Par quels moyens, par quels procédés recueillons-nous des connaissances sur la structure de la matière ? Est-il possible d'observer la structure interne de la matière en trois dimensions, comment et dans quelle mesure ? Ces questions sont cruciales pour obtenir une représentation de la matière condensée (matériaux solides et liquides) qui s'approche au plus près de la vérité.
En ce qui concerne la première question, il est important de prendre conscience que toute connaissance sur la structure de la matière est une information livrée par la matière lorsqu'on lui envoie un signal et qu'elle répond. Ce signal est un faisceau d'ondes, par exemple électromagnétiques. Ce signal est neutre et la matière le façonne de ses caractéristiques propres. C'est exactement le même processus qu'un courrier. On lui envoie une lettre blanche, et elle inscrit un message. Il est crucial de noter que ce message ne peut exister sans un support, le papier sur lequel on écrit par exemple. Et bien entendu, le support conditionne le type de message qu'on peut recevoir. Sur une lettre, il n'y aura pas de message vocal. Pour une onde électromagnétique, la matière modulera cette onde et délivrera les messages qui correspondent à la longueur d'onde du support. Autrement dit, le message ne nous renseignera que sur un aspect limité de la matière.
La représentation que nous avons de la matière est issue des signaux fournis par des spectroscopes de types divers et des microscopes. Spectroscopes et microscopes projettent des rayonnements sur la matière et recueillent les signaux qu'elle renvoie ou laisse passer. Les microscopes, qu'ils soient optiques (à lumière), électroniques ou à champ proche, ont l'avantage d'avoir un système qui permet de reconstituer une image visuelle. Bien que l'observation directe à l'oeil soit déjà un phénomène admirable, elle est restreinte à des échelles en rapport avec la mesure humaine. On est limité vers l'infiniment grand, et on fera appel alors aux télescopes. On est limité vers l'infiniment petit, car les détails qu'on peut distinguer à l'oeil nu (c'est-à-dire le pouvoir séparateur ou résolution de l'oeil) ont des dimensions supérieures à quelques dizaines de micromètres, unité qui vaut un millième de millimètre. On s'aide alors d'instruments d'imagerie, tels que les microscopes.
Cependant ces images ne donnent généralement qu'une vision en deux dimensions. Par exemple, le microscope optique est bien connu puisqu'il fait partie de la panoplie des appareils de laboratoire de sciences du vivant dans les collèges et lycées. Grâce à lui, il est possible d'obtenir des images agrandies d'objets sur des coupes extrêmement fines, donc en deux dimensions. Même si la coupe est assez épaisse, le microscope a une profondeur de champ extrêmement réduite, ce qui signifie qu'on ne peut mettre au point l'image que sur une faible profondeur à la fois. La manière d'obtenir des informations en trois dimensions est de faire des tranches successives de matière dans le même morceau, et d'assembler ces informations en les recalant les unes par rapport aux autres.
Évidemment, la lumière ne peut pénétrer dans la matière et en faire des images que si cette matière est transparente, ce qui est le cas pour les tissus biologiques en tranches fines. La lumière ne traverse pas les matières opaques, par définition de l'opacité. On peut faire appel aux faisceaux électroniques des microscopes électroniques en transmission qui donnent des belles images des structures cristallines des métaux et céramiques. Mais les tranches de matière que les électrons peuvent traverser en étant susceptibles de former une image sont encore plus minces que pour le microscope optique. Les microscopes électroniques à balayage ne sont pas embarrassés de cet inconvénient et, de plus, ils bénéficient d'une excellente profondeur de champ. Malheureusement, ils ne permettent d'observer que des surfaces, soit des surfaces naturelles, soit des surfaces de fracture (voir des explications plus détaillées dans le livre "Voyage au coeur de la matière plastique", chapitre "Le regard des microscopes", cité en fin de cet article).
Il faut des rayonnements comme les rayons X pour traverser des matières sur de grandes profondeurs, comme on le constate pour les radiographies effectuées sur les sacs et valises par les appareils de contrôle dans les aérogares. L'image est ici la projection à deux dimensions de l'ombre des objets à l'intérieur de la valise, dont le mécanisme de formation est basé sur l'absorption plus ou moins importante des rayons en fonction de la nature et de l'épaisseur de la matière traversée.
A cause de ces limitations, le microscope confocal qui fournit directement des images en trois dimensions est un appareil précieux. Il est décrit en détail plus loin. Bien évidemment, il a ses propres limites, car étant une adaptation d'un microscope optique, il ne permet d'observer que de la matière transparente ou des surfaces. Il est généralement associé à la microscopie à fluorescence, grâce à laquelle il a de nombreuses applications en biologie. C'est ainsi qu'il fournit des images en trois dimensions des réseaux et structures internes des cellules. Mais il est également avantageux dans le domaine des sciences de la matière, en fluorescence ou pas, comme je vais le rapporter ici, essentiellement au travers de mon expérience sur les polymères.(extrait du site http://www.techno-science.net/?onglet=articles&article=27&page=2)