Pour développer de nouveaux matériaux ou les améliorer, les chercheurs utilisent la plupart du temps des rayons X très puissants émis par un synchrotron. Toutefois, cette tâche peut réellement être fastidieuse, car très lente dans son exécution. Des chercheurs de l’Université de Hong Kong et du SLAC National Accelerator Laboratory en Californie ont découvert que ce processus pouvait être amélioré grâce à du… papier de verre ! En effet, celui-ci aiderait grandement la résolution chimique de l’imagerie et permettrait de mieux visualiser et caractériser les composants chimiques d’un matériau en s’aidant également de l’IA.
Le papier de verre : l’allié inattendu pour les rayons X
Conscient des limites de la méthode classique des rayons X, Le Dr Jizhou Li, ingénieur à l’Université de Hong Kong, explique : “actuellement, l’objectif principal est en réalité de surmonter les limites de l’approche traditionnelle d’imagerie chimique“.
Afin de s’atteler au problème, l’équipe de recherche a simplement introduit un morceau de papier de verre dans le faisceau de rayons X. Ceci a perturbé le schéma d’éclairage projeté sur le matériau analysé.
Une fois que les rayons X ont traversé l’échantillon, un modèle d’apprentissage automatique (nous y reviendrons ensuite) prend la relève et utilise le schéma perturbé par l’introduction du papier de verre et l’image qui en résulte pour reconstruire la structure chimique de l’échantillon. Grâce à cette méthode, les chercheurs obtiennent un résultat d’analyse beaucoup plus rapidement.
L’information est de ce fait fournie instantanément, ce qui élimine la nécessité de balayer l’échantillon plusieurs fois. Ce n’est pas de la magie, mais on s’en approche !
L’approche à deux volets de l’imagerie par rayons X
L’imagerie par rayons X comporte deux volets principaux :
- Capture d’une image en deux dimensions : dans cette première étape, une image en deux dimensions est enregistrée à l’aide d’un détecteur spécialisé baptisé dispositif à transfert de charges. Cette image montre comment les rayons X sont soit absorbés, soit diffusés au cœur de l’échantillon. Un procédé qui permet ensuite de visualiser sa structure interne.
- Mesure de la fluorescence : un second détecteur est utilisé afin de mesurer les rayons X secondaires (appelés fluorescence) émis lorsque certains atomes sont excités par le faisceau. Cette étape permet d’identifier la composition chimique de l’échantillon.
Voici la méthode couramment utilisée, mais l’étape de la collecte de la fluorescence peut être poussive car elle ne comporte qu’une seule dimension. Le passage à une structure chimique en deux dimensions est alors plus difficile.
Le papier de verre transforme ainsi le faisceau en une zone de flou, où l’information chimique est répartie sur une plus grande surface en une seule exposition. D’où la plus grande facilité à obtenir ensuite une image en 2D par rapport à la méthode traditionnelle.
L’intelligence artificielle au service de l’imagerie chimique
Autre pilier sur lequel repose cette technique novatrice : l’IA. Les chercheurs alimentent un immense réseau neuronal avec trois éléments différents :
- L’image 2D de l’échantillon analysé.
- Le signal mesurant l’intensité de la fluorescence en 1D.
- Le schéma perturbé par le papier de verre.
Le réseau neuronal est ensuite capable d’utiliser ces données et de les combiner afin d’estimer la composition chimique de l’échantillon. Les chercheurs comparent ce processus à celui qui permet d’améliorer les visages trop flous sur une photo de groupe.
En variant le type de papier de verre, les chercheurs peuvent même créer différentes configurations d’illuminations et obtenir des images variées d’un seul échantillon.
Coupler l’IA et le papier de verre pour améliorer l’imagerie par rayons X ouvre un réel boulevard à des avancées dans de nombreux domaines, notamment l’imagerie médicale et la science des matériaux. Cette technique offre des résultats plus rapides et plus précis. Comme quoi, il ne faut jamais négliger les plus vieilles inventions, elles peuvent toujours recéler des surprises !
- En introduisant du papier de verre dans un faisceau de rayons X, des chercheurs ont découvert que le procédé d’analyse était plus rapide.
- L’approche traditionnelle en deux volets de l’imagerie par rayons X est grandement améliorée.
- leur technique repose également sur l’utilisation de l’IA, qui recompose la structure chimique de l’échantillon.
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