En 1895, le Français Louis Lumière présentait au public La Sortie de l’usine Lumière à Lyon, 45 secondes d’images tournées au cinématographe et comptant parmi les toutes premières de l’histoire du cinéma. 125 ans plus tard, ce sont là encore quelques secondes d’images en noir et blanc qui viennent marquer, cette fois, le petit monde de la physique. Des chercheurs de l’Université d’Ulm, en Allemagne, et de l’Université de Nottingham, au Royaume-Uni, sont parvenus à filmer pour la toute première fois les instants précis où deux atomes se lient et se séparent. Une scène palpitante survenue dans l’infiniment petit, à une échelle un demi-million de fois inférieure à l’épaisseur d’un cheveu humain. Chaque atome présent dans l'expérience mesurait en effet entre 0,1 et 0,3 nanomètre. C’est précisément pour cette raison qu’il n’existait jusqu’à présent aucune image filmée de ce processus chimique sur lequel repose la réalité même de la matière.

Des électrons comme "pellicule"...

Pour parvenir à saisir sur le vif cette gracieuse danse atomique, qui a fait l’objet le 17 janvier 2020 d’une publication dans la revue Science Advances, l’équipe menée par le physicien Ute Kaiser, du Central Facility for Materials Science Electron Microscopy, a utilisé la microscopie électronique en transmission (MET). Cette technique de visualisation repose sur l’utilisation d’un microscope qui, au lieu d’exploiter la lumière comme le fait un microscope "classique", utilise un faisceau d’électrons. L’échantillon que l’on souhaite observer – ici, des molécules de dirhénium (Re 2 ) – est placé directement sous le faisceau d’électrons, concentré sur lui grâce à des lentilles, dans lequel il "imprimera" son empreinte comme sur une plaque photographique. La MET permet ainsi d’agrandir l’image d'échantillons à des résolutions atomiques.

... et un nanotube de carbone comme "metteur en scène"

"Nous avons piégé une paire d'atomes (Re) de rhénium qui, liés ensemble, forment une molécule de dirhénium (Re2). Parce que le rhénium a un numéro atomique élevé, il est plus facile à observer avec la MET que des éléments légers, chaque atome métallique pouvant être identifié comme un point sombre", a détaillé dans un communiqué Andrei Khlobystov, professeur à l’École de Chimie de l’Université de Nottingham et l’un des auteurs de l’étude. Dans cette dernière, les chercheurs expliquent avoir mélangé les atomes de rhénium à l’aide d’un nanotube de carbone, autrement dit un minuscule tube à essai "aidant à capter les atomes ou les molécules et à les positionner exactement à l’endroit voulu". Ils rapportent également avoir découvert que le faisceau d’électrons lui-même agissait comme une source d’énergie sur les atomes, les poussant à évoluer.

"Nous repoussons maintenant les frontières de l'imagerie moléculaire au-delà de la simple analyse structurale, et allons vers une meilleure compréhension de la dynamique des molécules individuelles en temps réel." Cette avancée laisse ainsi espérer aux chercheurs qu’ils pourront enregistrer dans un futur proche d’autres types d’interactions à l’échelle atomique. Une perspective d'autant plus enthousiasmante qu’à ce jour, les liaisons métalliques comptent parmi "les liaisons chimiques les plus importantes et les moins bien comprises", selon les physiciens.