Archives mensuelles : avril 2010

Le MEB : Microscope Electronique à Balayage

Vous avez sans doute déjà vu de jolies images noir et blanc en trois dimensions prises à l’aide d’un Microscope Electronique à Balayage mais comment fonctionne cet instrument ?

  oeil mouche

Un œil de mouche grossis 100, 1000 et 10 000 fois à l’aide d’un MEB (cliquer pour
agrandir) Images du Service commun de microscopie électronique de l’Institut Carnot de Bourgogne

Le microscope Electronique à Balayage (MEB en français ou SEM en anglais pour Scanning Electron Microscope) est un instrument scientifique permettant de réaliser des images de la surface d’objets en 3 dimensions avec une très haute résolution de l’ordre du nanomètre (milliardième de mètre). La résolution d’un instrument de grossissement est définit par la taille minimale détectable par l’œil humain sur l’image produite par cet instrument. Ceci signifie qu’une image produite par un MEB permet de différencier distinctement 2 points séparés de moins d’un nanomètre.

 Depuis la fin des années 60, le MEB est un instrument commercialisé pour les instituts de recherche dans le monde qui ont besoin de « voir » à l’échelle nanométrique. Aujourd’hui, un MEB coûte entre 150 000 euros et presque un million d’euros pour les modèles ultra perfectionnés avec les logiciels appropriés.

 Les microscopes optiques

Les microscopes « classiques », c’est-à-dire « optiques », utilisent des lentilles pour focaliser la lumière traversant un échantillon placé sur une lamelle de verre de manière à grossir l’image de l’objet. Ces microscopes ne peuvent donc observer que des échantillons « plats » et la résolution maximale de ces microscopes est de l’ordre de 200 nanomètres. Ceci signifie qu’il est impossible avec un microscope optique de discerner des détails inférieurs à 200 nanomètres. Cette limite physique s’explique par le fait que la lumière visible possède une certaine longueur d’onde (entre 400 et 700 nanomètres) et qu’il est impossible d’observer des détails ayant une taille inférieure à environ la moitié de cette longueur d’onde (voir la nature électromagnétique de la lumière pour plus de détails sur la lumière).
microscope optique
Un microscope optique et une cellule humaine vue à l’aide de ce microscope

 Fonctionnement du MEB

 Le MEB n’utilise plus la lumière comme vecteur pour « voir » mais un faisceau
d’électrons
comme son nom le laisse suggérer car la longueur d’onde des faisceaux d’électron est beaucoup plus petite que celle des photons. De plus, le rayon d’un faisceau d’électron peut avoisiner le nanomètre. Les MEB ont une résolution qui se situe entre 0,4 et 20 nanomètres (soit 500 fois plus que le meilleur microscope optique réalisable).

 MEB hitachi

Un MEB  commercialisé par Hitachi

 Le principe général est en somme assez simple: l’échantillon à observer est balayé par un faisceau électronique et on vient détecter les électrons secondaires de très faible énergie qui sont produits suite au bombardement de l’échantillon. Ces
électrons secondaires sont amplifiés, détectés puis interprétés pour reconstruire une image en fonction de l’intensité du courant électrique produit. Le MEB réalise donc une topographie de l’échantillon à analyser, c’est pourquoi le MEB fournit des images en noir et blanc où chaque nuance de gris est le résultat de l’intensité du courant détecté.

 Un MEB est constitué des éléments suivants :

  • Un canon à électron qui envoie un faisceau d’électrons (source d’électrons
    primaire).
  • Une lentille magnétique qui focalise les électrons comme peut le faire une lentille optique avec la lumière de manière à obtenir un faisceau très fin et focalisé.
  • Des bobines de balayage permettant balayer la surface de l’échantillon à observer avec le faisceau d’électrons. Ces bobines sont positionnées perpendiculairement de manière à faire parcourir des lignes au faisceau de la même manière que dans une télévision.
  • Une pompe à vide permettant de faire le vide dans l’enceinte où se trouve l’échantillon. En effet, pour obtenir une mesure précise, il est important de faire le vide dans l’enceinte (environ 10-3 Pascal).
  • Un détecteur permettant de détecter les électrons secondaires. Un détecteur d’Everhart-Thornley est généralement utilisé. Les électrons secondaires sont « captés » grâce à un champ électrique positif d’environ 500 Volts de manière à diriger les électrons vers un scintillateur convertissant ces derniers en photons. Les photons ainsi produits sont envoyés vers un photomultiplicateur via une fibre optique pour retransformer les photons en un nombre important d’électrons qui sera mesurable par un dispositif électronique classique. Ce type de détecteur est utilisé pour faire de l’imagerie en électron secondaire mais il existe d’autres techniques d’imagerie comme l’imagerie en diffraction d’électrons rétrodiffusés (EBSD) ou l’imagerie en courant d’échantillon (EBIC).

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Tête d’une fourmi (cliquer pour agrandir) image de l’Ecole Catholique d’Arts et Métiers de Lyon

Pour plus de détails sur les différents modes de fonctionnement des MEB, je vous suggère la lecture de ce cours de microscopie électronique donné par M. Perrin : http://www.cmeba.univ-rennes1.fr/Principe_MEB.html

 Les applications

La Microélectronique et les nanotechnologies utilisent massivement le MEB comme
outil d’observation. En revanche, pour l’observation et la manipulation d’atome individuellement, c’est un microscope à effet tunnel qui est utilisé dans les nanotechnologies. Les Sciences des matériaux ont recours au MEB pour étudier les micro-structures de matériaux ainsi que leur surface de manière à mieux comprendre certaines propriétés physiques et mécaniques.

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Grains de pollen de quelques plantes communes grossis 500 fois (cliquer pour agrandir) Image du collège de Darthmouth

 La Biologie utilise également des MEB en plus des microscopes optiques traditionnels qui sont utilisés pour observer les cellules. Le MEB permet d’obtenir des images de micro-organismes comme des bactéries ou des virus. Il est également utilisé pour observer des détails de plantes ou d’insectes.

La question du jour : que représente l’image suivante prise au MEB (la réponse est désormais dans les commentaires):

MEB img dart

Les 100 mots du nucléaire

Voici un livre de la collection « Que sais-je ? » que je vous conseille vivement si le
mot nucléaire vous intrigue ou vous fait peur.

100mots nucleaire

Ce livre n’est ni un éloge ni une attaque du « nucléaire », il essaye simplement de définir aussi précisément que possible ce qui se cache dernière ce mot pouvant faire peur. Le but des auteurs est d’expliquer le plus scientifiquement possible les diverses utilisations de l’énergie nucléaire. Cependant, il est évident que les auteurs sont des pro-nucléaires, Anne Lauvergeon est présidente du directoire d’AREVA et Bertrand Barré est conseiller scientifique d’AREVA et président de l’Académie Internationale d’Energie Nucléaire.

Tous les mots en gras dans la suite du texte font partis des « 100 mots » revendiqués par le titre du livre.

Les bases de l’énergie nucléaire

 Les quatre premiers chapitres sont très bien écrits dans un style simple permettant à n’importe qui de mieux s’approprier le mot « nucléaire ». La matière est d’abord disséquée de manière à définir les bases (atome, molécule, noyau, électron, neutron, proton) pour ensuite expliquer de manière pédagogique ce qu’est cette chose étrange qui porte le nom d’énergie. On arrive alors à la description de la radioactivité et de ses différentes formes (alpha, beta et gamma) pour arriver finalement au principe de fission nucléaire qui est à la base du fonctionnement des centrales nucléaires.

Les centrales nucléaires

Cette deuxième grande partie nous explique le principe général de fonctionnement d’une
centrale nucléaire en détaillant chacun de ses organes et de ses constituants (turboalternateur, aéroréfrigérant, réacteur, cœur, combustible, crayon, poison, etc.).

centrale-nucleaire.jpg

Les différentes filières de réacteurs sont ensuite présentées de manière à bien comprendre l’évolution des technologies et d’évaluer les avantages et les inconvénients de tous les types de réacteurs (réacteurs à eau sous pression, à eau bouillante, à eau
lourde
, à neutrons rapides, graphite-gaz, à haute température, etc.). On comprend alors la signification des fameux réacteurs de générations I, II, III et IV.

J’avoue avoir appris beaucoup de chose dans cette partie. Les explications sont relativement claires et assez succinctes. Il est alors facile d’aller chercher quelques compléments d’informations sur internet pour mieux comprendre les différentes technologies abordées.

La sécurité et la pollution

Cette troisième partie présente tout d’abord les aspects de sureté nucléaire et revient sur les différents incidents du passé (comme Three Miles Island ou Tchernobyl) en les analysant et en expliquant pourquoi de tels incidents ne peuvent pas se reproduire dans l’avenir.

nucleaire-tue-avenir.gif

Le thème des déchets radioactifs arrive ensuite où le cycle du combustible est décrit, depuis la prospection jusqu’au stockage en passant par les techniques d’enrichissement et de recyclage. Cette partie est bien expliquée et on comprend bien ce que sont les déchets radioactifs et leur degré de nocivité mais j’aurai aimé trouver plus de détails dans les chiffres qui sont présentés.

Prolifération, Fusion et opinion publique

La dernière partie de cet ouvrage aborde le thème de la non-prolifération du nucléaire à travers le monde et explique les tenants et les aboutissants du traité de non-prolifération.

La fusion nucléaire contrôlée portée par le projet ITER est ensuite succinctement présentée pour donner une idée de cette technologie (qui n’est plus basée sur la fission) qui serait très prometteuse à long terme mais qui est toujours hypothétique.

Un dernier chapitre parle des rapports entre l’opinion publique et l’énergie nucléaire qui n’a jamais été facile et qui fait toujours l’objet d’un vif débat, particulièrement en Europe.

Pour résumer

Ce livre est d’après moi bien écrit et surtout très rapide à lire pour se faire une idée globale assez juste de la filière nucléaire en Europe. Il permet également de bien définir les différents termes en rapport avec l’énergie nucléaire de manière à utiliser les bons mots et les bons concepts dans les conversations et les écrits de chacun : Bref, à mettre en toutes les mains !