AFM-IR : caractérisation chimique à l’échelle nanométrique

La spectromicroscopie infrarouge (IR) est une technique efficace pour identifier chimiquement les composés d’un échantillon (par leurs spectres infrarouges) et les localiser spatialement. Cependant, la principale limitation de cette technique infrarouge « classique » est sa résolution spatiale : celle-ci est imposée par la partie optique et est de l’ordre de quelques micromètres.

C’est dans ce contexte que la technique d’AFM-IR a été développée pour permettre de réaliser des études IR (spectres d’absorption et cartographies) à l’échelle de quelques nanomètres. Cette technologie en pleine expansion est basée sur le couplage entre un microscope à force atomique (AFM) et un laser IR accordable pulsé. L’idée principale est de s’affranchir de la détection optique pour étudier l’interaction des photons infrarouges avec la matière, pour ne pas être limité par la diffraction de la lumière. Pour cela, on suit l’effet photothermique associé à l’absorption de la lumière infrarouge.

Pour faire ce type de mesure, l’échantillon est imagé par AFM (topographie de surface) puis illuminé avec la source laser IR. La pointe du microscope à force atomique qui est en contact avec l’échantillon est alors utilisée pour détecter l’effet photothermique induit dans l’échantillon suite à l’absorption du rayonnement IR : si la longueur d’onde du laser correspond à une bande d’absorption de l’échantillon, alors une partie de la lumière est absorbée puis convertie sous forme de chaleur. Ceci crée une augmentation locale de température. Cette augmentation de température induit la dilatation de l’échantillon qui repousse la pointe de l’AFM. Cette poussée est extrêmement rapide et est ressentie comme un choc dans la pointe engendrant l’oscillation du levier de l’AFM. L’avantage de cette approche est que l’amplitude des oscillations est proportionnelle à l’absorbance et permet d’atteindre une résolution de quelques nanomètres (grâce à la pointe de l’AFM).

Depuis 2012, cette technologie est utilisée, à travers le monde, en routine pour l’analyse infrarouge à l’échelle nanométrique que ce soit pour les académiques ou les industriels et ce dans des domaines aussi divers que la science des polymères, la microbiologie, la pharmacie ou encore l’étude des matériaux du patrimoine ou l’astrochimie.

Cet article propose de décrire le principe fondamental de cette technologie et d’expliquer son fonctionnement qui reste relativement simple et intuitif. C’est sans doute pour ces dernières raisons que cette technologie a pu séduire des scientifiques de différents horizons et est utilisée dans de nombreux domaines. Par la suite, l’article illustrera l’impact de cette technologie par la description de quelques applications récentes en sciences des polymères, en microbiologie...