Bar-Ilan : une nouvelle technologie à rayons X révèle la composition des objets en utilisant 97 % de données en moins
Des chercheurs de l’université Bar-Ilan en Israël ont mis au point une méthode plus rapide pour créer des cartes chimiques 3D d’objets, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour l’étude des matériaux, des échantillons biologiques, et bien plus encore. Imaginez pouvoir observer l’intérieur d’un objet et y découvrir non seulement sa structure interne, mais aussi les éléments chimiques précis qui le composent et leur localisation exacte. Imaginez maintenant pouvoir y parvenir en effectuant seulement une fraction des mesures habituellement nécessaires. C’est ce qu’ont réussi à faire des chercheurs de l’université Bar-Ilan, en collaboration avec des scientifiques européens. Leur nouvelle méthode d’imagerie par rayons X permet de produire des cartes 3D détaillées de la composition chimique d’un objet en utilisant 43 fois moins de mesures que les techniques de balayage classiques, soit une réduction de plus de 97 %.
Cette avancée pourrait aider les scientifiques à étudier divers éléments — des matériaux de pointe aux batteries, en passant par les tissus biologiques — tout en réduisant considérablement le temps consacré à la collecte des données. Comment les rayons X peuvent-ils révéler la composition d’un objet ? La plupart d’entre nous connaissent les rayons X grâce à l’imagerie médicale. Ils permettent aux médecins de visualiser des structures cachées à l’intérieur du corps, comme les os. Mais les scientifiques peuvent utiliser un type d’imagerie par rayons X différent pour répondre à une autre question : de quoi cet objet est-il réellement composé ? Cette technique, appelée imagerie par fluorescence X, consiste à diriger des rayons X vers un échantillon. Les différents éléments chimiques réagissent en émettant leurs propres signaux caractéristiques, ce qui permet aux chercheurs de les identifier et de déterminer leur emplacement. La difficulté survient lorsque les scientifiques souhaitent créer une carte en trois dimensions. Les méthodes traditionnelles exigent de scanner un échantillon point par point, souvent sous plusieurs angles. Cela peut nécessiter des milliers de mesures et prendre beaucoup de temps. L’équipe de recherche de l’université Bar-Ilan a trouvé un moyen de réduire considérablement cette charge de travail.
Comment fonctionne cette nouvelle méthode d’imagerie 3D par rayons X ?
Au lieu de scanner chaque point individuellement, les chercheurs ont mis au point une méthode permettant de recueillir des informations sur plusieurs parties d’un objet simultanément. Ils ont placé un masque en tungstène, doté d’un motif spécifique, devant le faisceau de rayons X. Le masque modifie la manière dont les rayons X éclairent l’échantillon, créant un motif qui contient des informations sur sa composition interne. À mesure que l’échantillon tourne, un détecteur recueille des signaux provenant des différents éléments chimiques qu’il renferme. Un algorithme mathématique combine ensuite ces signaux pour reconstituer une carte chimique 3D complète. Imaginez qu’il s’agisse de résoudre un puzzle : au lieu d’examiner chaque pièce individuellement, l’ordinateur utilise un nombre restreint d’indices pour déterminer l’emplacement de chacune d’elles. Pour tester cette technique, les chercheurs ont examiné un échantillon composé de cuivre, de zirconium et d’argent. Ils sont parvenus à reconstituer la position de fils et de particules microscopiques en effectuant 97 % de mesures en moins par rapport aux méthodes traditionnelles. « Ce qui est surprenant, c’est la quantité d’informations que nous avons pu extraire à partir de si peu de données », explique Adi Ben-Yehuda, doctorant dans le laboratoire de la Pr Sharon Shwartz, au département de physique de l’université Bar-Ilan. « Au lieu de mesurer chaque point séparément, nous utilisons un motif de rayons X structuré et laissons l’algorithme de reconstruction assembler les informations. C’est une nouvelle façon d’envisager la création d’une image par rayons X. »
Pourquoi une imagerie par rayons X plus rapide est-elle importante ?
Dans la recherche scientifique, la collecte de données peut représenter l’une des étapes les plus chronophages d’une expérience. C’est particulièrement vrai dans les installations appelées « synchrotrons », qui génèrent des faisceaux de rayons X extrêmement puissants. Des scientifiques du monde entier utilisent ces équipements pour étudier la structure et la composition des matériaux à l’échelle microscopique, mais leur accès reste limité. Une technique nécessitant 43 fois moins de mesures pourrait changer la donne de manière significative. Les chercheurs pourraient ainsi examiner des échantillons plus volumineux, étudier davantage d’objets durant leur temps de recherche alloué, et explorer des matériaux trop fragiles pour supporter une exposition prolongée aux rayons X.
Les applications possibles touchent divers domaines scientifiques, notamment : • La science des matériaux : comprendre la structure chimique de matériaux avancés. • L’énergie verte : étudier les matériaux utilisés dans les batteries et d’autres technologies énergétiques. • La biologie : cartographier les éléments chimiques au sein d’échantillons biologiques. • La géologie : étudier la composition des roches, des minéraux et d’autres matériaux naturels. « L’imagerie par rayons X a toujours impliqué un compromis entre la quantité d’informations souhaitée et le temps ainsi que les données nécessaires pour les obtenir », explique la professeure Sharon Shwartz, de l’université Bar-Ilan. « Notre approche démontre qu’il est possible de modifier ce compromis. En concevant le dispositif d’éclairage par rayons X conjointement avec le processus de reconstruction computationnelle, nous parvenons à extraire des informations chimiques tridimensionnelles détaillées à partir d’un nombre remarquablement restreint de mesures. »
Quelle est la prochaine étape pour cette technologie d’imagerie par rayons X ?
Les chercheurs ont démontré que leur méthode fonctionne sur des échantillons contenant différents métaux. Leur prochain objectif est de le tester sur des matériaux plus complexes, notamment des échantillons biologiques et géologiques. Ils prévoient également d’explorer comment l’intelligence artificielle et l’apprentissage profond pourraient encore améliorer la vitesse et la résolution du processus d’imagerie. Cette technologie en est encore au stade de la recherche, mais elle ouvre une voie prometteuse pour les scientifiques ayant besoin d’informations détaillées sur les matériaux qu’ils étudient. En développant des méthodes plus intelligentes pour collecter et interpréter les données issues des rayons X, les chercheurs permettent d’en apprendre davantage sur la composition chimique interne des objets, tout en réduisant considérablement le nombre de mesures nécessaires.
Une collaboration scientifique internationale
L’étude a été menée par des chercheurs de l’université Bar-Ilan, en collaboration avec le Dr Alexander Rack, de l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), et le Dr Nicola Viganò, du CEA et de l’université Grenoble Alpes, en France. Ces travaux ont bénéficié du soutien de l’Israel Science Foundation (ISF) et de l’European Synchrotron Radiation Facility (ESRF).
Publication dans la revue Optica
