La microscopie en force photo-induite a commencé comme un concept dans l'esprit de Kumar Wickramasinghe lorsqu'il a été employé par IBM dans les premières années du nouveau millénaire. Après son arrivée à l'Université de Californie, Irvine en 2006, le concept est devenu une invention qui révolutionnerait la recherche en permettant aux scientifiques d'étudier les caractéristiques fondamentales de la matière à l'échelle nanométrique.
Depuis les premières utilisations expérimentales du PIFM vers 2010, le dispositif, qui révèle la composition chimique et l'organisation spatiale des matériaux au niveau moléculaire, est devenue un outil de choix pour les chercheurs dans des domaines aussi divers que la biologie, la géologie, la science des matériaux et même la fabrication d'électronique avancée.
« Ceci est l'histoire d'une technologie inspirée par le travail chez IBM, a été inventée et développée à UC Irvine, puis s'est détachée, et maintenant nous avons des instruments sur tous les continents à travers le monde sauf pour l'Antarctique, » Dit Wickramasinghe, Henry Samueli doté de chaise et professeur émérite émérite de génie électrique et d'informatique qui détient maintenant le titre de professeur de recherche distingué UC Irvine. « Presque partout où des recherches sérieuses se produisent, il y a des gens qui utilisent PIFM pour découvrir de nouvelles choses. »
Commémorer l'invention du PIFM et sa prolifération dans la communauté scientifique, Nature Reviews Methods Primers a récemment publié un article décrivant les capacités et les applications de la technologie, avec Wickramasinghe et une équipe internationale de collègues en tant que co-auteurs.
Wickramasinghe dit que le travail initial sur PIFM à UC Irvine a été rendu possible grâce au soutien qu'il a reçu de la Fondation Samueli et à un financement sans restriction de la Fondation WM Keck.
« C'est vraiment utile parce que lorsque vous avez des idées folles comme celle-ci, il est très difficile d'obtenir la National Science Foundation ou une autre agence pour le soutenir, car ils veulent voir les résultats avant de vous donner de l'argent, » dit-il.
Finalement, cependant, le centre de chimie financé par la NSF maintenant décontiné à la limite de l'espace-temps à UC Irvine a fourni un soutien. Ses chercheurs ont partagé la vision selon laquelle en combinant l'optique non linéaire avec la microscopie à sondage scan, il devrait être possible de visualiser les molécules en action, dans les détails atomistiques.
« La microscopie à la force atomique, que le professeur Wickramasinghe avait été lancée, était au cœur des recherches que nous avons poursuivies à Castl, » Dit V. Ara Apkarian, directeur du centre. « En apprenant le travail PIFM que Kumar effectuait à travers le campus, nous l'avons immédiatement invité à rejoindre le centre et avons lancé des efforts de collaboration qui dureraient jusqu'au coucher du centre du centre en 2019. C'était un sérendipité, mais nous avons eu la chance d'avoir une promesse du milieu de notre objectif. »
Apkarian, UC Irvine, professeur émérite de chimie, dit que les premières images PIFM résolues à l'espace-temps à l'échelle nanométrique-picoseconde sont le résultat d'un effort multi-investigateur qui est apparu sur papier en 2015.
Des notes de conférence à un instrument utilisable
Wickramasinghe dit que l'inspiration de la technologie de microscopie à force photo-induite est originaire de notes qu'il a préparées pour une conférence sur la physique des semi-conducteurs. Il dit que les jonctions métal-semi-conductrices trouvées dans pratiquement toutes les puces ont le potentiel de devenir des diodes comme celles utilisées dans les cellules solaires.
Selon Wickramasinghe, lorsqu'une tension négative est appliquée sur le côté métallique d'une jonction semi-conductrice-métal de type N, presque aucun flux de courant, car les électrons doivent surmonter une grande barrière potentielle pour se rendre au semi-conducteur. Le courant est très petit par rapport aux électrons se déplaçant dans la direction opposée.
« Lorsque la même tension négative est appliquée sur le côté semi-conducteur, les électrons «voient» une barrière beaucoup plus petite à la jonction, ce qui entraîne des ordres de grandeur des courants, » dit-il. « Dans ce dernier cas, il y a un effet supplémentaire qui augmente encore le courant. Alors qu'un électron s'approche de la jonction semi-conducteur-métal, il « voit '' son image de charge positive du côté métal, et la force d'attraction entre l'électron négatif et son image de charge positive réduit encore la barrière pour que l'électron passe – un effet facilement détecté dans le courant. »
Wickramasinghe dit qu'il pensait que comme cette traversée de barrière d'électrons est facilement perceptible, il pourrait être en mesure d'observer et de mesurer directement les forces électromagnétiques impliquées dans l'interaction entre une molécule motivée et son image miroir, qu'il appelle l'interaction « Force d'image. »
« Une molécule qui est entraînée à l'extérieur avec la lumière ne serait pas seulement une charge mais un dipôle – un moins oscillant moins et plus paire de charges, » dit-il. « Il y aurait une image miroir de l'autre côté de la jonction, une charge plus / moins, alors que la molécule s'approche d'une surface métallique, résultant en une force d'attraction. Nous nous sommes mis à essayer de détecter cette force, et notre succès a conduit à la création de cet instrument. »
Comment fonctionne la microscopie à force photo-induite
Selon Wickramasinghe, il existe plusieurs méthodes qui combinent l'optique et la microscopie à sondage à balayage, classées comme « Microscopie optique à balayage proche. » Ces techniques utilisent une pointe ou un stylet tranchant pour concentrer la lumière à la jonction de lui-même et un substrat sous interrogatoire et un détecteur pour mesurer l'intensité de la lumière diffusée. Le contraste d'image est obtenu parce que la matière est colorée – les molécules différente répondent de manière unique à des couleurs de lumière variables.
Distinct de toutes les autres méthodes, PIFM détecte les photons diffusés à la jonction par la force électromagnétique qu'elles exercent à la pointe. En utilisant des schémas de modulation intelligents, l'élan des photons individuels est détectable, dit Wickramasinghe.
Laura Otter, chercheur de chercheur en sciences de la Terre à l'Université nationale australienne, dit qu'elle utilise PIFM dans son rôle de scientifique spécialisée dans la biominéralisation, le processus par lequel les organismes vivants forment des minéraux. Otter dit qu'elle est intéressée à enquêter – à l'échelle microscopique et à l'échelle nanométrique – les coquilles de mollusques, les otolithes (os de vertébrés) et les coraux se développent et répondent aux environnements changeants.
« PIFM me permet de zoomer profondément dans mes échantillons et de cartographier où les molécules organiques et les minéraux se rencontrent à l'échelle nanométrique, ce qui est non possible avec d'autres techniques. En utilisant PIFM, j'ai pu visualiser comment la composante minérale de la nacre se transforme d'un état amorphe à un état cristallin et comment la phase amorphe initiale intègre des quantités plus élevées d'éléments trace que nous ne le préoccupons, » Otter dit. « Cette constatation a des implications importantes pour reconstruire les conditions environnementales passées à partir de matériaux de coquille. »
En plus du PIFM utilisé par des scientifiques du monde entier, il existe plusieurs de ces appareils sur le campus UC Irvine, notamment en biologie, science des matériaux et laboratoires de chimie.
Wickramasinghe dit que les capacités du PIFM vont au-delà des sciences fondamentales dans le domaine de l'électronique avancée et d'autres technologies.
« Parce qu'il a une capacité de spectroscopie à l'échelle nanométrique, PIFM se prête à de nombreuses applications industrielles. Par exemple, vous pouvez l'utiliser pour cartographier et étudier la chimie des circuits imprimés lithographiquement les plus avancés avant d'être produits à l'échelle de masse, vous permettant de vérifier si votre processus est sur la bonne voie, » dit-il. « Si vous utilisez un iPhone Apple, par exemple, il y a de fortes chances que l'objectif de son appareil photo soit numérisé à un moment donné en utilisant l'instrument que nous avons créé ici à UC Irvine. »
Wickramasinghe note, « Avant que la microscopie à force photo-induite ne soit développée, il y avait certainement un écart dans la science, une incapacité à mener une spectroscopie infrarouge à l'échelle nanométrique. C'était un trou que j'ai essayé de combler pendant de nombreuses années. Ce fut un processus lent, mais il est gratifiant de voir comment PIFM s'est fait et aide maintenant dans la recherche scientifique presque partout. »
