L'équipement scientifique openSPIM - système de microscopie open-source - obtient le soutien financier de Rennes Métropole

Allocation d'Equipement Scientifique / AES 2021 de Rennes Métropole

Le transport de matière et d’énergie dans les milieux poreux, tels que les sols ou les roches, joue un rôle important dans de nombreux systèmes naturels, mais aussi industriels. Jouant un rôle clef pour les ressources en eau et les énergies fossiles, les écoulements poreux sont aussi au cœur de la transition énergétique, notamment dans des applications de géothermie, de stockage de CO2 ou de batteries.
De large zones d’ombres demeurent néanmoins sur les lois physiques régissant le transport dans ces milieux fortement hétérogènes, ainsi que sur le couplage avec des processus bio-géochimiques. L'équipement scientifique openSPIM financé grâce au soutien de Rennes Métropole devrait permettre à Joris Heyman (CNRS, Géosciences Rennes) et à son équipe de répondre à ces questions en suspens.

Les développements récents des recherches sur le transport réactif en milieux poreux menés à Géosciences Rennes, obtenus notamment dans le cadre de l’ERC ReactiveFronts (2015-2020), de l’ANR SUCHY (2019-2023) et de l’ANR CO2-3D (2018-2022) ont démontré le rôle clef des écoulements tri-dimensionnels (3D) dans la dilution de la matière au cours des écoulements poreux1. Nous avons montré que l’étirement et le repliement du fluide lors de son transport à travers une matrice poreuse, bien que laminaire et en principe totalement prévisible, impose spontanément aux particules transportées des trajectoires dites « chaotiques » (figure 1), dont l’enchevêtrement exponentiellement complexe participe activement au mélange et la dilution. Ces dynamiques chaotiques génèrent des paysages chimiques hétérogènes insoupçonnés à très petites échelles2 (figure 2). Les leçons de cette découverte restent à tirer, notamment son impact sur l’activité bactérienne, massive dans les sols, et particulièrement sensible aux gradients chimiques.

Reconstruction 3D des trajectoires "chaotiques" des écoulements à travers une matrice poreuse (empilement de billes). Figure 1: Reconstruction 3D des trajectoires "chaotiques" des écoulements à travers une matrice poreuse (empilement de billes). Crédits Joris Heyman

Paysages chimiques hétérogènes observés a très petites échelles dans les écoulement poreux (sables) Figure 2 : Paysages chimiques hétérogènes observés a très petites échelles dans les écoulement poreux (sables). Crédits Joris Heyman

Aucun appareil de mesure n’était aujourd’hui capable de sonder un tel couplage, qui s’effectue en 3D sur de larges échelles allant du micromètre (la bactérie) au centimètre (l’hétérogénéité poreuse). Le projet OpenSPIM, cofinancé par l’AES (Allocation d'Equipement Scientifique) de Rennes Métropole, l’ANR SUCHY, l’ANR CO2-3D et la MSCA MicroMix vise à construire un « macro »-scope 3D capable de résoudre l’ensemble de ces échelles. OpenSPIM ("Selective Plane Illumination Microscopy" ou "Microscope à feuille de lumière", figure 3) est un système émergent d’imagerie par nappe laser sous microscope, permettant d’imager en trois dimensions des échantillons de taille mésoscopique (de l’ordre du centimètre), à une résolution microscopique (de l’ordre du micromètre). Le développement de cette technique est extrêmement récent et fait l’objet de nombreuses publications à très fort impact3. Il permet d’obtenir de façon quasi-instantanée, non invasive et non destructrice, une image de la fluorescence d’un échantillon épais, possiblement vivant, sur un plan laser faisant face à un détecteur optique (microscope et caméra). L’utilisation de différentes longueurs d’ondes permet de mettre en évidence différentes parties de l’échantillon comme la matière organique (rayonnement uv) ou des « molecular probes », molécules chimiques fluorescentes passives ou réactives (rayonnement visible). Le déplacement de l’échantillon permet alors de reconstruire une image tri-dimensionnelle, bien plus nette, contrastée et précise qu’avec la microscopie à effet confocal (limitée en taille d’échantillon) ou de la microscopie à champ large (non sélective). Parmi tous les SPIM commercialisés, l’openSPIM est un système de microscopie open-source, très bon marché et à la pointe du développement scientifique, qui assure une bonne adaptabilité et versatilité pour la recherche ainsi qu’une grande évolutivité future (ajout d’objectifs, de caméras, de faisceaux lasers...).

Principe de la microscopie à feuille de lumière (SPIM)

 

Figure 3 : Principe de la microscopie à feuille de lumière (SPIM). source : https://openspim.org/

L’équipement scientifique openSPIM permettra de répondre à ces questions en levant le verrou technologique posé par la visualisation microscopique classique. En effet, il donne la possibilité d’observer en temps réel des échantillons de roches et de sols (rendus transparents par ajustement d’indice optique) sur des échelles de l’ordre du micromètre au centimètre, pour y étudier des processus dynamiques de mélange et de réactivité entre écoulements, solutés et particules chimiques, et surfaces, ainsi que leur interaction avec les micro-organismes (bactéries, biofilms, swimmers, macro-invertébrés). Soutenu par l’AES Rennes Métropole, cet équipement aura une place centrale dans l’OSUR, permettant des collaborations multidisciplinaires entre biologistes, hydrogéologues et physiciens.




Financements :

  • Projet ANR SUCHY : 10 000 € (23%)
  • Projet ANR CO2-3D : 5 000 € (12%)
  • Projet européen Marie Curie MicroMix : 7 000 € (16%)
  • AES Rennes Métropole : 21 000 € (49%)

Pour en savoir plus :

  • 1 Heyman, J., Lester D.R., Turuban, R., Méheust Y. Le Borgne T., Stretching and folding sustain microscale chemical gradients in porous media. Proceedings of the National Academy of Sciences May 2020, 202002858; DOI: 10.1073/pnas.2002858117

  • 2 Heyman J., Lester D. R. and Le Borgne T., Scalar Signatures of Chaotic Mixing in Porous Media. Phys. Rev. Lett. 126, 034505

  • 3 Voir par exemple : Huisken et al. Science 2004, Keller et al. Science 2008, Chhetri et al. Nature Methods 2015 , Wu et al. Nature Biotechnologies 2013.