Une nouvelle méthode améliore la microscopie à rayons X pour détecter de minuscules défauts

Les microscopes à rayons X sont essentiels pour examiner les composants et les matériaux, car ils peuvent être utilisés pour détecter les changements et les détails du matériau. Mais jusqu’à présent, il était difficile de détecter de petites fissures ou de minuscules inclusions dans les images.

Une nouvelle méthode, développée par des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Hereon, leur permet de visualiser de tels changements dans le régime nanométrique. La recherche sur les matériaux et l’assurance qualité bénéficieront en particulier de cette évolution.

La qualité est importante en science des matériaux. Lorsque des pièces métalliques sont soudées ensemble, vous devez savoir si le cordon de soudure est bon ou si de petites fissures ou pores se sont formés à l'intérieur, ce qui pourrait entraîner une défaillance. Les matériaux hautes performances, par exemple pour les électrodes des batteries de voitures électriques ou des piles à combustible, ne doivent pas contenir de défauts et doivent permettre au courant de circuler sans perturbation.

Afin de mieux comprendre les effets des modifications des matériaux et de détecter d’éventuels défauts, les rayons X sont déjà utilisés depuis longtemps pour visualiser les défauts des matériaux. Dans les images radiologiques conventionnelles, les structures sont rendues visibles grâce à l’atténuation des rayons X. Cependant, cela n’est souvent pas suffisant pour détecter des structures très petites ou de faible densité.

Combiner imagerie et diffusion

Les chercheurs Sami Wirtensohn et le Dr Silja Flenner du groupe du Dr Imke Greving ont réussi à rendre visibles de si petites structures dans la gamme nanométrique grâce à une nouvelle méthode. Contrairement à une image radiographique classique, elles n'utilisent pas la lumière atténuée elle-même, mais plutôt la lumière diffusée par l'objet radiographié, qui est déviée dans différentes directions.

“Des structures de taille nanométrique, telles que de minuscules fissures, diffusent la lumière et cette diffusion est visible”, explique Wirtensohn, premier auteur de l'étude publiée dans Optique. Cela rend visibles des détails et des structures qui sont normalement difficiles, voire impossibles à voir.

“La méthode peut même rendre visibles des structures dont la résolution est inférieure à la résolution du microscope à rayons X”, explique Flenner, à l'origine du projet.

Le défi de cette nouvelle approche était que les chercheurs devaient supprimer dans une certaine mesure la lumière atténuée de l’objet afin que l’image diffusée devienne visible. En microscopie à rayons X, ils utilisent donc des optiques qui redirigent la lumière des rayons X afin que les rayons suivent un motif connu.

Ces faisceaux de rayons X peuvent ensuite être bloqués en installant des ouvertures. La lumière diffusée, quant à elle, change de direction lorsqu’elle pénètre dans l’échantillon et peut passer par les ouvertures. Il en résulte ce que l'on appelle l'image en champ sombre, pour la première fois avec une résolution nanométrique.

“Cela nous donne une image dans laquelle les nanostructures sont très clairement visibles en raison de la diffusion”, explique Wirtensohn.

Petit effort, grand impact

Pour la recherche sur les matériaux, c’est un gain avec peu d’effort. “Pour la première fois, une méthode pratique d'imagerie en fond noir est disponible et peut être facilement mise en œuvre dans un microscope à rayons X”, explique Greving, qui dirige l'équipe de microscopie à rayons X de la ligne de lumière d'imagerie Hereon P05 du Deutsches Synchroniseur électronique (DESY).

De tels microscopes à rayons X sont exploités dans de grandes installations synchrotron, appelées accélérateurs de particules, dont il n'existe que quelques dizaines dans le monde. Ceux-ci pourraient facilement être équipés d’une ouverture pour permettre la microscopie en fond noir.

Cela en vaudrait la peine, car les entreprises ou les chercheurs en matériaux seraient en mesure de rechercher bien mieux à l'avenir les minuscules défauts et défauts des matériaux.