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1 Voir dans le nanomonde

2 Spectroscopie

3 La lumière visible permettra-t-elle de «voir» les atomes? Fréquence micro onde Infrarouge Visible et UV Rayon X réaction des molécules rotation vibration des liaisons excitation des électrons extraction des électrons La lumière = onde électromagnétique dimension caractéristique : «longueur d onde» (λ). lumière visible : λ varie entre 400 nm (violet) et 800 nm (rouge).

4 Jean 1,1 Au commencement était la lumière Réplique du microscope de van Leeuwenhoek (17e siècle) Résolution d un microsocope: Formule d Abbé n : indice de réfraction (pour l air autour de 1) α : demi angle du cône de lumière (sin α = 1) On peut distinguer au mieux des objets séparés de λ/2 (200 nm) avec ce microscope. La lumière visible ne permet pas de «voir» les atomes.

5 Le microscope électronique Depuis Louis de Broglie, on sait que les électrons se comportent à la fois comme des particules et comme des ondes (c est la «dualité onde-corpuscule»). Pour «voir» les atomes : On utilise des électrons avec λ de l ordre de la dimension des atomes, soit 0,1 nm. Le microscope électronique, inventé en 1931 par Ernst Ruska et Max Knoll, permet de «voir» la matière à l échelle de l atome. Louis de Broglie Ernst Ruska

6 Croissance de nanotubes de carbone sur des particules dʼoxyde de fer. " Virus H1N1" Image haute résolution" dʼun nanoparticule de paladium (Pd)"

7 Les différents microscopes électroniques" 0,1 nm 10 nm

8

9 Le microscope à effet tunnel Microscope à effet tunnel (Scanning Tunneling Microscopy ou "STM") par Gerd Binnig et Heinrich Rohrer (IBM-Zurich) Prix Nobel de physique en Le STM est basé sur un phénomène quantique : l'effet tunnel. Microscope à effet tunnel : deux électrodes dont l'une à la forme d'une pointe et l'autre est la surface de film à étudier. Il apparaît un courant d électrons, appelé courant tunnel. Dans un STM, la pointe est déplacée au-dessus de la surface du film en maintenant le courant tunnel constant. La distance pointe-échantillon reste constante et l'enregistrement des déplacements verticaux de la pointe reproduit fidèlement la topographie de la surface.

10 Effet Tunnel Prédictions surprenante de la mécanique quantique. Imaginons une balle lancée contre un mur très haut. En mécanique classique, la balle ne peut pas traverser le mur. En mécanique quantique, il existe une probabilité non nulle qu elle traverse le mur : c est l effet tunnel.

11 Effet Tunnel : la nature est bien faite Deux conducteurs en distance d : Classique : pas de courant! Quantique : I tunnel V exp(-c d) Pour métaux: C 2Å -1 Le courant varie d un facteur 7 si la point est déplacée de 1 Å. (I tunnel / I tunnel,0 = exp(-c (d-d 0 ))=exp(- 2Å -1 x1 Å)=7) Résolution de 1 Å ou mieux Le courant passe à 90 % par la pointe.

12 La piézoélectricité (du grec piézein presser, appuyer) est la propriété que possèdent certains " corps de se polariser électriquement sous lʼaction dʼune contrainte mécanique et réciproquement " de se déformer lorsquʼon leur applique un champ électrique. " Cet effet est utilisé pour déplacer la pointe dʼune façon extrêmement précise!" Morceaux piézoélectriques

13 Au(111) surface - résolution atomique - vue hexagonale (20 x 30 Å) IBM STM picture gallery

14 Au(001) surface - Atomic resolution - coté carré!

15 Le microscope à force atomique Échantillon + ajustement Le microscope à force atomique (Atomic Force Microscope ou "AFM") La pointe, fixé sur un bras de levier flexible, appuie sur la surface avec une force constante. Lorsqu elle balaye la surface du matériau, le bras plie plus ou moins selon la hauteur de la pointe au-dessus de la surface. La déformation du levier, qui est éclairé par un laser, est mesuré par un photodecteur et analysé par un ordinateur.

16 La surface d un cristal de sel NaCl vue avec un microscope à force atomiques

17 La surface d un cristal de silicium vue avec un microscope à force atomiques surface (111) de silicium par AFM : Chaque bosse correspond à un atome de silicium. " Ces atomes superficiels se réorganisent suivant un nouveau réseau à cause des liaisons pendantes dues à la présence de la surface. "

18 Ecrire avec la pointe d un microscope Réalisé avec un microscope à effet tunnel, à -270 C. 35 atomes de Xénon sur Nickel Le Monoxide de carbone sur Platinum (111) Atomes de Fer sur Cuivre

19 The Making of the Circular Corral Media : Iron on Copper (111) Ondes des électrons

20 Le rêve d un Abbé outlaw Au début des année 90 Stefan Hell se dit: Pourquoi respecter la loi d Abbé? (résolution d un microscope optique) Il invente la microscopie STED (stimulated-emission-depletion) Mieux que la nature Comment S. Hell a réussi d améliorer la résolution d un microscope optique 1. Un rayon laser retrace la surface et excite des molécules fluoréscantes qui émettent de la lumière. 2. La résolution maximale est autour de 200 nm 3. Un deuxième rayon (d une forme d anneau) est mis sur le premier rayon. Celui empèche les molécules fluorescante d émettre de la lumière. Seulement le petit point au centre (10-50 nm) est visible. Ainsi, on peut voir des structures plus fines! échantillon Hell, Stefan W.; Wichmann, Jan (1994), "Breaking the diffraction resolution limit by stimulated emission: stimulated-emission-depletion fluorescence microscopy", Optics Letters 19 (11): , Image d une squelette d une cellule (microscopie classique) Image STED

21 Fluorescence lumière noire est une lumière composée de proche ultraviolet (autour de 400 nm) invisible pour les yeux. Cette lumière est absorbée et réémise sous forme de lumière visible par les substances fluorescentes. Fluorescence pour des nanocristaux (quantum Deux cellules du rein d un singe dots) de CdSe de taille différente.

22 Microscopie STED À l intérieur d une cellule

23 Microscopie STED (Classique) Observer le transfer entre deux cellules nerveuses

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