Virginie ChamardDécrypter l’organisation des cristaux
Directrice de recherche CNRS à l'Institut Fresnel1
Spécialiste de l’imagerie aux rayons X, Virginie Chamard développe des méthodes pour sonder la matière à l’échelle nanométrique. À l’Institut Fresnel, à Marseille, où elle est directrice de recherche au CNRS, elle a développé « la ptychographie de Bragg », une méthode d’imagerie par diffraction permettant l’étude de cristaux complexes. En combinant maîtrise expérimentale et traitement algorithmique, elle parvient à observer leur organisation et leurs déformations avec une précision inédite.
Elle s’intéresse notamment aux biominéraux – coquilles, coraux ou micro-organismes calcifiants – et cherche à comprendre comment ces structures se forment et s’assemblent. En dialoguant avec physiciennes et physiciens, chimistes et biologistes, elle explore la manière dont le vivant élabore des structures complexes aux propriétés optimisées. Ses travaux ouvrent des perspectives notamment en biomimétisme, pour concevoir des matériaux inspirés de ces architectures naturelles.
« J’ai trouvé ça extraordinaire, ça a changé ma vie. » Virginie Chamard a découvert le synchrotron de Grenoble (ESRF - European Synchrotron Radiation Facility) à la fin de sa thèse, et son enthousiasme n’a pas faibli depuis. Face à ces sources intenses de rayons X, la physicienne entrevoit d’emblée un nouveau terrain de jeu : sonder la matière à l’échelle de la dizaine de nanomètres, où des structures d’une grande finesse se dévoilent. Elle choisit de s’engager dans cette voie, à une époque où ces approches restent encore largement à inventer.
- 1Aix-Marseille Université/Centrale Méditerranée/CNRS
Son domaine au sens large est l’imagerie par diffraction. Le principe consiste à éclairer un matériau et à analyser la manière dont le faisceau est dispersé pour en reconstruire l’organisation interne. Mais une difficulté majeure se pose : « une partie de l’information échappe à la mesure et doit être reconstruite par le calcul ». Virginie Chamard conjugue donc expérimentation et algorithmique pour parvenir à ses fins.
La physicienne s’attaque à un cas particulier longtemps hors de portée : les échantillons à la fois étendus et très déformés. Elle développe ainsi la ptychographie de Bragg, une technique d’imagerie par diffraction de rayons X cohérents. Pour cela elle met au point des expériences sur synchrotron capables de balayer un cristal point par point, tout en développant des algorithmes qui reconstruisent, à partir des figures de diffraction, une image détaillée de son organisation interne. Elle parvient ainsi à observer ces objets avec une précision inédite, en 3D.
des unités cristallines composant une coquille d’huitre perlière. En 3D, reconstruction par ptychographie de Bragg de domaines cristallins iso-orientés présents dans l’unité cristalline et mises en évidence de leurs variations. © Virginie Chamard
Ses méthodes s’appliquent notamment à l’étude des biominéraux – coquilles, coraux ou micro-organismes calcifiants. Contrairement aux cristaux synthétiques, leur formation suit des chemins complexes, passant par des états transitoires inattendus. « La nature passe par des phases extrêmement complexes, parfois amorphes, avant d’arriver au produit final », s’étonne la chercheuse. À l’échelle nanométrique, elle tente ainsi de comprendre comment ces unités cristallines s’organisent et s’assemblent, quels mécanismes gouvernent leur croissance.
Cela ouvre sur des perspectives allant du biomimétisme – reproduire ces mécanismes pour concevoir de nouveaux matériaux – à la compréhension de la manière dont le vivant fabrique, à partir de conditions environnementales douces, des structures d’une grande complexité.
Sa méthode de microscopie X est désormais déployée dans plusieurs synchrotrons au service de diverses communautés.