS)¹. « Nos recherches visent en quelque sorte à sonder ces constituants élémentaires de la matière que sont les atomes dans le but de comprendre leur organisation ainsi que celle des électrons présents autour du noyau des atomes et qui assurent la cohésion de ces derniers », explique-t-il. Pour déterminer de quelle manière les atomes interagissent les uns avec les autres, le scientifique étudie les liaisons chimiques entre atomes de divers matériaux cristallins³ à l’aide d’un microscope électronique en transmission (MET).

Microscope électronique en transmission environnemental (ETEM), cet instrument permet d’analyser la structure et la composition de matériaux à l’échelle atomique, et leur évolution in situ sous différentes contraintes inhérentes à leur fonction : gaz, température, sollicitation mécanique… © Cyril FRESILLON / MATEIS / IRCELYON / CLYM / METSA / CNRS Images

Viser des niveaux de résolution extrêmes

En dépit d’un pouvoir de résolution supérieur à 0,1 nanomètre², le MET qu’emploie Matthieu Bugnet n’est pas en mesure d’« imager » directement les liaisons entre les atomes. Pour cela, le scientifique associe depuis peu à cet outil d’observation un détecteur très performant optimisé pour la spectroscopie de pertes d’énergie des électrons (EELS pour Electron Energy-Loss Spectroscopy). Cette technique repose sur l’analyse des spectres générés par les pertes d’énergie que subissent les électrons lorsque ceux-ci traversent un matériau ou sont réfléchis à sa surface. « Appliquée à un échantillon de matière d’une ou deux dizaines de nanomètres d’épaisseur placé dans le microscope électronique, l’EELS offre la possibilité d’accéder à des niveaux de résolution énergétique et spatiale extrêmes qui peuvent nous permettre de comprendre ce qui se joue entre les atomes qui constituent cet échantillon », souligne le microscopiste. Pour éprouver les performances de ce dispositif d’analyse innovant, et s’assurer en premier lieu de sa capacité à révéler les caractéristiques des orbitales atomiques, c’est-à-dire la manière dont les électrons sont distribués autour de chaque atome, l’équipe de Matthieu Bugnet a eu recours à différents matériaux modèles. Ceux-ci présentent la particularité d’être très homogènes dans leur structure et leur composition chimique. Leurs propriétés et leurs caractéristiques spectrales en spectroscopie EELS sont en outre bien connues des spécialistes de la chimie des matériaux.

Faire le lien entre défauts et propriétés

Après avoir effectué des premiers tests pour le moins concluants sur un matériau cristallin connu, le dioxyde de titane (TiO₂), les scientifiques se sont ensuite focalisés sur des feuillets bidimensionnels de graphène. Ce cristal synthétique est constitué d’atomes de carbone disposés dans un même plan selon un motif hexagonal. En combinant les données expérimentales recueillies dans le MET à l’aide de l’EELS avec des outils de simulation adaptés à la modélisation de signaux de très faible intensité affectés par la nature même de l’expérience, ils sont ainsi parvenus à cartographier la signature d’orbitales atomiques du graphène.

À l’avenir, l’équipe envisage d’employer cette même méthode pour sonder les liaisons chimiques au niveau de défauts localisés dans les matériaux cristallins. Objectif de ces investigations : établir un lien entre les liaisons chimiques d’un matériau au voisinage de ses défauts et ses propriétés les plus intéressantes pour faciliter l’ingénierie des défauts. En parallèle de ces futurs travaux, des études seront effectuées aux interfaces du graphène et du carbure de silicium (SiC). « Un matériau hybride tel que celui-ci présente des configurations idéales pour nous permettre de maximiser nos chances de révéler le lien entre structuration des orbitales atomiques et des propriétés s’exprimant à l’échelle macroscopique », explique le microscopiste.

La manipulation des atomes en ligne de mire

Qu’elles soient de nature physique, mécanique ou électronique, les propriétés des matériaux sont très souvent conditionnées par les défauts s’exprimant à des échelles très fines. Le fait de remplacer certains atomes constitutifs d’un matériau par d’autres éléments chimiques, ou d’arranger localement ces atomes de manière différente, pourrait alors suffire à lui octroyer de nouvelles caractéristiques. Si les travaux de Matthieu Bugnet n’ont pas encore permis, pour l’heure, de mieux définir l’intérêt de manipuler la matière à une échelle aussi fine. Ils attestent en revanche de la capacité de la microscopie électronique à visualiser l’effet des liaisons chimiques au niveau des défauts et des interfaces d’une grande variété de matériaux solides, dès lors que cette technique d’observation est associée à l’EELS. « Bien que nos premiers résultats restent très fondamentaux, ils laissent entrevoir la possibilité et surtout l’intérêt de façonner la matière à l’échelle de ses atomes, et ce de manière contrôlée, dans le but de faire advenir de nouvelles propriétés macroscopiques. »

D’ici une dizaine d’années, des domaines d’activité tels que la microélectronique, la catalyse, le stockage de données informatiques ou celui d’énergie pourraient bénéficier de cette conception à la carte des matériaux. En cherchant à améliorer l’analyse de la structure de la matière à l’échelle de leurs atomes, ces travaux devraient contribuer à relever l’un des grands défis de l’ingénierie consistant à développer de nouveaux matériaux dotés de propriétés inédites.

Article rédigé par Grégory Fléchet, journaliste scientifique – Janvier 2026

—————————————————————

¹ Unité CNRS/INSA Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1

² Un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre (10^-9 m), ce qui correspond peu ou prou au diamètre d’un atome d’hélium (He).

³ Solides dont les atomes, ions ou molécules sont disposés dans une structure ordonnée et répétitive, formant un motif tridimensionnel, bidimensionnel ou monodimensionnel régulier.

Ces recherches ont été financées en tout ou partie, par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet ANR-ORBITEM-AAPG2022. Cette communication est réalisée et financée dans le cadre de l’appel à projet Sciences Avec et Pour la Société – Culture Scientifique Technique et Industrielle pour les projets JCJC et PRC des appels à projets génériques 2022 (SAPS-CSTI-JCJ et PRC AAPG 22).