Dans le microscope chimique

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L’imagerie chimique permet de visualiser séparément différents éléments ch

L’imagerie chimique permet de visualiser séparément différents éléments chimiques. Ici, les abréviations ETH et PSI sont écrites avec différents métaux, de l’or et de l’argent. Avec un microscope optique conventionnel (1), les deux inscriptions apparaissent superposées. Avec un microscope chimique (2a, 2b), il est possible de visualiser les deux métaux séparément, un à un. Les inscriptions sont ainsi clairement lisibles. (Reproduction autorisée d’Anal. Chem. 2013, 85, 10112. Copyright 2016 American Chemical Society)

Entretien avec Daniel Grolimund
Daniel Grolimund est responsable d’une ligne de faisceau à la Source de Lumière Suisse (SLS) du PSI. Cette ligne de faisceau permet de déterminer la répartition des liaisons chimiques dans différents objets. Une possibilité dont profitent des chercheurs de disciplines les plus diverses: spécialistes des batteries, biologistes, archéologues et bien d’autres scientifiques. Le chercheur évoque en entretien la multiplicité des thématiques étudiées à la ligne de faisceau et les défis variés dont s’accompagne cette diversité.

A l’Institut Paul Scherrer, vous êtes responsable d’une ligne de faisceau qui permet d’étudier les objets les plus divers au moyen de rayons X produite à la Source de Lumière Suisse (SLS). Des chercheurs d’universités et d’autres instituts viennent à vous pour analyser, par exemple, des épées anciennes, des ou des graines. Qu’est-ce qu’elle de si particulier, votre ligne de faisceau, pour qu’il soit possible d’y étudier des objets aussi divers?
Ce qui est spécial, c’est l’imagerie chimique. Cela veut dire que nous sommes en mesure de voir quels sont les éléments chimiques qui composent l’échantillon étudié. Normalement, c’est quelque chose que l’on ne peux pas voir à l’?il nu. Mais à notre ligne de faisceau, c’est possible. Prenons un exemple simple: la lumière de type rayons X nous permet de voir qu’un objet contient du fer. Mais nous pouvons aller plus loin. Nous pouvons voir la manière dont le fer est lié à d’autres éléments. Quand on laisse traîner du fer à l’air libre, il rouille. C’est toujours du fer, mais dans un autre état puisqu’il est maintenant oxydé. Grâce aux rayons X, on peut savoir qu’il s’agit de fer mais aussi comment il est lié à de l’oxygène.
Et c’est le genre de connaissances dont on a besoin aussi quand on s’intéresse aux graines?
Oui, des questions de ce genre se posent presque dans tous les domaines. Dans le cas des graines, des biologistes cherchaient à connaître les raisons de la faible teneur en zinc des céréales. C’est un problème, car dans les régions où les gens se nourrissent principalement de céréales, on observe des carences en zinc. Pourtant, la plante en elle-même contient suffisamment de zinc. Nous avons réussi à mettre en évidence les endroits où le zinc s’accumule et reste bloqué, de sorte qu’il ne peut pas atteindre les graines. Ces connaissances vont permettre de développer de nouvelles variétés dont les graines présenteront une plus forte teneur en zinc.
D’où viennent les idées de tout ce que l’on pourrait observer à votre ligne de faisceau?
C’est un processus actif, qui vient parfois des utilisateurs, parfois de nous. Nous consultons la littérature scientifique pour identifier les questions intéressantes où nous pourrions apporter une contribution, puis nous prenons délibérément avec les groupes de recherche concernés. En même temps, nous déployons des efforts ciblés pour impliquer des chercheurs suisses, afin de renforcer l’interaction du PSI avec les universités du pays. Nous avons vu, par exemple, que des chercheurs à l’Empa avaient analysé des objets archéologiques comme des épées de l’âge du fer afin d’en savoir plus sur les procédés de fabrication. Nous avons pris avec ces collègues et nous avons pu les aider à reconstituer les techniques de forges historiques.
Récemment, vous avez étudié des batteries lithium-ion avec des collègues de l’ETH Zurich. Comment tout cela s’est-il passé?
Les chercheurs de l’ETH ont d’abord mené des analyses à une autre ligne de faisceau à la SLS. Ils y ont déterminé par tomographie les structures à l’intérieur de la batterie. Le scientifique du PSI responsable de cette ligne de faisceau nous a adressé les collègues de l’ETH pour que nous déterminions la répartition du lithium dans cette batterie. Ainsi, nous avons pu montrer ensemble ce qui se passe dans la batterie lorsqu’elle se charge ou décharge. Ces connaissances pourraient contribuer à développer des batteries avec une plus longue durée de vie. Le projet montre l’importance de la collaboration au sein du PSI et avec des groupes externes. Les résultats sont rarement obtenus par une seule ligne de faisceau.
Aviez-vous pensé à ces applications très diverses lorsque vous avez monté la station de mesure?
Lorsque nous avons démarré le projet il y a une bonne quinzaine d’années, notre intention, clairement, était de construire un microscope chimique. Autre point important: il fallait pouvoir analyser des matériaux radioactifs. A l’origine, en effet, le projet était une coopération avec le Département de recherche Energie nucléaire et sûreté au PSI. Mais dès le début, nous avons réfléchi au-delà et intégré d’autres options. On peut par exemple mener ici des expériences avec la lumière de type rayons X conventionnelle de la SLS, mais aussi produire des impulsions lumineuses ultra-courtes et ainsi tester des idées d’expériences pour le SwissFEL, le prochain grand instrument de recherche du PSI. L’installation de cette option a allongé d’environ un an la construction, mais de la sorte, nous avons pu créer des possibilités uniques. L’idéologie que nous avons suivie est la suivante: ne pas copier, mais chercher des possibilités pour accomplir un travail de pionnier.
Avez-vous poursuivi des recherches dans le domaines des échantillons radioactifs?
Aujourd’hui encore, cela représente effectivement une partie importante de notre travail. Nous avons l’autorisation de l’Office fédéral de la santé publique d’étudier des substances radioactives durant un mois par an en tout. C’est un travail qui demande un gros investissement en raison des procédures complexes de sécurité, mais cela nous a permis d’étudier par exemple la pénétration de matériau radioactif dans les roches argileuses, un phénomène qui revêt une grande importance pour les futurs dépôts en couches géologiques profondes. Ou alors, nous analysons des matériaux qui ont été utilisés dans des centrales nucléaires et contribuons ainsi à la sécurité des installations. Dans ce cas précis, nous profitons aussi de notre capacité à nous contenter d’échantillons minuscules, si bien que la radioactivité totale avec laquelle nous travaillons est très faible.
Les chercheurs qui mènent des expériences à votre station de mesure se penchent sur des objets très divers. Devez-vous chaque fois vous familiariser avec leur thématique?
Oui, c’est très exigeant. Et parfois frustrant, parce que je ne pourrai jamais atteindre le niveau de mon vis-à-vis. Mais je dois toujours m’efforcer d’arriver à un niveau adéquat pour pouvoir conseiller les utilisateurs. Nous devons souvent commencer par extraire ensemble l’essence précise de leur interrogation et déterminer quelle sera la mesure la plus appropriée pour y répondre. Or, pour cela, il faut un niveau élevé de compréhension scientifique. Parfois, quand je rentre chez moi le soir après le travail, il m’arrive de me dire: une expérience ordinaire de temps en temps, ce serait pas mal aussi.
Vous avez monté la ligne de faisceau à partir de zéro. A la base, êtes-vous physicien ou ingénieur?
J’ai étudié les sciences de l’environnement à l’ETH Zurich, ce sont des études scientifiques interdisciplinaires. A l’époque, le PSI a choisi de porter son choix non pas sur un spécialiste pour construire des lignes de faisceau, mais sur quelqu’un qui s’intéressait aux sujets de recherche. J’ai donc dû me familiariser considérablement avec la physique des rayons X et bien des sujets d’ingénierie. De fait, cela a peut-être pris plus de temps, mais l’instrument qui en a résulté sert la recherche, plutôt que de pousser l’instrument à ces limites techniques comme une fin en soi. Je suis très heureux que cette opportunité m’ait été donnée et, quinze ans plus tard, je suis toujours enthousiaste.
: Institut Paul Scherrer/Paul Piwnicki

Fenster zur Forschung 03/2016

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