ALTAïS – Pénétrer dans les profondeurs de la matière pour répondre aux enjeux actuels

Cet article a été réalisé pour la rubrique "Euréka" du magazine Omalius #36 de mars 2025.

Capable de générer des faisceaux d'ions constitués de n’importe quel élément stable avec des énergies allant jusqu'à 16 Mega electron-Volt (MeV), l’accélérateur de particules permet l'analyse (IBA) et la modification (IBMM) de couches minces de nombreux matériaux. Stimulé par le besoin critique de nouveaux matériaux fonctionnels, le développement de ces techniques s’est accéléré au 21e siècle.  Elles sont essentielles dans de nombreux domaines de recherche fondamentale et sont également utilisées en recherche appliquée, au travers de partenariats industriels.

Le rôle de Tijani Tabarrant est essentiel pour garantir le bon fonctionnement de cet équipement complexe. Il est responsable de sa maintenance afin d'assurer une continuité dans les recherches. En parallèle, il contribue de manière significative aux recherches en concevant et en développant diverses chambres à vide, qui sont cruciales pour nos expériences.  Pour mener à bien ces projets, il collabore étroitement avec l'atelier mécanique, dont l'expertise et les ressources sont indispensables. 

La force de l’IBMM (Ion Beam Modification of Materials) est de pouvoir modifier les propriétés électroniques, optiques, mécaniques ou magnétiques de divers matériaux de façon contrôlée. C’est ce qu’on appelle « fonctionnaliser les matériaux ».

L’IBA (Ion Beam Analysis) est une famille de techniques d’analyse non-invasives et très versatiles qui permet d’étudier la composition chimique des matériaux. Elle joue un rôle prépondérant, depuis des décennies en astrophysique nucléaire, science des matériaux, sciences du vivant ou encore sciences du patrimoine et archéologie.

En microélectronique, l'implantation ionique, indispensable pour le dopage des semi-conducteurs, est une étape clé dans la fabrication des puces électroniques. L’IBA permet d’analyser la présence de ces dopants, mais aussi celle de l'hydrogène, un élément pouvant influencer la durée de vie des composants électroniques.

En ce qui concerne l’énergie nucléaire, les irradiations par faisceaux d’ions permettent de simuler les effets des dégâts radiatifs sur les matériaux utilisés pour l’enrobage du combustible nucléaire ou le stockage des déchets radioactifs. On évalue ainsi leur durabilité sur le long terme.

Dans le domaine de l’aérospatial, les irradiations par faisceau d’ions permettent de tester la résistance des matériaux spatiaux face aux rayonnements cosmiques, améliorant la conception des satellites et des engins spatiaux.

Pour la production et stockage de l’hydrogène, l’IBA aide à concevoir des revêtements anti-diffusion. En effet, l’hydrogène est un tout petit atome qui diffuse facilement à travers les matériaux.  Le stockage de l’hydrogène est un enjeu clé pour la transition énergétique.

Dans la vie quotidienne, les écrans de téléphones, les pare-brise ou encore les fenêtres bénéficient de traitements de surface permettant de moduler leur opacité, mais aussi leurs propriétés anti-rayure, anti-reflet ou anti-salissure. Ces effets sont obtenus grâce à la synthèse et l’optimisation de couches minces de surface, en collaboration avec l’industrie du verre. L’IBA permet la caractérisation de ces couches minces, ce qui apporte une aide au développement de nouvelles fonctionnalités.

Une des stations terminales d’ALTAïS est dédiée à l’étude de la réponse des cellules aux radiations (protons, hélium, carbone). 

Ainsi, les chercheurs peuvent procéder à des études sur :

• la génération de cellules cancéreuses radiorésistantes et l’élaboration de stratégies pour les re-sensibiliser, 
• l’implication de la mitochondrie dans la résistance à la radiothérapie ; 
• l’influence de la composition des lipides membranaires sur la réponse au traitement par radiothérapie

Ils étudient l’effet FLASH - irradiation à très haut débit de dose - sur un ver C. elegans. L’effet FLASH permet de conserver le contrôle tumoral mais aussi d’épargner les tissus sains, ce qui est d’une importance capitale dans le traitement des tumeurs.

Ils effectuent également des reprogrammations de cellules du système immunitaire avec des nanoparticules d’or et le rayonnement ionisant (RX ou protons).

Au Département de physique de l’UNamur, le professeur Guy Demortier, fut l’un des pionniers dans l’utilisation des IBA pour la caractérisation d’objets anciens ou de fossiles. Ces analyses contribuent à déterminer les méthodes de fabrication et la provenance des matériaux utilisés pour la confection des artefacts historiques, comme c’est le cas au laboratoire AGLAE, installé dans le musée du Louvre, qui effectue ce genre d’analyses quotidiennement.  L’analyse de la coloration d’objets géologiques naturels (par exemple, des spéléothèmes) apporte également son lot d’informations quant à l’évolution du climat et de l’environnement d’une zone géologique particulière.  

Avec l’arrivée récente du Professeur Julien Colaux, un nouvel élan a été pris et s’inscrit dans une perspective plus large. 

L’accélérateur ALTAïS fait partie des équipements de pointe de la plateforme technologique SIAM (Synthèse, Irradiation et Analyse des Matériaux).  

Les chercheurs des Instituts NISM, NARILIS et ILEE l’utilisent quotidiennement pour repousser les limites de l’inconnu. Le Département accueille également des activités de travaux pratiques d’étudiants en physique et biologie. 

Fortes de leur longue expérience dans les (nano)matériaux fonctionnels, la microélectronique, le photovoltaïque, les batteries, les sciences de la vie et les sciences du patrimoine, les équipes pluridisciplinaires de chercheurs sont des acteurs clé dans la compréhension de la matière au sens fondamental, des interactions physiques à l’échelle atomique et dans le développement de nouvelles technologies appliquées aux enjeux mondiaux actuels.