Diffraction électronique pour la cristallographie structurale

ЯÉCIPROCS - le RÉseau des Chercheurs et ITA Professionels de la Cristallographie Structurale - a organisé grâce au soutien de la MITI (Mission pour les Initiatives Transverses et Interdisciplinaires), au financement du service formation du CNRS (SFIP) et aux mécénats des entreprises Rigaku, Dectris et Eldico (qui a permis, entre autre, les évènements sociaux et festifs indispensables à la création de liens au sein du réseau), une école portant sur la diffraction électronique pour la cristallographie structurale.

La diffraction électronique est une technique en plein essor depuis quelques années et même si elle est moins connue que la diffraction des rayons X ou des neutrons, cette ANF a attiré pas moins d’une cinquantaine de cristallographes et/ou microscopistes.

Dans une ambiance conviviale et propice aux échanges riches et variés, les neufs formateurs ont réussi le pari de présenter les multiples possibilités offertes par les dernières évolutions de cette nouvelle approche de la diffraction électronique (3D-ED). Les différents cours, tutoriaux et présentations ont contribué à enrichir les savoirs et ont permis le développement de nouvelles compétences chez les participants, anciens et nouveaux membres du réseau.

Cette dernière édition fut également, pour les membres présents, l’occasion de se réjouir de l’intégration du réseau ЯÉCIPROCS dans la plateforme des réseaux de la MITI du CNRS, de façon pérenne, après une année d’incubation.

Enfin pour la première fois les présentations ont été filmées, grâce au prêt de matériel audiovisuel par la MITI et l'investissement et les compétences d’un membre du réseau, Yoann Rousselin, avec pour but d'en diffuser l'essentiel sur la plateforme audiovisuelle Canal-U de l'enseignement supérieur et de la recherche.

Maria Teresa Caldès (IMN, Nantes) a inauguré cette session en nous présentant « Qu'est-ce qu'un TEM ? ». Chimiste du solide, M. Caldès a une grande expérience en analyse des matériaux et nous a offert un cours éminemment pédagogique et didactique, riche en illustrations, sur les aspects à la fois fondamentaux et instrumentaux de la microcopie électronique, et plus particulièrement de la microscopie électronique à transmission TEM et STEM.

Damien Jacob (UMET, Lille) (en distanciel) a ensuite expliqué à l’assistance quelles étaient les « spécificités de la diffraction électronique ». Interaction électrons/matière, trajet des faisceaux, propriétés du faisceau électronique, géométrie de la diffraction électronique, etc… sont autant de notions abordées d’une manière claire et limpide par ce brillant professeur des Universités. Tous les participants ont à l’issue de ce cours bénéficié d’une meilleure compréhension des effets statiques et dynamiques visualisés en diffraction électronique, et de la complémentarité avec la diffraction des rayons X

Philippe Boullay (CRISMAT, Caen) a passé en revue, fort de sa grande expertise et avec beaucoup d’humour, les différentes « Méthodes 3D-ED » : 4D-STEM, EDT/ADT, PEDT, cRED n’ont plus de secret pour les participants ! Ce fut également pour P. Boullay l’occasion de nous donner un point de vue incisif quant à la comparaison « diffraction des électrons vs diffraction des rayons X sur mono-cristaux ». Enfin lors de ce cours, il nous a présenté le logiciel PETS qu’il utilise dans le cadre de ses recherches pour extraire les intensités d’une série de clichés de diffraction, et qui a fait l’objet d’un TP le jour suivant intitulé « Intégration des données "structures petites mailles" ».

Stéphanie Kodjikian (Institut Néel, Grenoble) en duo avec François Hoh (CBS, Montpellier) nous ont présenté respectivement la « préparation des échantillons » et le « montage cryo-EM ». Nous avons pu constater la diversité des techniques de préparation existantes, inhérente à la grande variété des matériaux étudiés et ce à travers les spécificités de chaque type d’échantillon (poudre, échantillon massif, organiques, inorganiques, MOFs…). Cela nécessite un grand savoir-faire et parfois beaucoup d’imagination pour ne pas modifier les échantillons lors de cette étape cruciale qu’est la réalisation de coupes transparentes aux électrons et la préparation des grilles. S. Kodjikian a conclu la présentation en précisant : « C’est de la qualité des préparations que dépend la qualité des données ! » (sic).

Le programme de cette première journée bien dense s’est terminé par une présentation d’Eldico et de son diffractomètre électronique par Eric Hovestreydt. S’en est suivi un échange questions/réponses avec l’assistance sur les caractéristiques de l’appareil et les avantages/inconvénients apportés par les solutions techniques et informatiques choisies par le constructeur.

La journée de mercredi a démarré avec l'intervention de notre collègue biologiste, François Hoh, qui a réussi à emmener les Réciprociens 'historiques' loin de leur zone de confort en parlant des macromolécules biologiques. Après une introduction pour néophytes sur la cristallogenèse de ces objets et leurs particularités il s'est attardé sur le traitement des données de diffraction en microED avec une démonstration du logiciel DIALS.

Pour l'intervention suivante, Philippe Boullay a également proposé une démonstration sur l'intégration des données issues des mesures de 3D ED mais pour les petites molécules grâce au logiciel PETS2. Ce logiciel permet d’obtenir un fichier cif (contenant hkl et intensités) pour l’analyse cinématique, et un autre pour le cas dynamique. Il a notamment mis l'accent sur la nécessité de déterminer correctement l'angle de tilt et de veiller à la bonne calibration du microscope utilisé.

Après une pause déjeuner bien méritée, l'après-midi a été consacrée à la traditionnelle activité sociale avec deux propositions de randonnée, selon les centres d'intérêts ou tout simplement en fonction de la forme physique de chacun. Ainsi les plus courageux ont opté pour une randonnée dans le parc national de la Vanoise accompagnés de guides de montagne, les autres optant pour une balade historique sur la barrière de l'Esseillon.

En fin de journée c'est Mathias Meyer, de la société Rigaku, qui a présenté le nouveau diffractomètre électronique intégré Synergy-ED (réalisé en collaboration avec la société Jeol), ainsi que l'implémentation de la partie acquisition et traitement des données ED dans le logiciel CrysalisPro. De nombreux échanges ont ensuite eu lieu sur les aspects techniques et logiciels. Cet appareil permet la résolution structurale d’échantillons dont la taille est comprise entre 100 et 500 nm, mais Mathias Meyer a conclu sa présentation en nous invitant à envoyer nos échantillons à Francfort pour réaliser des essais !

La journée s'est achevée avec l'assemblée générale (AG) de ЯÉCIPROCS et le dîner de gala. Au cours de cette AG un bilan non exhaustif des actions du réseau au cours de la dernière année a été présenté par Christian Philouze (DCM, Grenoble) et Olivier Pérez (CRISMAT, Caen), ainsi qu'un rappel de l'intégration officielle et toute récente du réseau ЯÉCIPROCS dans la MITI. Le CoPIL (comité de pilotage) de ЯÉCIPROCS et ses groupes de travail ont également été présentés, principalement au travers des premières actions effectuées depuis leur mise en place et de la présentation de quelques projets à venir. Enfin les représentants du CoPIL ont tenu à rappeler que tous les Réciprociens peuvent faire remonter leurs propositions sur des besoins de formation, via les AGs, les questionnaires de satisfaction de fin de formation ou directement auprès des représentants des groupes de travail.

Le jeudi débuta par une démonstration live réalisée à distance par la société Eldico. Eric Hovestreydt, Johannes Meskelbach et Christian Jandl se sont coordonnés pour nous montrer toutes les étapes afin de réaliser l’analyse d’une zéolithe par diffraction électronique : d’abord la mesure avec la mise en place de l’échantillon, la sélection d’un cristal, son centrage (et les corrections de position selon le tilt), la visualisation rapide des clichés, puis enfin le traitement des données à l’aide du logiciel APEX.

Mathias Meyer et Robert Bücker ont ensuite également réalisé une démonstration en distanciel sur l’appareil xtaLAB Synergy-ED de Rigaku-Jeol : la préparation des grilles, le transfert dans l’appareil et l’acquisition des données ont été illustrés et discutés.

Ensuite Lukas Palatinus (Institut of Physics, Prague) a introduit l’affinement de structure à partir de données de diffraction électronique, et plus particulièrement les affinements dynamiques. Il a commencé par un rappel sur les bases de l’affinement de structure et les erreurs pouvant être commises. L’affinement cinématique est toujours la première étape et s’avère souvent suffisante. Pour éviter ou réduire les effets dynamiques il faut par exemple : ne pas faire de mesures selon un axe de zone, utiliser une tension d’accélération élevée ou encore avoir des cristaux fins. Mais si la qualité des données le permet, l’affinement dynamique donnera un résultat bien plus précis, ce qu’a illustré Lukas Palatinus notamment par le cas de désordre pour les atomes d’hydrogène dans de la Kaatialaite Fe[AsO₂(OH)₂]5H₂O.

L’après-midi a été inauguré par la présentation « Microscopie électronique et radioprotection » de Pierre-Emmanuel Petit (IMN, Nantes). En effet depuis 2018, les microscopes électroniques sont concernés par la réglementation, car ils émettent des rayons X, même si ce n’est pas la finalité recherchée pour ces équipements. Mais les procédures dépendent de la tension et des débits de dose mesurés, et tous les aspects réglementaires ont été très clairement exposés par Pierre-Emmanuel Petit, qui a même réussi à y glisser un peu de légèreté.

Arie van der Lee (IEM, Montpellier) a ensuite proposé un tutorial intitulé « structures petites mailles » afin de bien prendre en main le logiciel Jana2020, de faire de la résolution structurale par Superflip (car le traitement des données en diffraction électronique diffère de celui pour les rayons X) puis de l’affinement cinématique, à travers le cas du paracétamol.

Puis François Hoh a conclu les interventions de la journée avec une démonstration sur l’approche « macromolécules ». Il nous a montré en introduction différentes méthodes de résolution puis il a réalisé la démonstration de différents logiciels : la résolution par remplacement moléculaire avec Phaser-MR (Phenix) et avec Dynarama qui permet notamment une visualisation du diagramme de Ramachandran qui permet de valider ou non le modèle de la protéine.

La délicieuse fondue savoyarde qui nous attendait ensuite a fait de nombreux heureux ce soir-là !

La dernière demi-journée, vendredi matin, a été consacrée à une partie pratique dédiée aux affinements dynamiques sur des jeux de données issues de la diffraction électronique. Après une partie présentation/démonstration proposée par Lukas Palatinus les participants ont été invités à utiliser Jana2020 (après quelques rappels préalables par Olivier Pérez sur l'utilisation de ce logiciel) et à effectuer par eux-mêmes les calculs d'affinement, sur quelques exemples de structures organiques et inorganiques. Le TP sur l'alanine a notamment permis de mettre en avant tout l'intérêt de la diffraction électronique pour la détermination des structures absolues.

Cette ANF s'est achevée en fin de matinée avec le départ de la navette pour la gare de Modane et certainement un petit pincement au cœur pour tous les participants qui ont unanimement apprécié la qualité du programme concocté par le comité d'organisation, la qualité et la disponibilité des formateurs et l'ambiance très conviviale si caractéristique des formations ЯÉCIPROCS. Nul doute que de nouvelles idées de manips et de collaborations auront émergé de ces journées d'échange très riches, et à bientôt pour de nouvelles rencontres au sein du réseau !