Des chercheurs russes révèlent la structure submicroscopique des pores des chernozems grâce à la microscopie électronique à balayage par faisceau d'ions

Des chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou et leurs collaborateurs ont récemment utilisé la microscopie électronique à balayage par faisceau d'ions focalisés (FIB-SEM) pour caractériser finement la microstructure d'échantillons de chernozem. L'étude montre que cette technique permet d'identifier les pores de moins d'un micromètre, leur morphologie ainsi que certains composants organiques spécifiques dans le sol, offrant ainsi un nouveau moyen d'observation pour comprendre les mécanismes de formation et de maintien de la fertilité des chernozems. Ces travaux ont bénéficié du soutien de la Fondation scientifique russe et ont été publiés dans la série 17 « Science des sols » du Journal de l'Université de Moscou.

La recherche en science des sols nécessite généralement d'étendre l'échelle de l'étude du champ à l'échelle microscopique. La tomographie informatisée (CT), capable de reconstruire la structure tridimensionnelle du sol sans endommager l'échantillon, est largement utilisée pour observer les réseaux de pores internes du sol. Cependant, la résolution de la CT présente des limites : elle permet principalement de visualiser les canaux de pores les plus larges, tandis que les pores plus fins formés par des processus pédologiques complexes restent difficiles à identifier pleinement.

Pour combler cette lacune, des scientifiques de l'Institut de physique et de technologie de Moscou, de l'Université d'État Lomonossov de Moscou, de l'Institut Dokoutchaïev des sciences du sol et de l'Institut de géophysique Schmidt de l'Académie des sciences de Russie ont appliqué la FIB-SEM à l'étude d'échantillons de chernozem provenant de la Réserve centrale des terres noires. Cette méthode consiste à découper progressivement l'échantillon de sol à l'aide d'un faisceau d'ions de gallium, exposant ainsi sa structure interne, puis à obtenir des images à haute résolution par microscopie électronique à balayage, ce qui équivaut à utiliser un « scalpel ionique » associé à une imagerie microscopique à fort grossissement pour observer les détails internes du sol.

Les chercheurs ont d'abord utilisé un scanner CT pour établir un modèle tridimensionnel des agrégats du sol avec une résolution d'un micromètre, puis ont appliqué des algorithmes de segmentation d'images pour distinguer les pores des composants solides. Ensuite, ils ont utilisé la FIB-SEM pour découper des micro-tranchées dans le sol et obtenir des images avec une résolution allant jusqu'à 4 nanomètres. En raison de la présence de structures complexes telles que l'argile et la matière organique à la surface des échantillons, l'équipe de recherche a délimité manuellement les contours des pores afin d'améliorer la précision de l'identification.

Les résultats montrent que les deux techniques fournissent des informations complémentaires sur la structure du sol. La CT offre une vue d'ensemble structurelle à plus grande échelle, tandis que la FIB-SEM permet de détecter des structures aussi petites que 0,075 micromètre, soit 75 nanomètres, en capturant simultanément les nanopores et les pores plus larges. L'étude a également révélé que la FIB-SEM permet de distinguer clairement la matière organique dans les agrégats du sol. Sur les images, cette matière organique apparaît sous forme de taches grises uniformes de 1 à 10 micromètres, alors qu'elle est plus difficile à différencier du fond sur les images CT.

En ce qui concerne la morphologie des pores, les pores du sol apparaissent majoritairement circulaires sur les images CT, tandis que la FIB-SEM révèle la présence de nombreuses fissures ainsi que de pores allongés et dentelés à l'intérieur des échantillons. Ces microfissures constituent le réseau de pores microscopiques des chernozems et contribuent à expliquer leur base structurelle de rétention d'eau et de perméabilité à l'air.

L'équipe de recherche a également souligné que le champ de vision de la FIB-SEM est relativement étroit, d'environ 30×50 micromètres, et qu'elle ne peut donc pas entièrement remplacer la CT. La combinaison des deux méthodes permet d'établir une image tridimensionnelle plus complète du sol, des grandes structures aux pores nanométriques et aux particules organiques, fournissant ainsi un appui pour l'étude approfondie de l'évolution de la structure du sol, de ses propriétés de filtration et des processus de formation des agrégats. Les chercheurs concernés de l'Institut de physique et de technologie de Moscou ont indiqué que l'équipe poursuivrait l'étude des caractéristiques structurelles des composés organo-minéraux à l'échelle nanométrique et développerait des modèles multi-échelles de la structure du sol.