Une lentille virtuelle améliore la microscopie à rayons X

Villigen, 01.02.2019 - Les rayons X permettent d'obtenir des aperçus uniques de l'intérieur des matériaux, des tissus et des cellules. Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI ont développé une nouvelle méthode qui rend les radiographies de matériaux encore meilleures: leur résolution est plus élevée et permet de tirer des conclusions plus précises sur certaines propriétés des matériaux. Pour aboutir à ce résultat, les chercheurs ont déplacé une lentille optique et réalisé en même temps d'innombrables images individuelles à partir desquelles ils ont calculé l'image proprement dite à l'aide d'algorithmes informatiques. Ils ont ainsi appliqué pour la première fois un principe appelé ptychographie de Fourier à des mesures réalisées avec des rayons X. Les résultats de leurs travaux à la Source de Lumière Suisse SLS ont été publiés dans la revue spécialisée Science Advances.

Les chercheurs au PSI se servent de microscopes à rayons X pour scruter l'intérieur de puces informatiques, de catalyseurs, de fragments d'os ou encore de tissu cérébral. La longueur d'onde courte de la lumière de type rayons X rend visibles certains détails un million de fois plus petits qu'un grain de sable, autrement dit des structures de l'ordre du nanomètres (millionième de millimètre). Comme dans le cas d'un microscope normal, lorsque la lumière frappe l'échantillon, elle est déviée par ce dernier. Une lentille capte alors cette lumière diffractée et produit une image agrandie au niveau de la caméra. Toutefois, les structures minuscules diffractent la lumière à de très grands angles. Si l'on veut les visualiser dans l'image, il faut donc une lentille qui soit suffisamment large. Mais il est extrêmement difficile de fabriquer des lentilles d'une taille pareille, explique Klaus Wakonig, physicien au PSI. Dans le spectre visible, il existe des lentilles capables de capter de très grands angles de diffraction. Dans le domaine des rayons X, en revanche, c'est plus compliqué en raison de la faible interaction avec le matériau de la lentille. Par conséquent, la plupart des lentilles peuvent capter uniquement des angles très petits, ou alors la lentille a une très faible efficacité.

La nouvelle méthode, développée par Klaus Wakonig et ses collègues, contourne ce problème. Le résultat se présente comme s'il avait été obtenu au moyen d'une grande lentille, résume le chercheur. L'équipe du PSI se sert d'une lentille petite mais efficace, comme celle qui est utilisée dans la microscopie à rayons X, et la déplace sur une zone correspondant à celle qu'une lentille idéale serait capable de couvrir. Cela crée virtuellement une grande lentille. Dans la pratique, nous nous déplaçons avec la lentille vers différents points, où nous réalisons chaque fois une prise de vue, explique Klaus Wakonig. Ensuite, nous recourons à des algorithmes informatiques pour relier toutes les images et générer une prise de vue à haute résolution.

De la lumière visible aux rayons X

Normalement, on évite de déplacer les lentilles des instruments en dehors de l'axe optique, car cela peut déformer l'image. Mais comme les chercheurs connaissent la position exacte de la lentille et exposent de nombreux points contigus, ils peuvent reconstruire la manière dont la lumière a été diffractée et à quoi ressemblait l'échantillon. Cette méthode appelée ptychographie de Fourier est utilisée depuis 2013 pour la microscopie dans le spectre visible. Dans le cadre de leurs expériences au PSI, les chercheurs ont maintenant appliqué ce principe à la microscopie à rayons X. A notre connaissance, personne n'a annoncé jusqu'ici avoir réussi à transposer la ptychographie de Fourier au rayonnement X, écrivent les chercheurs dans la revue Science Advances.

Cette nouvelle méthode offre non seulement une meilleure résolution, mais elle fournit également deux types d'informations complémentaires. Elle consiste d'un côté à mesurer la quantité de lumière absorbée par l'objet à photographier, comme avec un appareil photo de téléphone portable, et de l'autre, à enregistrer aussi la déviation que subit la lumière. Les spécialistes parlent de contraste d'absorption et de contraste de phase. Le contraste de phase est difficile à obtenir, explique Ana Diaz, scientifique de ligne de faisceau au PSI. Or notre méthode le fournit pratiquement gratuitement en plus. Grâce à lui, la qualité de nos images est bien meilleure. Le contraste de phase permet même de tirer des conclusions sur les propriétés des échantillons de matériaux étudiés, ce qui n'est pas possible en règle générale avec l'imagerie conventionnelle.

Particulièrement intéressant pour les échantillons biologiques

L'échantillon que les chercheurs ont analysé dans le cadre de leurs expériences était une puce de détecteur. La nouvelle méthode pourrait permettre à l'avenir de montrer comment fonctionne un catalyseur à hautes températures lorsque l'on ajoute un gaz ou encore à quel moment un métal se rompt sous la pression.

Mais elle permettrait aussi de mieux analyser des tissus et des structures cellulaires. Les chercheurs espèrent obtenir ainsi de nouvelles connaissances sur le développement d'affections comme la maladie d'Alzheimer ou l'hépatite. En principe, dans le cas des échantillons biologiques, le contraste d'absorption n'est pas bon, détaille Ana Diaz à propos des avantages de la nouvelle méthode. Là, le contraste de phase assure une véritable amélioration de la qualité de l'image. Par ailleurs, les chercheurs soupçonnent la ptychographie de Fourier de ménager davantage les échantillons que les méthodes utilisées jusqu'ici. La comparaison avec la microscopie à rayons X conventionnelle indique que la nouvelle méthode nécessite une moindre dose de rayonnement en raison de sa meilleure efficacité, relève Klaus Wakonig. Cet aspect pourrait s'avérer particulièrement intéressant pour les examens d'échantillons biologiques.

L'équipe de chercheurs a construit son installation de démonstration à la ligne de faisceau cSAXS de la Source de Lumière Suisse SLS. Pour l'instant, les expériences sont vraiment complexes et prennent beaucoup de temps, souligne Ana Diaz. Pour que la nouvelle méthode fonctionne, les rayons X utilisés doivent se trouver dans une sorte d'unisson. Les chercheurs disent qu'ils doivent être cohérents. De telles expériences nécessitent pour l'heure de grandes installations de recherche comme la SLS. Mais Klaus Wakonig cherche aussi à savoir si la méthode serait réalisable moyennant une moindre cohérence. S'il était possible d'étudier des échantillons de cette manière avec une source de laboratoire conventionnelle, cela pourrait ouvrir de nombreux domaines d'application.

Texte: Barbara Vonarburg

À propos du PSI

L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l'énergie et l'environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 2100 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 390 millions. Le PSI fait partie du domaine des EPF, les autres membres étant l'ETH Zurich, l'EPF Lausanne, l'Eawag (Institut de Recherche de l'Eau), l'Empa (Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche) et le WSL (Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage).

Publication originale

X-ray Fourier ptychography
K. Wakonig, A. Diaz, A. Bonnin, M. Stampanoni, A. Bergamaschi, J. Ihli, M. Guizar-Sicairos and A. Menzel
Science Advances 1 février 2019 (en ligne)
DOI: 10.1126/sciadv.aav0282

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