Immersion au synchrotron SOLEIL : un grand instrument scientifique pour explorer la matière

À l'occasion du colloque scientifique CHEMIMAG 2026 dédié à l'imagerie chimique multi-échelle, organisé le 3 juillet par le PEPR B-BEST, les participant.es ont pu visiter le synchrotron SOLEIL. Retour sur cet instrument scientifique unique, son fonctionnement et les opportunités qu'il offre aux chercheurs et chercheuses.

1. Le synchrotron SOLEIL : une "super-lampe" pour explorer la matière

Situé sur le plateau de Saclay, le synchrotron SOLEIL - Source optimisée de lumière d'énergie intermédiaire du LURE (Laboratoire pour l'utilisation du rayonnement électromagnétique) - est un grand instrument scientifique français, financé par le CNRS et le CEA. Son principe repose sur la production d'une lumière extrêmement intense, appelée rayonnement synchrotron, qui permet d'explorer la matière avec une précision remarquable.

Cette lumière couvre une très large gamme spectrale, de l'infrarouge aux rayons X, offrant ainsi un large éventail de techniques d'analyse. Très stable et peu dispersée, elle fournit une résolution bien supérieure à celle des équipements de laboratoire classiques.

Grâce à ces performances, le synchrotron permet d'analyser des échantillons très variés, depuis l'organisme entier jusqu'à l'échelle atomique. Il est utilisé dans de nombreuses disciplines : biologie, médecine, géosciences, chimie, science des matériaux, agroalimentaire, astrophysique, paléontologie ou encore l'étude du patrimoine culturel.

2. Comment fonctionne le synchrotron SOLEIL ?

Un synchrotron est un instrument électromagnétique destinée à l’accélération d’électrons afin de produire une lumière puissante appelée le rayonnement synchrotron.

Etape 1 : produire les électrons

Tout commence dans un canon à électrons. Une pastille en tungstène, d'une taille comparable à une pièce de deux euros, est chauffée par un courant électrique. Cette énergie permet aux électrons de quitter le métal. C’est ce qu’on appelle l’émission thermoélectronique. Une grille en or, située en face de la pastille de tungstène, crée ensuite une différence de potentiel qui attire et accélère ces électrons.

Etape 2 : accélérer les électrons

Les électrons entrent dans un accélérateur linéaire où ils atteignent une vitesse proche de celle de la lumière avant d'être injectés dans un premier accélérateur circulaire, appelé booster. Dans cet accélérateur circulaire, les électrons prennent encore plus de vitesse grâce à des aimants de courbure qui guident leur trajectoire et des cavités de radiofréquence qui leur redonnent de l’énergie.

Etape 3 : produire la lumière

Les électrons sont ensuite envoyés dans un anneau de stockage en forme de polygone, où ils circulent en continu. À chaque changement de trajectoire dans l’anneau, les électrons génèrent un faisceau lumineux par perte d’énergie : le rayonnement synchrotron.

Etape 4 : analyser les échantillons

Cette lumière est ensuite dirigée vers 29 lignes de lumière installées autour de l’anneau. Les lignes de lumière de SOLEIL sont les installations expérimentales qui permettent d’étudier les échantillons. Chaque ligne de lumière utilise une partie de la gamme spectrale du rayonnement synchrotron et met en œuvre des techniques d'analyse spécifiques afin d’étudier la structure et les propriétés des échantillons de matière.

3. Un équipement ouvert à toute la communauté scientifique

Le synchrotron SOLEIL est accessible aux communautés scientifiques française et internationale, et de l'industrie via des appels à projet. Les scientifiques dont l’institut est situé en France, bénéficient gratuitement de l'accès aux installations, ainsi que de la prise en charge de l’hébergement et de la restauration pour 3 personnes par projet.

Un appel à projets est en cours et se clôture le 15 septembre 2026, pour une utilisation de début mars 2027 à fin juillet 2027 : accéder à l’appel à projets.

Au-delà des équipements, le synchrotron SOLEIL met à disposition l'expertise de ses scientifiques, qui accompagnent les équipes à chaque étape, de la préparation des échantillons au choix des techniques jusqu'au traitement des résultats.

4. Un exemple d’utilisation avec le projet FillingGaps

Parmi les projets du programme de recherche Bioproductions, le projet FillingGaps a eu recours au synchrotron SOLEIL afin d'explorer la dégradation enzymatique de la biomasse végétale à différentes échelles. Deux lignes de lumière ont été mobilisées : DISCO et ANATOMIX, dont les approches complémentaires permettent de relier la composition chimique des parois végétales à leur organisation structurale.

Sur la ligne DISCO, des expériences de microscopie de fluorescence dans l'ultraviolet profond (Deep-UV) ont été réalisées sur différents échantillons du projet, notamment du bois de peuplier, des tiges de maïs et des algues. L'un des principaux atouts de cette ligne est l'accès à la gamme spectrale de l'UV profond pour la microscopie, inaccessible aux microscopes de laboratoire et exclusif au synchrotron SOLEIL. Cette excitation permet de révéler l'autofluorescence de molécules phénoliques, telles que la lignine et les acides hydroxycinnamiques, impliquées dans la résistance des parois végétales à la dégradation enzymatique. Il est ainsi possible de cartographier leur localisation, d'estimer leur abondance relative et de suivre l'évolution de leur signal au cours de la dégradation.

L'une des expérimentations phares menées sur DISCO consiste à suivre en temps réel la dégradation enzymatique des parois végétales. Cette approche met en lumière en parallèle l'autofluorescence des composés phénoliques des parois cellulaires et celle des enzymes elles-mêmes, liée à la présence d'acides aminés aromatiques fluorescents en UV profond. Cette capacité unique permet de visualiser les interactions entre les enzymes et leur substrat, d'étudier la dynamique de la dégradation et, en complément d'autres techniques analytiques, de mieux comprendre les mécanismes responsables de la récalcitrance de la biomasse.

Ces observations étant réalisées sur des coupes fines, elles ne rendent compte que localement de l'hétérogénéité des échantillons. Afin d'étudier les modifications structurales à une échelle plus représentative, des expériences de tomographie à rayons X ont été menées sur la ligne ANATOMIX. Grâce au rayonnement synchrotron, cette technique offre une résolution spatiale bien supérieure à celle des tomographes de laboratoire, avec une taille de voxel de 0,65 µm. Elle permet de visualiser en trois dimensions les changements anatomiques induits par la dégradation enzymatique et de les mettre en relation avec les observations obtenues en microscopie UV.

Merci à Amandine LEROY, Post-doctorante, DISCO Synchrotron SOLEIL (ST-AUBIN) pour sa contribution à la rédaction de cet article.