Un sténopé qui voit la chimie : une carte 3D des éléments en une seule prise ✛

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Dans une pièce sombre, un rayon de soleil traverse un trou d'épingle dans du carton, et une image inversée de la rue apparaît sur le mur. La chambre sténopé n'a pas besoin de lentilles : le minuscule orifice sélectionne lui-même les rayons provenant de chaque point de la scène. Des scientifiques de l'ESRF ont appliqué ce principe non pas à la lumière visible, mais aux rayons X, et ont fait en sorte que la caméra voie non pas la forme, mais la composition chimique.

Habituellement, pour obtenir une carte tridimensionnelle des éléments, on déplace un faisceau focalisé sur l'échantillon, point par point. C'est lent, comme dessiner un portrait en piquant une aiguille dans la toile. Dans la nouvelle méthode, l'échantillon est éclairé dans son ensemble, et sa fluorescence (le rayonnement X secondaire émis par les atomes après excitation) traverse un sténopé de 200 micromètres de diamètre avant d'atteindre le détecteur HEXITEC. Ce détecteur enregistre l'énergie de chaque photon, comme l'oreille distingue les notes d'un accord. Ainsi, en une seule prise, on collecte des informations sur tous les éléments à la fois.

La géométrie de l'expérience équivaut à un faisceau conique virtuel : le sténopé agit comme le sommet du cône, et le détecteur comme sa base. Pour reconstruire la distribution tridimensionnelle des éléments, les auteurs ont d'abord calibré le système à l'aide de projections d'une sphère de calibration, puis ont affiné les paramètres en minimisant l'erreur de reconstruction. Cette approche en deux étapes ressemble à l'accordage d'un instrument de musique : d'abord approximativement avec un diapason, puis finement en écoutant les battements.

La méthode a été testée sur deux échantillons. Un embryon de poisson zèbre coloré à l'argent a montré une distribution inégale du colorant dans les tissus mous : la carte de l'argent a révélé où le colorant s'était accumulé et où il était presque absent. Une carotte géologique de granite et de serpentinite s'est distinguée par ses éléments : le baryum est localisé dans le granite, tandis que le fer est réparti dans la serpentinite. La résolution spatiale de la fluorescence est d'environ 150 micromètres, inférieure à celle du contraste de phase, mais suffisante pour une carte chimique.

La tomographie par contraste de phase, réalisée successivement dans la même géométrie, fournit un contexte structurel : on voit la forme, et par-dessus, la carte chimique. C'est comme si, sur une photographie en noir et blanc d'une ville, on superposait une carte colorée de la pollution de l'air. Auparavant, pour une telle combinaison, il fallait scanner l'échantillon deux fois avec des méthodes différentes, puis fusionner péniblement les données. Désormais, la structure et la chimie sont obtenues en une seule expérience.

La chambre sténopé faite de carton et d'épingle était autrefois un jouet. Aujourd'hui, elle est devenue un instrument qui regarde à l'intérieur de la matière sans la détruire et montre où se cachent les atomes d'argent, de fer et de baryum. La prochaine étape consiste à remplacer l'orifice unique par une aperture codée afin de collecter plus de lumière et d'améliorer la résolution. Le sténopé cessera alors d'être un trou d'épingle pour devenir une fenêtre sur la dynamique des processus chimiques.