La vie secrète des matériaux

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Une expérience reposant sur la diffraction d’électrons ultrarapide ouvre une nouvelle fenêtre sur l’univers microscopique
Publié: 27oct.2014

Pour la première fois, grâce à ces travaux qui ont fait l’objet d’un article publié le 24 octobre 2014 dans la revue spécialisée Science, des chercheurs ont pu distinguer les changements qui se produisent dans le réseau atomique d’un matériau lors du repositionnement des électrons au cours d’un processus ultrarapide. Ces observations ont été rendues possibles grâce à la mise au point, par une équipe de McGill, d’instruments pouvant être utilisés notamment par des scientifiques de diverses disciplines pour observer les transformations de courte durée, mais essentielles, qui se produisent au cours des réactions chimiques, ou par des biologistes pour comprendre la fonction des protéines à l’échelle de l’atome. Cette instrumentation ultrarapide combine de façon novatrice des outils et des techniques de la microscopie électronique et ceux de la spectroscopie laser.

« Nous avons conçu des instruments et des méthodes qui nous permettent véritablement d’observer la structure microscopique de la matière, à l’échelle de la femtoseconde (un millionième de milliardième de seconde), et qui sont essentiels pour l’étude des processus dans les domaines de la chimie, de la science des matériaux, de la physique de la matière condensée et de la biologie », affirme Bradley Siwick, titulaire de la Chaire de recherche du Canada en science des vitesses ultrarapides à l’Université McGill.

« Nous pouvons observer les déplacements du noyau et distinguer ces phénomènes du comportement des électrons », explique Bradley Siwick, également professeur agrégé aux départements de chimie et de physique. « En outre, nous pouvons déterminer l’impact de ces changements structurels sur les propriétés du matériau, ce qui est le plus important sur le plan technologique. »

En tirant parti de ces récentes avancées, le groupe de chercheurs a permis de jeter un nouvel éclairage sur un problème de longue date dans le domaine de la physique de la matière condensée. La transition du dioxyde de vanadium d’un semi-conducteur à un métal intrigue la communauté scientifique depuis la fin des années 1950. Ce matériau agit comme un semi-conducteur à basse température, mais se transforme en un métal hautement conducteur lorsque la température s’élève à 60 degrés Celsius environ – ce qui n’est pas beaucoup plus que la température ambiante. Cette propriété inhabituelle permet à ce matériau d’être utilisé dans un large éventail d’applications, allant des commutateurs optiques à grande vitesse aux revêtements intelligents thermosensibles pour fenêtres.

Cette expérience s’est déroulée dans le laboratoire du professeur Siwick, situé au sous-sol du Pavillon de chimie de l’Université McGill où, en compagnie d’une équipe d’étudiants aux cycles supérieurs, il a passé près de quatre ans à édifier soigneusement un réseau de lasers, d’amplificateurs et de lentilles sur un microscope électronique spécialement adapté et à monter le tout sur une table en acier sans vibrations.

L’équipe mcgilloise a réalisé ses travaux en collaboration avec le groupe de recherche de Mohamed Chaker, du Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’Institut national de recherche scientifique (INRS), un centre de recherche universitaire situé à l’extérieur de Montréal. Les scientifiques de l’INRS ont fourni les échantillons de VO2 de haute qualité et extrêmement minces – environ 70 nanomètres, ou 1 000 fois plus petits que la largeur d’un cheveu humain – nécessaires pour mesurer la diffraction d’électrons ultrarapide.

Les modèles de diffraction fournissent des images à l’échelle atomique de la structure des matériaux à des instants précis de la transformation. Une fois ces clichés séquentiels rassemblés, on obtient un film semblable aux anciens folioscopes.

« Nos travaux ouvrent une toute nouvelle perspective sur l’univers microscopique qui, nous l’espérons, nous permettra de répondre aux questions demeurées sans réponse dans le domaine de la physique des matériaux et des particules, mais également de découvrir autant d’aspects encore méconnus. Lorsque vous regardez les choses avec un nouveau regard, vous pouvez voir les choses différemment », affirme le professeur Siwick.

Ces travaux ont été financés par la Fondation canadienne pour l’innovation, le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, le Programme des chaires de recherche du Canada, et le Fonds de recherche du Québec ‒ Nature et technologies.

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A photoinduced metal-like phase of monoclinic VO2 revealed by ultrafast electron diffraction, par Vance R. Morrison, Robert P. Chatelain, et coll., Science, le 24 octobre 2014.
DOI : 10.1126/science.1253779
http://www.sciencemag.org/content/346/6208/445.full

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IMAGE: Prof. Siwick tweaking up the laser in his McGill University lab. CREDIT: Allen McInnis for McGill University

 

 

 

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