La microscopie électronique est devenue une technique indispensable dans de nombreux domaines de recherche aussi variés que les sciences des matériaux (métallurgie, cristallographie, etc.) ou les sciences du vivant (biologie cellulaire, médecine, etc.). Le principe est d’utiliser des électrons accélérés, au lieu d’un faisceau de lumière comme dans un microscope photonique conventionnel, pour rendre observables des structures bien plus petites, jusqu’à atteindre la résolution atomique. 

Cette technique permet donc d’obtenir des informations structurales par imagerie, mais pas uniquement. Grâce à l’interaction des électrons avec les atomes de la matière, d’autres signaux émis peuvent aussi être analysés afin d’obtenir des informations complémentaires, par exemple, sur la composition élémentaire (analyseur de rayons X) ou la cristallographie (détecteur pour la diffraction d’électrons rétrodiffusés) de l’échantillon. 

Depuis 1975 et les trois microscopes électroniques initiaux, deux à transmission - Philips EM301 et EM201- et un à balayage - JEOL JSM-35 – équipé en 1980 d’un analyseur de rayons X, la microscopie électronique à l’UNamur a évolué au gré des microscopes acquis. Ainsi, un nouveau microscope à balayage – un Philips XL20 équipé d’un analyseur X – est venu, en 1991, remplacer l’ancien. Puis, en 1999, un nouveau microscope à transmission a été acquis – un Tecnai10 (FEI)- qui a fait l’objet d’un article dans le journal « Le Soir ». 

L’article « Des images de l’infiniment petit montrées en direct live » stipule : « Ce n’est pas tous les jours que l’institution s’équipe d’un nouveau microscope électronique à transmission, qui plus est, le premier de sa génération en Belgique. (…) Le grand pas de ce microscope d’un genre nouveau ?  Son procédé qu’acquisition des images.  Alors qu’on fixait précédemment les images observées sur une pellicule par procédé photographique, c’est désormais une caméra numérique couplée à un puissant ordinateur qui opère ».

Le professeur Yves Poumay, interviewé à l’époque, explique : « Certains chercheurs d’autres universités viennent chez nous, pas parce qu’ils ne disposent pas d’un matériel équivalent chez eux, mais parce qu’il est moins accessible ou moins bien " ».  À l’UNamur, on « met en effet à disposition des chercheurs un microscope, mais aussi une équipe de laborantins-techniciens et un ingénieur accompagnateur, ce qui constitue un encadrement humain assez inhabituel et aussi précieux que le nouveau microscope lui-même. »

La philosophie de la plateforme n’a pas changé, des chercheurs de tous horizons, mais aussi des entreprises font encore et toujours appel à son expertise. 

La modernisation des équipements se poursuit dans les années suivantes avec l’acquisition de plusieurs microscopes à balayage un JEOL JSM 7500F équipé d’un analyseur de rayons X en 2007 et un JEOL JSM 6010LV en 2012.  Ce dernier a été modifié très récemment en 2023 avec l’acquisition d’un analyseur de rayons X (SDD QUANTAX, Bruker) et d’un détecteur pour la diffraction d’électrons rétrodiffusés (eFlash QUANTAX, Bruker) dans le cadre de la plateforme interuniversitaire de recherche pour la transition énergétique (RRF). 

En 2016, un Tecnai20 (FEI), équipé d’un analyseur de rayons X (SDD QUANTAX, Bruker) monté en 2021, vient compléter le Tecnai10 pour les analyses en microscopie en transmission. 

En intégrant la plateforme technologique d’excellence BIOGREEN en 2024, l’acquisition d’un microscope à transmission cryogénique JEOL JEM F200 vient apporter une valeur ajoutée au parc d’instruments déjà en place. Ce nouveau microscope permet l’analyse de matériaux sensibles en réduisant les dommages du faisceau électronique. Grâce à des méthodes de préparation spécifiques comme la vitrification des échantillons (congélateur à immersion automatique Leica EM GP2) couplée à la cryo-microscopie, il est ainsi possible d’obtenir des informations sur la structure d’objets biologiques (protéines, ribosomes, etc.). 

Pour être complet, notons enfin que le développement de la microscopie électronique s’est accompagné de l’acquisition de tous les équipements nécessaires à la préparation des échantillons. Certains équipements, comme le matériel de microtomisation, sont d’origine (1975), mais sont en voie de remplacement, d’autres sont plus récents comme l’appareil de pulvérisation cathodique (QUORUM QT 150T/ES en 2015). 

En 1975, le professeur Robert Leloup crée l’Unité Interfacultaire de Microscopie Électronique, grâce à un budget conséquent alloué par l’institution. Comme aujourd’hui, elle est située à l’angle de la rue Grafé et de la Place du Palais de justice en Faculté de médecine. En 1998, le professeur Yves Poumay le remplace jusqu’en 2010, date à laquelle le Docteur Jean-François Colomer devient le responsable du Service de microscopie et avec lui une nouvelle équipe se met en place. En 2011, l’ingénieur de la plateforme, Corry Charlier, est engagé. En 2017, Caroline De Bona y entre comme technicienne. En 2025, la structure intègre la plateforme technologique d’excellence BIOGREEN de la FWB et un logisticien de recherche, Emir Topagolu rejoint l’équipe.

L’équipe : Jean-François Colomer, Caroline De Bona, Corry Charlier et Emir Topaloglu

La plateforme « microscopie électronique » possède des équipements de pointe et une expertise remarquable, qu’elle partage depuis 50 ans avec tous les membres de l'UNamur qui souhaitent utiliser ces techniques microscopiques dans un but d'observation ou d'analyse, tant du point de vue de la recherche que de l’enseignement, que ce soit en science des matériaux ou en science du vivant. Elle met aussi son expertise au service d'organismes de recherche d'autres établissements universitaires et d'entreprises ou industries pour l'analyse de leurs échantillons.

Il existe deux grandes classes de microscope électroniques : 

• le microscope électronique en transmission, dont le faisceau d'électrons traverse l'échantillon. Celui-ci doit donc être très mince. Ce sont les électrons transmis et/ou diffusés qui sont détectés pour former une image en coupe de celui-ci ;
• le microscope électronique à balayage, dont le faisceau d'électrons balaye la surface de l'échantillon. Celui-ci est donc massif. Ce sont les électrons éjectés par l'échantillon qui sont détectés pour former une image de sa surface.

Le Japon est une référence mondiale en matière de jeu vidéo. Nintendo, Sony, Sega… autant d’entreprises qui ont marqué la culture populaire contemporaine. Cette industrie, Fanny Barnabé la connaît bien. Chargée de cours à la Faculté Économie Management Communication sciencesPo (EMCP) et chercheuse à l’Institut de recherche CRIDS/NaDI, elle est spécialisée en game studies, un champ de recherche consacré à l’étude des jeux. Après une thèse de doctorat dédiée au détournement vidéoludique dans l’univers fictionnel de Pokémon, défendue en 2017, elle a réalisé un séjour postdoctoral d’un an au Ritsumeikan Center For Game Studies (Ritsumeikan University, à Kyoto), le plus grand centre de recherche sur le jeu vidéo de l’archipel. Reconnu à l’international, celui-ci a notamment la chance d’accueillir un fonds d’archives exceptionnel et inédit, qu’il doit à une donation du géant Nintendo.

Plusieurs années et travaux de recherche plus tard, Fanny Barnabé s’est rendue une nouvelle fois au Japon à la fin du mois de mai, à l’occasion d’une mission académique. Objectif : présenter les derniers travaux menés à l’UNamur, notamment en ludopédagogie ou « serious game » et, elle l’espère, jeter les bases de nouveaux partenariats et échanges étudiants.

La Faculté d’informatique entretient des liens de longue date avec le National Institute of Informatics (NII), un institut de recherche internationalement reconnu situé en plein cœur de Tokyo. Chaque année, des étudiants de Master et des doctorants de la faculté y sont accueillis pour une période de quatre à six mois afin d’y effectuer un stage et de mener à bien des projets de recherche, via un accord de collaboration spécifique (Memorandum Of Understanding agreement, ou MOU). Une expérience très appréciée par les étudiants et les doctorants, tant sur le plan scientifique qu’humain. 

Gilles Perrouin, chercheur et président de la Commission de la recherche de la Faculté d’informatique, accompagne ces étudiants dans la présentation de leur sujet de recherche, souvent axé dans les domaines du génie logiciel, de l’intelligence artificielle (IA) ou, plus récemment, de l’IA verte. « Ce sont des domaines de recherche qui évoluent très vite », précise Gilles Perrouin. « Il existe beaucoup de débats actuellement autour de la consommation énergétique de l’IA. C’est un peu un oxymore de dire qu’on peut faire de l’IA verte. Mais on y travaille via l’exploration de techniques plus malignes lors de la recherche de solutions prometteuses afin d’éviter le recours à l’entraînement systématique du réseau de neurones, très coûteux en énergie », explique le chercheur. La collaboration a donné lieu à l’exploration d’autres domaines de l’IA, tels que la reconnaissance de la langue des signes (professeur Benoît Frénay), en plus des sujets en méthodes formelles et génie logiciel (professeurs Pierre-Yves Schobbens et Xavier Devroey). 

Au sein du Département de mathématique, Alexandre Mauroy, professeur et chercheur au Namur Institute for Complex Systems (naXys), travaille avec son collaborateur de longue date et ami Yoshihiko Susuki de la prestigieuse Université de Kyoto sur un projet co-financé par le F.N.R.S et le JSPS (Japon) visant à étudier les systèmes dynamiques. « Il s’agit de phénomènes dits “non-linéaires” qui ne respectent pas les règles de la proportionnalité. Les équations sont donc très difficiles, voire impossibles à résoudre en pratique », explique Alexandre Mauroy. « Pour contourner ce problème, on mobilise des techniques comme la théorie des opérateurs, que l’on étudie dans le cadre de ce projet. » Celui-ci a l’avantage de combiner les aspects théoriques et applications pratiques, notamment dans le domaine des réseaux de distribution électrique. « Ce sont des systèmes complexes, avec des dynamiques lentes et rapides. Un cas intéressant pour lequel les outils mathématiques doivent être adaptés. », poursuit Alexandre Mauroy. Ce premier partenariat positif a déjà permis des séjours de recherche entre les deux pays et promet de nouvelles collaborations dans le futur.

Dans un domaine voisin, Riccardo Muolo effectue depuis 2023 un postdoctorat à l'Institute of Science Tokyo, après avoir mené une thèse de doctorat à l’UNamur sous la supervision du professeur Timoteo Carletti. Dans la lignée des connaissances acquises lors de son doctorat sur la dynamique des réseaux, Riccardo Muolo s'intéresse aujourd’hui à la théorie de la synchronisation des réseaux, un modèle mathématique permettant de comprendre des systèmes très variés : des lucioles aux réseaux électriques en passant par le fonctionnement du cerveau humain : « Par exemple, dans le cerveau, une synchronisation anormale des réseaux neuronaux est associée à des pathologies comme l’épilepsie ou Parkinson. La récente faillite du réseau électrique en Espagne peut également s'analyser au travers de cette théorie », détaille le chercheur. 

Les étudiants qui ont soif d’effectuer une partie de leur cursus au Japon ont la possibilité de le faire au moyen de différents accords que l’UNamur a conclus avec des établissements de l’Archipel. C’est le cas avec le National Institute of Informatics (NII), mais aussi avec la Soka University et la Sophia University (Chiyoda), avec lesquelles l’UNamur a signé des accords cadres. 

Tout a commencé par le voyage de Nicolas Roy à Stanford.  Nicolas est doctorant au sein du Département de physique et membre des Instituts NISM et NaXys. La visite à Stanford avait pour objectif de développer une expertise à l’UNamur sur une méthode nouvelle de simulation de cristaux photoniques twistés, récemment publiée par la prestigieuse université. À la suite des discussions lors du séjour à Stanford, des pistes de collaborations sont apparues, notamment celle de poursuivre les recherches relatives à l’une de leurs publications afin de tenter de rendre un dispositif qui permet de manipuler la direction du faisceau lumineux le plus efficace et compact possible.  

Pari réussi puisque l’étude théorique prévoit un dispositif de 6 microns (soit la taille d’un cheveu) !  De plus, il est très économe en énergie.  Concrètement, il peut permettre de suivre des satellites par exemple, sans bouger l’émetteur ou le récepteur, ce qui est compliqué dans un circuit photonique.  Une autre application concrète est à l’étude pour la société Meta, qui souhaite réduire la taille des casques de réalité virtuelle à une simple paire de lunettes… 

Durant sa thèse de doctorat, et en s’appuyant sur une publication de l’équipe de Stanford intitulée “Theory for Twisted Bilayer Photonic Crystal Slabs”, Nicolas a reproduit la méthode de simulation et mis au point un modèle analytique des simulations numériques. L’emploi de ces simulations peu coûteuses a permis de trouver les structures photoniques les plus capables de dévier la lumière de manière contrôlée. Le modèle analytique quant à lui permet de fournir une explication à ce qui a été observé et donc de mieux comprendre ce qu’il se passe. En bref, cela donne des perspectives de fabrication plus simples pour les futurs dispositifs. 

Les équipes de recherche qui collaborent dans cette étude travaillent sur les cristaux photoniques twistés, c’est-à-dire des matériaux bidimensionnels, formés, par exemple de 2 couches de silicium superposées et structurées, et leur interaction avec la lumière.  

Dans la conception d’un modèle analytique, Nicolas Roy s’est également servi d’une théorie connue depuis les années 60 : les réseaux échelette.  Un réseau échelette est un réseau de diffraction plan ayant le profil en dents de scie.  Concrètement, cela ressemble aux toits des anciennes usines.  La nouveauté qu’il a apportée en utilisant cette notion, c’est de permettre de comprendre le mécanisme qui permet le contrôle de l’angle de sortie du faisceau lumineux grâce au twist entre les deux couches. Ce faisant, il a identifié que le système agissait similairement au réseau échelette. L’équipe, grâce à des méta-modèles, a permis de concentrer la lumière dans une direction bien précise avec une efficacité de 90%.  

Le but de ce genre de structure twistée ?  Devenir maître de la lumière et fabriquer in fine des systèmes qui permettent de la ralentir, voire de l’arrêter.   

Cette technique du twist ouvre donc bien des possibilités encore inexplorées en photonique en ajoutant un degré de contrôle de la lumière.  Les chercheurs poursuivent leurs recherches dans ce sens, en continuant cette collaboration fructueuse avec l’équipe du professeur Fan, de l'Université de Stanford, USA.  

Décidément, on n’a pas fini de twister à l’UNamur ! 

L'équipe belge

• Professeur Michael Lobet (UNamur, Harvard University)
• Professeur Alexandre Mayer (UNamur)
• Dr Nicolas Roy (UNamur)

L'équipe américaine

• Professeur Shanhui Fan (Université de Stanford)
• Dr Beicheng Lou

Les chercheurs remercient l’UNamur, et plus spécifiquement le Département de physique et l’Institut NISM pour avoir financé le voyage de Nicolas Roy, l’Institut naXys pour son soutien dans ce projet,  la plateforme technologique PTCI, dont les supercalculateurs ont rendu cette étude possible ainsi que le FNRS pour le financement des mandats de recherche de Michaël Lobet et Alexandre Mayer.

• Michaël Lobet, le physicien de l’invisible qui fait twister la lumière 
• Sur les traces d’Einstein : anciennes théories, nouvelles perspectives
• Publication sur l’observation de la lumière dans Nature Communications

L’étude sur les systèmes complexes publiée dans Physical Reviews Letters soutient une tendance croissante qui se concentre davantage sur l'analyse du comportement collectif d'un système plutôt que sur la découverte des mécanismes d'interaction sous-jacents.

Lorsqu'on observe une volée d'étourneaux tourbillonnant dans le ciel en parfaite coordination - un phénomène connu sous le nom de murmuration - on assiste à l'interaction élégante d'actions individuelles créant un comportement collectif. En essayant de comprendre ces motifs fascinants, les chercheurs peuvent isoler des règles simples basées sur le champ de vision d'un oiseau individuel et la distance qui le sépare de ses voisins, mais il faut toujours se demander si le modèle capture réellement les processus à l'origine des interactions entre les oiseaux (Fig. 1). 

Il s'agit d'un problème général dans la recherche sur les systèmes complexes, qui revient à distinguer les mécanismes (les règles régissant les interactions) des comportements (les modèles observables qui émergent).

Les réseaux représentatifs d'individus en interaction, ou nœuds, constituent un bon moyen d'étudier les mécanismes par rapport aux comportements. Jusqu’à présent, les chercheurs se sont concentrés sur les interactions par paire, mais de nombreux systèmes comprennent également des interactions d'ordre supérieur entre plusieurs nœuds. L'impact de ces mécanismes d'ordre supérieur sur les comportements n'a pas été clairement établi. Thomas Robiglio, de l'Université d'Europe centrale de Vienne, et ses collègues, dont Maxime Lucas (CR FNRS – UNamur) ont abordé cette question.  Ils ont considéré des réseaux avec des interactions d'ordre supérieur et évalué les comportements qui en résultent en termes de dépendances statistiques entre les valeurs des nœuds. 

Les chercheurs ont identifié des signatures comportementales d'ordre supérieur qui, contrairement à leurs équivalents par paire, révèlent la présence de mécanismes d'ordre supérieur. Leurs conclusions ouvrent de nouvelles voies pour distinguer les mécanismes et les comportements lors de l'étude de systèmes complexes - une distinction qui est cruciale pour l’étude de l'inférence dans la science des réseaux, les neurosciences, les sciences sociales et au-delà.

Cette étude fait aussi l’objet d’un article "Featured in Physics" et "Editor's suggestion", et d'un article « commentaire » à la demande du journal, disponible sur leur site internet en anglais en version intégrale.