Une nouvelle méthode d'enregistrement des nanoparticules
Des impulsions de rayons X bicolores permettent d'observer le même échantillon à deux instants différents
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L'un des grands rêves de la science de l'ultra-rapide a toujours été d'observer les changements subis par les nanoparticules ou les biomolécules à leur échelle de temps naturelle. Sur le plan expérimental, cela peut être réalisé en prenant deux clichés du même objet à seulement quelques femtosecondes (un millionième de milliardième de seconde) d'intervalle. Cependant, aucun détecteur n’est suffisamment rapide pour enregistrer ces deux instantanés séparément : ils finissent par se superposer en une seule image. Les scientifiques ont désormais eu recours à deux méthodes complémentaires pour démêler deux motifs de diffraction capturés par le même détecteur de rayons X. Les résultats obtenus par une équipe internationale de chercheurs ont été publiés dans deux articles distincts parus dans *Nature Communications*.
Une nouvelle fonctionnalité de l’European XFEL a récemment permis de faire un grand pas en avant vers la réalisation de films à l’échelle nanométrique : le laser à rayons X peut produire des flashs successifs de deux couleurs différentes, suffisamment lumineux pour capturer une particule deux fois en l’espace de quelques femtosecondes. Les deux méthodes permettant de démêler ces deux images tirent parti de ces différentes couleurs ou énergies photoniques : l’une exploite la capacité du détecteur à distinguer les niveaux d’énergie pour chaque pixel individuel, tandis que l’autre recourt à des reconstructions mathématiques. Ses inventeurs appellent cette dernière méthode la « dichographie ». L’un des scientifiques à l’origine de cette découverte compare cette technique à une caméra ultra-rapide : « À ma connaissance, ce sont les films à l’échelle nanométrique les plus rapides jamais enregistrés, si par "film" on entend plusieurs images successives d’un même objet », explique Alessandro Colombo, du département de physique de l’ETH Zurich, en Suisse.
« Cela ouvre la voie à l’observation de changements rapides au sein des nanoparticules, à l’instar des études qui sont possibles depuis un certain temps déjà avec de petites molécules », explique Yevheniy Ovcharenko, chercheur à l’instrument Small Quantum Systems (SQS) de l’European XFEL et chercheur principal de l’étude. « Ces nanoparticules sont moins uniformes que les molécules individuelles, ce qui rend nécessaire l’observation des processus à partir d’un seul et même échantillon. » Les expériences sur des molécules individuelles visant à suivre des processus chimiques s’appuient généralement sur une série d’observations de différents échantillons à des intervalles de temps variables après un événement déclencheur. Cette approche ne fournit pas de résultats précis pour des particules dont la taille, la forme, l’orientation ou la structure interne peuvent varier. Grâce à deux images aux rayons X de la même particule, prises à un intervalle de temps variable, les chercheurs peuvent commencer à suivre directement un événement unique, tel qu’un nanoplasma en expansion, un agrégat en fragmentation ou un réarrangement structurel déclenché par la lumière. « Nous sommes au point de départ d’un nouveau type d’étude », ajoute Marcel Mudrich, de l’université de Kassel, qui a proposé cette expérience en collaboration avec son collègue du SQS. « Nous disposons désormais de lasers à électrons libres capables de produire des paires d’impulsions de rayons X de “couleurs” différentes, nous avons des détecteurs qui distinguent les images en fonction de la couleur de la lumière X diffusée, et nous disposons des outils d’analyse permettant de reconstituer la forme de particules individuelles à partir des clichés de rayons X enregistrés. »
Pour développer et démontrer la faisabilité des méthodes de séparation des couleurs et de dichographie, les scientifiques ont utilisé l’instrument SQS de l’European XFEL. Deux sections des onduleurs de l’installation, des sources de rayons X d’une longueur totale de 120 mètres, ont été réglées sur différentes énergies de photons X (environ 1,0 et 1,2 kiloélectronvolts), ou « couleurs », créant ainsi deux impulsions de rayons X. La deuxième impulsion de rayons X a été émise quelques dizaines à quelques centaines de femtosecondes après la première. Les deux impulsions ont ensuite été focalisées sur des nanogouttelettes d’hélium en vol libre et les rayons X diffusés ont été enregistrés sur un détecteur pnCCD. Cet appareil mesure la charge créée par les photons entrants, ce qui permet d’estimer leur énergie au niveau de chaque pixel. En analysant la charge déposée dans chaque pixel et dans de petits groupes de pixels, l’équipe a pu attribuer de nombreux photons détectés à la première ou à la deuxième impulsion de rayons X. « C’est plus compliqué qu’il n’y paraît », explique Michael Meyer, scientifique en chef et responsable du groupe chargé de l’instrument SQS, ainsi que l’un des auteurs des publications, « car nous avons beaucoup de photons. Un pixel peut avoir capté un photon de la première impulsion et plusieurs photons de la seconde. De plus, un même photon peut également éclairer plusieurs pixels. » Linos Hecht, doctorant à l’ETH Zurich et premier auteur des publications, souligne que « la méthode est très flexible, car elle ne repose sur aucune propriété spécifique de l’échantillon. De plus, elle fonctionne mieux dans les zones faiblement éclairées du détecteur, à de grands angles de diffusion, là où sont stockées les informations haute résolution les plus précieuses. »
Cette séparation des couleurs au niveau des pixels a fourni la preuve de principe expérimentale. La deuxième étape était plus ambitieuse : au lieu de trier les photons détectés par couleur, les chercheurs ont cherché à reconstituer deux images réelles de l’échantillon à partir d’un seul diagramme de diffraction mixte. C’est le principe de la dichographie, développée dans une étude complémentaire. La méthode utilise des algorithmes itératifs de récupération de phase pour rechercher deux structures distinctes dont les intensités de diffraction s’additionnent pour donner le signal mesuré. À partir des données de l’European XFEL, l’équipe a reconstruit deux vues séparées dans le temps d’une nanogouttelette d’hélium, contenant des particules de xénon, à partir de motifs uniques se chevauchant avec des décalages de 50 et 750 femtosecondes. Les séquences vidéo à deux images ont montré que les nanoclusters de xénon incorporés semblaient pratiquement inchangés : alors qu’une lumière intense peut provoquer l’explosion des particules, le processus avait à peine commencé pendant l’intervalle de temps observé. Les expériences et les simulations associées ont également montré que le problème reste difficile à résoudre : la dichographie ne fonctionne que lorsque les données sont suffisamment lumineuses et que les deux contributions de couleur sont raisonnablement équilibrées. « Je suis convaincu que la poursuite des développements dans des installations telles que l’European XFEL rendra ces limites de moins en moins gênantes et notre méthode de plus en plus applicable », déclare Colombo. « Nous nous lançons dans une nouvelle aventure scientifique, en concrétisant enfin le rêve de filmer les changements structurels ultra-rapides au sein de nanoparticules individuelles. »
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Linos Hecht, Andre Al Haddad, Björn Bastian, et al.; "Dichography: two-frame ultrafast imaging from a single diffraction pattern"; Nature Communications, Volume 17, 2026-6-24
Linos Hecht, Yevheniy Ovcharenko, Asbjørn Ø. Lægdsmand, et al.; "Model-free pattern separation of two-color ultrafast X-ray diffraction"; Nature Communications, 2026-9-3
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