Microscopie électronique en 3D et en phase liquide pour la science des matériaux et la biologie – Liquid3DSTEM

Le projet comporte tout d’abord la mise au point d’un modèle théorique pour prédire la résolution spatiale en fonction des paramètres expérimentaux, ainsi que d’une méthode de reconstruction des volumes adaptés aux séries d’images acquises rapidement et à faible dose (WP1). Un deuxième programme de travail (WP2) est focalisé sur les développements expérimentaux, en microscopie à balayage environnementale (ESEM) et en microscopie en transmission environnementale (ETEM). Enfin, deux études seront menées en parallèle en STEM 3D liquide pour démontrer et promouvoir ses capacités uniques : l’une en science des matériaux sur des suspensions de latex et de tensioactifs (WP3), et l’autre en biophysique pour étudier le devenir de nanoparticules absorbées par les cellules biologiques (WP4).

La première moitié du projet a été consacrée d'une part au développement d'un modèle théorique permettant de calculer la résolution spatiale en fonction des paramètres expérimentaux utilisés lors des expériences (WP1). D'autre part, un gros développement expérimental a été fourni pour permettre le réglage et l'acquisition automatique de séries d'images en ESEM, via un code en Python (WP2). En parallèle, le code Python est en cours d'adaptation pour l'acquisition de séries d'images en ETEM (WP2). Une amélioration de la platine ESEM a en outre été réalisée pour parfaire l'alignement du détecteur, ce qui n'avait pas été prévu initialement. Le système ESEM est maintenant opérationnel. Différents échantillons issus de la science des matériaux et de la biologie ont été collectés et commencent à être étudiés avec les différents systèmes à disposition (ESEM, ETEM, cellule liquide) (WP3 et WP4).

Le principal fait marquant à ce stade réside dans la mise au point du code Python. Ce code permet de piloter à la fois le microscope et le support échantillon fait maison. Grâce à l’automatisation, il est possible de quantifier la dose électronique reçue par l’échantillon. En outre, le temps d’acquisition est considérablement réduit (à environ 3 minutes pour une centaine d’images au lieu d’environ 1h pour une douzaine d’images), ce qui réduit également la dose reçue et doit permettre d’étudier en 3D des échantillons sensibles.
Dans la deuxième partie du projet, l'étude de matériaux de différentes natures permettra d'affiner et valider la méthode, ainsi que d'établir une comparaison objective des différentes techniques de STEM 3D liquide. Les résultats ainsi obtenus permettront de valoriser la technique au travers de publications et participation à des congrès scientifiques.
Les développements expérimentaux effectués au sein du projet ont déjà permis de répondre à des besoins exprimés par des laboratoires et entreprises extérieures (demandes d'expériences via le réseau national METSA), que ce soit pour l'étude d'échantillons liquides ou pour des études 3D sur échantillons secs.

- 1 article mono-partenaire soumis en 2022
- 1 participation à une conférence internationale avec publication du résumé dans un numéro spécial de revue (CISCEM, Paris, 2021)
- 2 participations dans des conférences internationales avec actes (MC2021 en ligne, 16MCM en république tchèque en septembre 2022)
- 3 participations dans des colloques nationaux

La microscopie électronique est traditionnellement associée à l'étude de solides minces sous vide. Durant la dernière décennie, quelques groupes pionniers ont mis au point des systèmes permettant d'atteindre une résolution nanométrique sur des échantillons liquides. Le large domaine d'application de la microscopie électronique en phase liquide (LPEM) a suscité dès lors une vague d'intérêt. En effet, la technique offre des perspectives originales pour la résolution de grands défis en science des matériaux, chimie, biologie et autres domaines. Elle ouvre également la voie à des études operando. Quel que soit le champ d'application, une représentation tridimensionnelle (3D) de l'échantillon dans le liquide est souvent requise pour la compréhension de sa structure. La technique de référence utilisée actuellement pour obtenir la structure 3D à l'échelle nanométrique d'objets uniques en biologie et en science des matériaux consiste à acquérir des séries d'images tiltées en microscopie électronique en transmission. En particulier, le mode balayage en transmission (STEM) est bien adapté à l'étude d'échantillons épais comme les liquides. Le projet bénéficie de la synergie entre deux centres leaders en microscopie électronique in situ : l'INSA de Lyon, pour la science des matériaux, et l'INM à Saarbrücken (Allemagne), en biophysique. La technique de tomographie électronique en phase liquide (Liquid 3D STEM) sera développée conjointement grâce à une mise en commun des expertises complémentaires des deux groupes. Chaque groupe utilisera la technique Liquid 3D STEM pour étudier un système sur lequel il a plusieurs années d'expérience. En combinant les efforts et l'expertise, nous devrions être capables de surmonter les principales difficultés expérimentales (sensibilité au faisceau d'électron, faible contraste, forte épaisseur).