Quel est le principe de fonctionnement du microscope électronique, inventé en 1931 ?

Le microscope électronique a été inventé en 1931 par Max Knoll et Ernst Ruska pour dépasser les limites des microscopes optiques. Au lieu d’éclairer un échantillon avec de la lumière visible, il utilise un faisceau d’électrons. Comme les électrons accélérés possèdent une longueur d’onde beaucoup plus courte que celle de la lumière visible, ils permettent d’observer des structures extrêmement petites, jusqu’à l’échelle atomique dans les instruments les plus performants.

Un faisceau d’électrons remplace la lumière

Dans un microscope optique, la lumière traverse ou éclaire l’objet, puis des lentilles en verre agrandissent l’image. Dans un microscope électronique, une source produit des électrons qui sont accélérés par une différence de potentiel élevée. Leur comportement possède à la fois un aspect corpusculaire et ondulatoire : leur longueur d’onde diminue lorsque leur énergie augmente. Elle est ainsi très inférieure à celle de la lumière visible, ce qui réduit la limite imposée par la diffraction. Le faisceau est dirigé et focalisé par des lentilles électromagnétiques, qui jouent un rôle comparable à celui des lentilles en verre. Après son interaction avec l’échantillon, le faisceau fournit des informations transformées en image par un écran, une caméra ou un détecteur.

Transmission et balayage de la surface

Le fonctionnement varie selon le type de microscope électronique. Dans un microscope électronique en transmission, ou MET, le faisceau traverse une coupe très mince de l’échantillon. Les électrons sont plus ou moins transmis, déviés ou absorbés selon la matière rencontrée ; ces différences servent à former une image des structures internes. Cette technique peut atteindre une résolution de niveau atomique dans des conditions appropriées. Dans un microscope électronique à balayage, ou MEB, un faisceau fin parcourt point par point la surface de l’échantillon. Des électrons secondaires ou rétrodiffusés sont alors détectés et permettent de reconstituer une image détaillée de la topographie de la surface. L’aspect tridimensionnel souvent associé aux images de MEB résulte de la manière dont les reliefs et les signaux sont représentés, et non d’une photographie tridimensionnelle directe.

Le rôle essentiel du vide et des détecteurs

Les électrons doivent généralement circuler dans une enceinte sous vide afin de limiter les collisions avec les molécules de l’air, qui perturberaient leur trajectoire. La préparation de l’échantillon dépend ensuite de la technique utilisée : un échantillon destiné à la transmission doit être suffisamment mince, tandis qu’un échantillon observé en balayage doit pouvoir être placé dans les conditions adaptées au faisceau. La résolution finale ne dépend pas seulement de la longueur d’onde des électrons ; elle est aussi limitée par la qualité des lentilles électromagnétiques, les aberrations, la stabilité de l’appareil et la préparation de l’échantillon. Des améliorations techniques, notamment la correction des aberrations, ont permis d’obtenir des résolutions inférieures au nanomètre. Le microscope électronique est ainsi devenu un outil majeur pour étudier les cellules, les virus, les cristaux, les nanoparticules et les matériaux, sans pour autant remplacer les autres méthodes d’imagerie, qui fournissent des informations complémentaires.