Une biographie de Manfred von Ardenne, l’inventeur du microscope électronique à balayage
Présentation de la microscopie électronique
Manfred Von Ardenne, pionnier scientifique allemand
Histoire : Manfred von Ardenne (1907-1997)
Une biographie de Manfred von Ardenne, l’inventeur du microscope électronique à balayage
Le physicien et inventeur allemand Manfred von Ardenne est probablement mieux connu pour son implication dans le projet de bombe atomique en Union soviétique. Cependant, il a également joué un rôle important dans la microscopie électronique et est entré dans l’histoire en tant qu’inventeur du microscope électronique à balayage. Après Ernst Ruska qui a développé le premier microscope électronique, Manfred von Ardenne est l’une des figures les plus importantes dans le domaine de la microscopie électronique, bien que son invention ne soit devenue apte à une utilisation pratique que lorsque son instrument a été développé par le physicien et ingénieur électronique britannique Sir Charles. Oatley au milieu des années 1960.
Manfred von Ardenne est né en 1907 à Hambourg dans une famille aisée. Déjà enfant, von Ardenne s’intéressait à tout ce qui concernait la technologie et bénéficiait du soutien de ses parents. En 1919, il poursuit ses études au Realgymnasium de Berlin, tandis que son intérêt pour la technologie et la physique se transforme en une recherche scientifique sérieuse. En 1923 – à l’âge de 15 ans, il obtient son premier brevet pour un tube électrique pour la télégraphie sans fil. La même année, il quitte l’école pour aider Siegmund Loewe dans l’ingénierie radio. En utilisant le même tube électronique à système multiple breveté par von Ardenne en 1923, Loewe a construit un récepteur radio bon marché (Loewe OE333). Avec les revenus de la vente de brevets et des publications.
À l’âge de 21 ans, von Ardenne a obtenu un contrôle total de son héritage. Il a bien sûr créé son propre laboratoire de recherche à Berlin où il a poursuivi ses recherches dans le domaine de la technologie de la radio et de la télévision. Cependant, il s’intéresse également à la microscopie électronique et construit le premier microscope électronique à balayage au monde en 1937. À la fin de la Seconde Guerre mondiale, il conclut un pacte avec Gustav Hertz, Peter Adolf Thiessen et Max Volmer. Selon ce pacte, celui des quatre scientifiques qui entrerait en contact avec les Soviétiques parlerait au nom des quatre. Ainsi, les quatre scientifiques ont été emmenés en Union soviétique après la fin de la guerre.
Von Ardenne est resté en Union soviétique jusqu’en 1954 et a aidé les Soviétiques dans leur projet de bombe atomique. Pendant ce temps, cependant, il a également travaillé en microscopie électronique et a développé un microscope électronique de table. Après son retour en Allemagne (de l’Est), il est devenu professeur à l’Université de technologie de Dresde, mais il a également fondé un institut de recherche « Forshungsinstitute Manfred von Ardenne » et a poursuivi ses recherches dans un certain nombre de domaines. Au moment de sa mort en 1997, il détenait environ 600 brevets dans les domaines de la microscopie électronique, de la technologie de la radio et de la télévision, de la technologie nucléaire, de la physique des plasmas et de la technologie médicale, et a reçu de nombreuses récompenses pour son travail. Les plus notables sont le (double) prix Staline, le (double) prix national de l’Allemagne de l’Est et l’Ordre de Lénine.
Présentation de la microscopie électronique
(1). Histoire ancienne de la microscopie électronique : 1931 à 1960
L’invention du microscope électronique par Max Knoll et Ernst Ruska à la Technische Hochschule de Berlin en 1931 a finalement surmonté la barrière à une résolution plus élevée qui avait été imposée par les limitations de la lumière visible. Depuis lors, la résolution a défini les progrès de la technologie. Le but ultime était la résolution atomique – la capacité de voir les atomes – mais cela devrait être abordé progressivement au cours des décennies. Les premiers microscopes n’ont fait que prouver le concept : les faisceaux d’électrons pouvaient, en effet, être apprivoisés pour fournir des images visibles de la matière. À la fin des années 1930, des microscopes électroniques avec des résolutions théoriques de 10 nm étaient conçus et produits, et en 1944, cela a été encore réduit à 2 nm. (La résolution théorique d’un microscope à lumière optique est de 200 nm. ) Les augmentations de la tension d’accélération du faisceau d’électrons expliquent en grande partie l’amélioration de la résolution. Mais la tension n’était pas tout. Les améliorations de la technologie des lentilles électroniques ont minimisé les aberrations et fourni une image plus claire, ce qui a également contribué à améliorer la résolution, tout comme de meilleurs systèmes de vide et des canons à électrons plus brillants. L’augmentation de la résolution des microscopes électroniques a donc été une force motrice tout au long du développement de l’instrument. Les progrès réalisés sont discutés plus en détail dans le compte rendu décennie par décennie des développements et dans les feuilles de calcul basées sur les entreprises qui accompagnent cet article d’introduction. tout comme de meilleurs systèmes de vide et des canons à électrons plus brillants. L’augmentation de la résolution des microscopes électroniques a donc été une force motrice tout au long du développement de l’instrument. Les progrès réalisés sont discutés plus en détail dans le compte rendu décennie par décennie des développements et dans les feuilles de calcul basées sur les entreprises qui accompagnent cet article d’introduction. tout comme de meilleurs systèmes de vide et des canons à électrons plus brillants. L’augmentation de la résolution des microscopes électroniques a donc été une force motrice tout au long du développement de l’instrument. Les progrès réalisés sont discutés plus en détail dans le compte rendu décennie par décennie des développements et dans les feuilles de calcul basées sur les entreprises qui accompagnent cet article d’introduction.
Bien sûr, une fois que le microscope électronique est devenu un instrument commercial, des facteurs économiques ont également figuré dans son chemin de développement, comme en témoignent les déclinaisons proposées par un fabricant à un moment donné. L’offre de résolution la plus élevée (avec son prix élevé) serait proposée à côté d’un instrument de résolution inférieure pour les chercheurs qui n’avaient pas besoin de la résolution ultime pour leurs études, ou qui ne pouvaient peut-être pas se le permettre. Des instruments avancés nécessitant des techniciens hautement qualifiés pour les faire fonctionner ont été proposés à côté de versions plus simples qui pouvaient produire des résultats après seulement quelques heures de formation. Ainsi, une deuxième force motrice était les besoins du scientifique et du microscopiste. Alors que les ingénieurs pourraient être poussés à atteindre les résolutions les plus élevées possibles en tant qu’exploit technologique
Avec Knoll et Ruska en tête, d’autres chercheurs se sont rapidement joints à l’effort de développement. À Bruxelles, Ladislaus L. Marton a fabriqué un microscope électronique primitif pour étudier l’effet photoélectrique et a ensuite produit la première micrographie d’un spécimen biologique. Manfred Von Ardenne à Berlin a produit le premier microscope électronique à transmission à balayage en 1937. À l’Université de Toronto au Canada, Cecil Hall, James Hillier et Albert Prebus, travaillant sous la direction d’Eli Burton, ont produit un microscope électronique avancé de modèle de Toronto de 1938. qui deviendra plus tard la base du modèle B de Radio Corporation of America, le premier microscope électronique commercial en Amérique du Nord. Ruska de Siemens en Allemagne a produit le premier microscope électronique commercial au monde en 1938.
Les projections initiales selon lesquelles une poignée de microscopes électroniques satureraient le marché mondial se sont révélées extrêmement pessimistes et de nombreuses entreprises sont entrées dans la mêlée. RCA était de loin le leader en Amérique du Nord, avec sa technologie de lentille électromagnétique, son expertise technologique et son soutien d’entreprise au développement du microscope électronique. General Electric a tenté un temps de concurrencer sa gamme de microscopes électroniques électrostatiques. Metropolitan Vickers en Angleterre (plus tard Associated Electrical Industries) a produit l’EM1 inventé par le professeur LC Martin à l’Université impériale dès 1936. Philips, Siemens et Carl Zeiss ont chacun essayé de s’emparer d’une part du marché européen. À partir de 1939, des scientifiques japonais se sont réunis pour décider de la meilleure façon de construire un microscope électronique. Ce groupe a évolué pour devenir le Japan Electron Optics Laboratory (JEOL) qui finira par produire plus de modèles et de variétés de microscopes électroniques que toute autre entreprise. Hitachi et Toshiba au Japon ont également joué un rôle majeur dans le processus de développement initial.
Les premiers progrès de la science des matériaux dans les années 1940 se limitaient principalement à l’étude de petites particules, telles que le noir de carbone qui donnait mystérieusement de la force aux pneus automobiles, et les pigments utilisés pour colorer les peintures et les cosmétiques. Leur petite taille a permis d’analyser leurs contours au microscope électronique à transmission (TEM) et de déterminer leur taille, leur forme et leur nombre, mais pas de révéler leur structure interne. Dans les années 1950, l’analyse microscopique des feuilles minces (décrite pour la première fois par Heidenreich en 1949) dominait la recherche. Les études des défauts cristallins tels que les défauts d’empilement et les dislocations dans ces films minces étaient populaires, ainsi que les études des changements de phase dans les échantillons soumis à une série de régimes de température.
Les années 1940 et 1950 ont été des décennies d’améliorations progressives de l’instrumentation et de la technique, la résolution s’améliorant à mesure que les alimentations et les lentilles devenaient plus stables et que les canons à électrons plus brillants produisaient des électrons à plus haute énergie pour sonder les échantillons. Les chercheurs ont appris à préparer des échantillons de différents types et à interpréter les micrographies obtenues. En biologie, les microtomes à lame de couteau améliorés produisaient des tranches d’échantillon de plus en plus fines qui ne seraient pas endommagées par le faisceau d’électrons; en science des matériaux, l’invention de la technique de réplique par Mahl en 1941 a fourni de fines impressions de la surface d’un échantillon en vrac qui pourraient ensuite être analysées dans un TEM.
(2). Histoire récente de la microscopie électronique : 1960-2000
Les années 1960 aux années 1990 ont produit de nombreux instruments et tendances innovants. L’introduction des premiers microscopes électroniques à balayage commerciaux (SEM) en 1965 a ouvert un nouveau monde d’analyse pour les scientifiques des matériaux. Les instruments TEM à ultra-haute tension (jusqu’à 3 MeV au CEMES-LOE/CNRS à Toulouse, France, et à Hitachi à Tokyo, Japon), dans les années 1960 et 1970 ont donné aux électrons une énergie plus élevée pour pénétrer plus profondément dans des échantillons épais. L’évolution et l’incorporation d’autres détecteurs (microsondes électroniques, spectroscopie de perte d’énergie électronique (EELS), etc.) ont fait du SEM un véritable microscope électronique analytique (AEM) à partir des années 1970. 
D’autres tendances concernaient la simplification pour l’utilisation d’opérateurs non qualifiés et le développement d’instruments spécialisés pour les sciences biologiques ou physiques. Des microscopes électroniques spécifiquement destinés à être utilisés dans l’industrie des circuits intégrés (CI) ont été développés dans les années 70 et 80 en réponse à cette industrie en plein essor. La technologie informatique pour le contrôle automatisé des microscopes électroniques et pour l’analyse des micrographies résultantes a également ajouté aux possibilités de la technologie, en particulier avec la miniaturisation des ordinateurs dans les années 1980.
Manfred Von Ardenne (1907-1997)
Garçon génie qui a obtenu son premier brevet à 15 ans, le baron Manfred von Ardenne a quitté l’école pour développer ses idées en œuvres génératrices d’argent. Bien qu’il ait étudié brièvement à l’Université de Berlin, il était en grande partie autodidacte et il a utilisé sa fortune familiale pour construire un laboratoire indépendant dans la banlieue berlinoise de Lichterfeld. En 1931, il a développé une télévision primitive, et pendant la Seconde Guerre mondiale, il a passé un contrat avec le bureau des communications allemand, qui était sous les auspices de la poste, pour travailler sur un dispositif atomique destructeur. Après la guerre, il a vécu en Géorgie soviétique et a contribué au projet de bombe atomique russe, pour lequel il a remporté le prix Staline. Il est retourné à Dresde pour travailler dans un institut de recherche nommé en son honneur; la troisième édition de son autobiographie, dit Paul Lawrence Rose, lui donne un rôle dans les événements qui ont conduit à la chute du communisme en Allemagne de l’Est. Von Ardenne détenait six cents brevets et a contribué à la technologie médicale ainsi qu’aux communications.
Manfred von Ardenne (20 janvier 1907 – 26 mai 1997) était un chercheur allemand, physicien appliqué et inventeur. Il a déposé environ 600 brevets dans des domaines tels que la microscopie électronique, la technologie médicale, la technologie nucléaire, la physique des plasmas et la technologie de la radio et de la télévision. De 1928 à 1945, il dirige son laboratoire de recherche privé Forschungslaboratorium für Elektronenphysik. Pendant dix ans après la Seconde Guerre mondiale, il a travaillé en Union soviétique sur leur projet de bombe atomique et a reçu un prix Staline. À son retour en Allemagne de l’Est, il a créé un autre laboratoire privé, le Forschungsinstitut Manfred von Ardenne.