Un microscope optique ordinaire, celui qui forme une image à l'aide de lumière visible et de lentilles en verre, ne peut pas montrer de détails plus petits qu'environ 200 nanomètres, soit 0,2 micromètre. Un nanomètre est un milliardième de mètre, et un micromètre est un millionième de mètre. Cette limite tient au comportement ondulatoire de la lumière, et elle est approximative.

Taille

La limite porte sur la résolution : la plus petite distance entre deux points qu'un microscope peut encore montrer séparément. En dessous de cette distance, les deux points se confondent en un seul. La limite ne dépend pas du grossissement. Au-delà d'environ 1 000 fois, grossir davantage l'image l'agrandit, mais ne révèle pas plus de détails.

En 1873, le microscopiste Ernst Abbe a publié une équation montrant que la résolution dépend de la longueur d'onde de la lumière. Dans le meilleur des cas, elle vaut environ la moitié de cette longueur d'onde. Une forme courante du calcul consiste à diviser la longueur d'onde par deux fois l'ouverture numérique, un nombre qui mesure la quantité de lumière que la lentille capte.

Les meilleures lentilles regardent à travers une goutte d'huile et atteignent une ouverture numérique d'environ 1,4. Avec une lumière verte, d'une longueur d'onde de 550 nanomètres, elles peuvent distinguer des détails espacés d'environ 0,2 micromètre. Avec une lumière rouge, de 700 nanomètres, le même type de calcul donne une limite plus grossière, et avec une lumière violette, une limite plus fine.

Comparaisons de taille

• Un globule rouge, d'environ 7,5 micromètres de diamètre, est environ 37 fois plus grand que cette limite, si bien que sa forme est nettement visible.
• Une particule de Mimivirus, d'environ 750 nanomètres de diamètre, est presque quatre fois plus grande que la limite. Elle est assez grande pour être vue au microscope optique, ce qui est rare pour un virus.
• Une particule de VIH, d'environ 145 nanomètres de diamètre, est plus petite que la limite, si bien qu'un microscope optique ne peut pas en montrer la forme.
• Environ 400 à 500 détails de la taille de la limite tiendraient sur la largeur d'un cheveu, qui mesure de 80 à 100 micromètres de large.
• Si la limite était agrandie à la taille d'un millimètre, la plus petite graduation d'une règle métrique, un cheveu humain mesurerait de 40 à 50 centimètres de large. Une particule de VIH mesurerait environ 0,7 millimètre, plus petite qu'une des graduations de la règle.

Voir un point sans voir sa forme

La limite touche le détail, pas la détection en elle-même. Une seule molécule qui brille peut apparaître dans un microscope ordinaire comme un point lumineux, si elle se trouve à plus de 0,2 micromètre de toute autre molécule brillante. Ce point est flouté à la taille de la limite : il révèle où se trouve la molécule, mais pas à quoi elle ressemble.

Des longueurs d'onde plus courtes donnent des détails plus fins. Les microscopes qui utilisent la lumière proche ultraviolette peuvent distinguer des détails plus petits que ceux qui utilisent la lumière visible. Les microscopes électroniques vont bien plus loin. Les électrons qu'ils utilisent se comportent comme des ondes d'une longueur d'onde d'environ 0,005 nanomètre, bien plus courte que celle de la lumière.

Franchir la limite

Pendant la majeure partie du XXe siècle, les scientifiques pensaient que les microscopes optiques ne pourraient jamais montrer quoi que ce soit de plus petit qu'environ 0,2 micromètre. Stefan Hell a proposé un moyen de contourner cette limite en 1994, et en a démontré le fonctionnement en 2000. Sa méthode utilise une première impulsion de lumière pour faire briller les molécules, puis un second faisceau laser en forme d'anneau pour éteindre toutes celles qui ne se trouvent pas dans une petite zone.

W. E. Moerner et Eric Betzig ont mis au point une autre méthode, qui n'allume que quelques molécules brillantes à la fois et combine de nombreuses images. Les trois chercheurs ont partagé le prix Nobel de chimie 2014 « pour le développement de la microscopie de fluorescence à super-résolution ». Selon l'Académie royale des sciences de Suède, qui décerne ce prix, leurs travaux signifient que « la microscopie est devenue de la nanoscopie ».

Sources

• How the optical microscope became a nanoscope. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.
• The Nobel Prize in Chemistry 2014: Press release. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.
• Resolution. Nikon MicroscopyU.
• Numerical Aperture. Nikon MicroscopyU.
• Instruments of Microscopy. In Microbiology. OpenStax, 2016.
• Erythrocytes. In Anatomy and Physiology, 2nd edition. OpenStax, 2022.
• Structural Studies of the Giant Mimivirus. Xiao et al., PLoS Biology, 2009.
• Thirty-thousand-year-old distant relative of giant icosahedral DNA viruses with a pandoravirus morphology. Legendre et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014.
• Structural organization of authentic, mature HIV-1 virions and cores. Briggs et al., The EMBO Journal, 2003.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.