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I.1 Les échelles du monde infiniment petit

Grâce à notre expérience corporelle quotidienne nous avons appris à connaître le monde qui nous entoure. Dans cette exploration de notre espace sensoriel, la vision joue un rôle prépondérant dans la mesure où, grâce à la stéréoscopie du système oculaire, elle permet de nous situer dans son intégration à trois dimensions. Nous savons aussi que le détecteur constitué par les cellules de notre rétine permet de discerner les couleurs à l'intérieur d'un spectre s'étendant du bleu violet au rouge profond.

Si riche soit elle, cette perception visuelle n'offre qu'un champ limité d'exploration et depuis fort longtemps l'homme s'est ingénié à réaliser des outils permettant de dépasser ces limites. C'est à cette démarche que participent tous les développements de l'optique. Aux insuffisances de l'oeil pour détecter des détails de plus en plus fins, le premier remède fut la loupe, cet instrument taillé ingénieusement dans un matériau transparent et capable de délivrer d'un objet une image agrandie. C'est le point de départ de la microscopie, qui, comme l'indique son étymologie (du grec mikros, petit, et skopein, examiner), permet l'examen d'objets ou de détails invisibles à l'oeil nu. Dans cette exploration du monde de plus en plus petit, le microscope électronique constitue l'un des outils les plus perfectionnés.

Dans cette brève introduction, un certain nombre d'éléments-clés sont d'ores et déjà identifiables et vont constituer la trame de notre réflexion tout au long de cet ouvrage. Le microscope électronique est un instrument, donc un intermédiaire entre l'homme et la matière. Un instrument délivre des informations, et dans le cas présent nous parlerons d'images, dont il est nécessaire de comprendre la relation profonde avec l'objet étudié. Comme dans le processus de la vision directe par l'oeil, l'information acquise doit être interprétée. Si dans le premier cas le cerveau remplit naturellement cette fonction et nous procure la vision de l'objet en termes de contour, forme, dimension et couleur, la démarche équivalente, lorsqu'un instrument d'optique intervient dans cette chaîne de perception, requiert une compréhension de toutes les étapes conduisant à l'acquisition de ces images. Il s'agit d'interpréter une image, un contraste, une distribution de couleurs et cette étape fait nécessairement appel à un support théorique. Enfin, dans ce monde à l'intérieur duquel nous sommes naturellement aveugles, comment est-il possible de se repérer, en un mot quelles sont les dimensions accessibles, comment les mesurer, comment vérifier que l'image obtenue est une représentation significative ? C'est pourquoi, en utilisant toutes les données fournies par les instruments les plus divers imaginés et réalisés au cours de ces dernières années, il nous paraît indispensable de rappeler en premier lieu, les échelles de dimensions pour les différents constituants de la matière.

L'unité de longueur du système métrique est le mètre (m). Pour pénétrer dans le domaine des petites dimensions, nous allons procéder par bonds d'un facteur mille. La première étape est le millimètre (mm ou 10-3m), grandeur que nous savons encore apprécier directement comme la dimension de la petite division d'une règle graduée. L'étape suivante est le micromètre (µm ou 10-6m), mille fois plus petit que le millimètre et qu'il devient impossible d'appréhender sans l'aide d'un microscope ordinaire. Franchissons encore une étape, nous atteignons le domaine du nanomètre (nm ou 10-9 m soit un milliardième de mètre). Le microscope électronique va nous donner les clés pour l'explorer. Les dimensions inférieures s'appellent pour mémoire le picomètre (pm ou 10-12m) et le femtomètre (fm ou 10-15m). Sur la figure I.1 sont reportées vis-à-vis de l'échelle ainsi définie les dimensions typiques d'un certain nombre d'objets ou de structures identifiables.

 

Figure I.1

Accordons une place toute particulière à l'atome dont la dimension caractéristique est de l'ordre du dixième de nanomètre sur l'échelle ci-dessus, grandeur pour laquelle a été introduite une unité de longueur spéciale: l'angström (Å). Nous savons que toute matière relevant du règne animal, végétal ou minéral, est constituée d'arrangements plus ou moins organisés d'atomes ou de familles d'atomes (les molécules). Cette notion d'atome est centrale dans les représentations de l'univers et dans les modèles de compréhension de la matière mais il faut bien reconnaître que jusqu'à une période récente, elle relevait d'une visualisation théorique plus que réelle. A la question "Pouvez-vous me montrer un atome ou une famille d'atomes ordonnés?", ce ne sont que les progrès récents de l'instrumentation scientifique et en particulier de la microscopie électronique, qui ont pu apporter des réponses positives.

Pour information, poursuivons notre description sommaire des constituants de l'atome à l'échelle subatomique. Dès le début du siècle, l'atome était décrit, par Rutherford par exemple, comme un système solaire de taille infiniment petite avec des particules de charge négative, les Z électrons de l'atome, gravitant autour d'une particule de charge positive, le noyau. Peu à peu le modèle s'est affiné; le choix des trajectoires offertes aux électrons ne se fait pas au hasard, ils occupent des familles d'orbitales bien définies auxquelles correspondent des énergies elles aussi bien définies. La figure I.2 fournit une représentation "naïve" de l'atome, telle qu'on peut la déduire d'une description en termes de mécanique quantique. L'électron n'y est plus une particule ponctuelle située à un instant donné en une position bien définie sur sa trajectoire avec une vitesse donnée. Il faut au contraire considérer l'atome comme une succession de pelures d'oignon autour du noyau, constituées de nuages électroniques associés à leur probabilité de présence  dans ces domaines de l'espace. Ces couches ou orbitales correspondent à des états quantiques dont les niveaux d'énergie sont bien déterminés, résultant des lois de la mécanique quantique et de l'équilibre des forces électromagnétiques. Cette connaissance de la structure interne des atomes nous sera très utile dans un chapitre ultérieur quand nous décrirons les techniques élaborées pour identifier la nature des atomes constitutifs de l'échantillon examiné en microscopie électronique.

 

Figure I.2

L'atome n'est cependant pas cet être insécable que pourrait laisser supposer son appellation. Les méthodes de la physique atomique ont montré qu'il est possible de "jouer" avec les électrons d'un atome, de les exciter en les faisant passer d'une couche à une autre, de les arracher même à leur atome, laissant derrière eux des ions positifs, c'est à dire des atomes ayant perdu une ou plusieurs charges électriques. Et il est bien heureux qu'il soit ainsi possible, sous certaines conditions, d'extraire de la matière constituée d'un assemblage d'atomes, quelques électrons. Car c'est le principe même de la microscopie électronique que d'utiliser ces électrons comme des particules libres que l'on accélère et qu'on envoie sur une cible tels des projectiles pour en étudier la structure.

Pour être complet dans cette introduction à la constitution de la matière, rappelons enfin, bien que cet aspect soit sans influence directe avec le thème du présent ouvrage, que le jeu des "poupées russes" s'emboîtant les unes dans les autres n'est pas terminé à ce niveau. Le noyau est lui-même une structure complexe composée de nucléons (les neutrons sans charge électrique et les protons de charge positive égale en valeur absolue à celle de l'électron). Les protons eux-mêmes sont composés de quarks, au nombre de six, et on se demande maintenant si ces quarks ne sont pas des architectures complexes faites de pré-quarks. Nous sommes là dans un tout autre domaine, celui de la physique des très hautes énergies qui utilise des appareillages gigantesques pour comprendre les rouages les plus subtils de la composition de notre univers. Pour se convaincre qu'il reste encore beaucoup à apprendre, ne serait-ce que sur les dimensions de ces différents composants, la taille des noyaux et des nucléons est bien connue, respectivement autour de la dizaine de femtomètres et du femtomètre, mais personne à ce jour n'est capable de donner un ordre de grandeur pour la taille de l'électron. Et pour les quarks les conjectures tournent autour de 10-30 m.

Restons raisonnables et revenons au niveau de l'angström et au-dessus, domaine où l'arrangement des atomes en solides divers régit les propriétés diverses de la matière, domaine qui va aussi constituer le champ d'investigations particulièrement adapté aux performances des microscopes électroniques modernes.