Si vous cherchez sur Google ce que fait Rolf Erni, vous devez vous attendre à des mots polysyllabiques. "Nous utilisons l'imagerie à résolution atomique, principalement en mode STEM, combinée à la spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS), à la spectroscopie par rayons X à dispersion d'énergie (EDX) et à l'holographie électronique hors axe" - des éléments de réflexion tirés du site Web anglophone du Center for Electron Microscopy, qui sont susceptibles de faire froncer les sourcils même des chercheurs expérimentés.

"Ce n'est pas de la science infuse", aime à dire Rolf Erni, comme il l'a fait récemment lors d'une conférence sur ses travaux. Cette litote rassurante est probablement due à l'époque où il faisait de la recherche aux États-Unis. En d'autres termes, il ne s'agit pas d'une super recherche réservée à quelques privilégiés, ni d'une impossibilité pour les personnes normalement douées. Il s'agit plutôt du travail quotidien des "microscopistes", comme Rolf Erni appelle la guilde à laquelle il appartient depuis environ 20 ans - avec curiosité, diligence et des publications très appréciées dans des revues et des livres spécialisés. En bref : avec succès.

Non, cette carrière n'était pas prévue. Après avoir obtenu son doctorat en science des matériaux à l'ETH Zurich, Rolf Erni souhaitait à l'origine se diriger directement vers l'industrie, avant de "dériver", comme il le dit lui-même. Il a d'abord passé une année postdoctorale au National Center for Electron Microscopy en Californie, puis, à partir de 2004, il a travaillé pour FEI, un important fabricant de microscopes électroniques. Son travail consistait contribuer à la naissance d'un nouveau type d'appareil, y compris son introduction sur le marché.

Ce microscope devait être "super-stable" et - par analogie avec les dispositifs optiques - réduire les "tremblements" même minimes pour permettre des résolutions plus élevées. Il fallait également trouver des solutions pour les détails peu visibles. Par exemple, les lentilles électromagnétiques en forme d'anneau qui focalisent le faisceau d'électrons - analogue au faisceau lumineux d'un microscope optique - contiennent un fil de cuivre qui s'échauffe sous un courant continu. "Il doit être refroidi avec de l'eau", explique Rolf Erni, "et les vibrations de l'eau qui y circule ont pu être critiques pour la stabilité".

Carrière
Après ses études, postdoc au National Center for Electron Microscopy, Californie, puis comme expert chez le fabricant FEI à Eindhoven. En tant que chercheur à l'Université d'Anvers et à nouveau en Californie. Depuis 2009, il dirige le Centre de microscopie électronique de l'Empa.

Science
Formation en science des matériaux à l'ETH Zurich, recherches diverses en microscopie électronique, publication d'articles techniques et de livres, conférences à l'ETH Zurich, membre de comités techniques.

De sa main gauche, Rolf Erni ajuste le faisceau d'électrons via des bobines de déviation. Il observe l'effet sur un écran fluorescent. Image: Empa

Il a donc appris à connaître son outil au fil des années - de l'intérieur comme de l'extérieur - et a vécu l'évolution rapide qui s'est produite en deux décennies en tant qu'acteur : des corrections d'aberration qui ont éliminé le "flou" causé par des électrons excessivement déviés aux premières caméras CCD dans les années 1990. Comme en photographie, ils ont remplacé les films qui avaient enregistré les électrons après leur pénétration dans l'échantillon ultrafin. Et de l'avancée vers une résolution atomique de moins d'un dixième de nanomètre aux nouveaux détecteurs qui capturent directement les électrons individuels.

"Il y a toujours quelque chose de nouveau !" dit Rolf Erni, "alors c'est vraiment vrai que si vous ne suivez pas, vous rouillez". Ces petits et grands pas ont ouvert la voie aux projets actuels, comme "Cluster" du programme de recherche européen Horizon2020, qui pose une question fascinante : comment la matière est-elle créée ? Ou plus précisément : comment se forment les premiers "noyaux" de solides comme les cristaux ?

Un angle mort de la recherche - et une opportunité pour l'équipe de l'Empa. "Si vous compreniez ces processus, vous pourriez être en mesure de les contrôler", déclare le chercheur avec un enthousiasme audible. "Et puis, il pourrait aussi être possible de faire croître sélectivement des matériaux aux propriétés favorables. Ou même ceux qui ne se produisent pas du tout dans la nature." Bien sûr, le chemin à parcourir est encore long, ajoute-t-il. S'il y en a un ... - la recherche fondamentale.

Sur la piste de la formation de la matière : image d'amas de platine à une température de 350 degrés Celsius. À droite du modèle, vous pouvez voir la structure moléculaire qu'ils forment principalement à ce stade, en ligne avec l'amas en bas au centre. Image / Video: Empa

L'équipe a fait ses premiers pas en laboratoire avec des atomes de platine, car les métaux précieux lourds semblent avoir un contraste plus élevé sous le microscope électronique, c'est-à-dire qu'ils sont faciles à "voir". Comment Rolf Erni expliquerait-il cela à son fils de huit ans, qui a déjà visité le laboratoire avec sa classe ? "Nous mettons des atomes de platine sur un lit de carbone, et ensuite nous regardons : Que leur arrive-t-il quand on les chauffe ou qu'on les irradie avec des électrons ?"

Le tout est réalisé à l'aide de techniques STEM (microscopie électronique à transmission à balayage), en "balayant" le faisceau sur les échantillons, et ce jusqu'à 150 images par seconde, de sorte que chaque mouvement moléculaire soit capturé et qu'aucune phase ne soit manquée. "Ce n'est pas vraiment compliqué, c'est juste que personne ne l'a fait auparavant", explique le directeur du laboratoire. "Et personne n'a osé faire ce 'scan super rapide'."

L'équipe a monté les enregistrements sous forme de courtes vidéos. Ils montrent comment différentes structures de platine se forment : des amas ordonnés de 6 à 25 atomes - comprenant souvent une structure très compacte que le platine possède également à l'état solide. Dans l'étape suivante, les experts l'ont essayé dans l'environnement plus complexe d'un liquide, où des phénomènes similaires ont été observés : les atomes se sont formés dans ce que les experts appellent un "état cristallin quasi fondu".

Comment Rolf Erni expliquerait-il cela à son fils ? Que la matière dans cet état "oscille" sous différentes formes ? "Oui, exactement", approuve-t-il - et il trouve rapidement une image plus précise. "Ou comme déformer un tas de perles magnétiques dans votre main. Et dans le processus, des formations ordonnées émergent de temps en temps."

Quatre instruments sont actuellement utilisés à l'Empa. Tout d'abord, il existe deux microscopes électroniques à balayage qui déplacent le faisceau de manière ciblée sur l'objet à étudier ; l'interaction des électrons avec l'échantillon est calculée et transformée en une image. Ces appareils sont principalement utilisés pour l'analyse des matériaux. Les deux microscopes électroniques à transmission fonctionnent selon un principe de base différent : les électrons pénètrent dans la partie préparée de l'échantillon, comme s'ils traversaient une feuille, et produisent l'image sous-jacente - selon la méthode, jusqu'à une résolution atomique. Ces appareils sont principalement utilisés dans la recherche. Outre le projet "cluster" sur la formation et la croissance des cristaux, important par exemple pour les catalyseurs, l'équipe de l'Empa travaille sur les oxydes complexes, qui jouent un rôle important dans des technologies telles que les nouveaux types de composants électroniques et les supports de stockage.
De 0 à 25 secondes : Les structures jaunes sont des nanoparticules d'or dont la croissance dans un liquide ionique est étudiée au microscope électronique.

L'étude de ces bases, les contrats industriels, la formation de dizaines de chercheurs de l'Empa venant d'autres départements afin qu'ils puissent utiliser les microscopes électroniques pour leurs travaux : Être à la fois un chercheur et un assistant - n'est-ce pas un peu trop ? Non, dit le directeur du laboratoire, au contraire : il trouve les diverses connaissances intéressantes pour son équipe, qu'il a constituée à partir de 2009 - ce qui était à l'époque une motivation essentielle pour rejoindre l'Empa.

Le laboratoire a commencé avec 2,5 postes à temps plein, il en compte aujourd'hui une dizaine. Qu'il s'agisse des batteries à haute performance, des nouveaux alliages ou des ciments neutres en CO₂ du futur : la demande d'expertise des microscopistes va continuer à croître - et dans les discussions entre experts sur les futurs "centres de services", Rolf Erni plaide également pour une recherche indépendante. Bien sûr, il est important d'avoir des centres pour que les gens puissent faire prendre des mesures, estime-t-il, mais aussi pour pouvoir essayer quelque chose de nouveau, dit-il, "et pour avoir la liberté de ne pas avoir à facturer chaque heure de microscope".

En microscopie électronique, l'outil avec ses possibilités et ses pièges est, après tout, également un objet de recherche. Le bricolage de nouvelles procédures en est une partie indissociable - et les jeunes talents dotés de créativité et du perfectionnisme nécessaire sont aussi précieux que dans toute autre discipline. "Vous avez donc des personnes super formées dans votre équipe et tout ce qu'elles font, c'est du service ?" dit Rolf Erni. "Ce n'est presque pas possible."