OSCAR, des réseaux de sondes pour la microscopie à force atomique

Le microscope à force atomique, connu sous son acronyme anglophone AFM, est utilisé pour déterminer les caractéristiques physiques d’un échantillon à partir de l’analyse topographique de sa surface. Un balayage de superficies de quelques microns, effectué grâce à une sonde, dont la pointe effilée est capable de s’adapter à toutes les aspérités rencontrées en chemin, qu’elle soit en contact direct avec la surface ou qu’elle l’affleure. C’est un principe d’attraction / répulsion entre les atomes de la pointe et ceux de la surface qui guide la sonde dans ses déplacements, analysés et reconstitués point par point pour une cartographie de l’échantillon à l’échelle de la dizaine de nanomètres.

Le projet OSCAR (Optimisation, simulation, contrôle et application de réseaux de sondes AFM) vise à améliorer cette technique en remplaçant le levier muni de sa sonde par des réseaux de leviers : la multiplication des sondes permet l’analyse d’une surface plus grande et surtout d’augmenter la vitesse d’acquisition des images. Ce développement suppose de positionner les leviers au plus proche les uns des autres, et de décupler les capacités des instruments de mesure pour enregistrer les mouvements de chacun des leviers.

Autant de défis ne peuvent être relevés que par la conjugaison de différentes compétences : c’est à l’intersection des mathématiques, de l’électronique, de l’informatique et de la mécanique qu’OSCAR a mobilisé les énergies pendant trois ans dans un programme Interreg franco-suisse. Aujourd’hui, si une ultime expérience reste à mener pour apporter sa légitimation au système, son fonctionnement est validé par l’élaboration d’un prototype.

De l’algorithme au prototype

Tout commence par la mise au point d’un logiciel de simulation afin de mettre en scène les réseaux de leviers qui, à l’avenir, se compteraient en centaines, représentant plusieurs dizaines de milliers de mesures par seconde ! L’interférométrie, qui exploite les interférences entre les ondes lumineuses, est la méthode requise pour mesurer le déplacement des leviers, avec en préambule la mise au point d’algorithmes et leur implémentation dans un calculateur temps-réel aux capacités colossales, le FPGA. « L’idée est de faire apparaître des franges interférométriques pour détecter des déplacements de l’ordre du nanomètre, explique Michel Lenczner, chercheur en mathématiques pour des applications mécaniques à l’institut FEMTO-ST, et coordinateur du projet pour la France. Une caméra rapide surveille l’ensemble du réseau et retranscrit les informations de déplacement sous forme d’images. »

Un tel dispositif rendra plus opérantes encore les mesures déjà effectuées par AFM sur les molécules et les cellules, ainsi que l’étude de leurs propriétés physiques, pour des applications en biologie humaine à l’échelle de l’ADN. Michel Lenczner dresse la liste des participants sans qui l’aventure n’aurait pas été possible : à FEMTO-ST, le département Informatique pour le développement de l’algorithme de traitement d’image, et son implémentation sur FPGA ; le département Méc’Appli pour la mise au point des outils d’optimisation ; le département Temps-Fréquence pour la modélisation, le développement du logiciel de simulation et celui des composants électroniques de la caméra ; le CSEM pour la microfabrication en salle blanche et les expérimentations ; la société DIGITAL SURF (Besançon) pour l’interprétation des images restituées ; la société AMADEUS SYSTEMS (Mulhouse) pour le développement de la carte électronique hébergeant le FPGA ; et enfin l’entreprise SUSS MICROOPTICS (Neuchâtel) pour la conception d’un réseau de lentilles grossissant l’image de chaque cantilever.

Article paru dans le n^o253 du journal en direct, mai-juin 2014.