giovedì 27 novembre 2014

Il microscopio che vede gli atomi

Immagine ottenuta con il microscopio STM di un recinto quantistico fatto da atomi di ferro (coni arancio) disposti a cerchio con l’STM su una superficie di rame. Si vedono le onde elettroniche intrappolate all’interno del recinto.
11-04-2010 / NANOTECNOLOGIA / VITTORIO PELLEGRINI
LUCCA, 11 aprile - Fu Democrito circa 2400 anni fa che teorizzò l’esistenza di particelle indivisibili non percepibili dai sensi che chiamò atomi. Fu lui che indicò il movimento degli atomi nel vuoto come fondamento dell’essere. Idee rivoluzionarie per quel tempo, miti rimasti in una fase di attesa per più di duemila anni fino all’inizio del XIX secolo quando il chimico Inglese John Daltonsviluppò le congetture di Democrito in un primo modello scientifico degli atomi.  Da quel momento il modello atomico si è evoluto a grandi passi grazie alla scoperta dell’elettrone da parte di Joseph Thomson e agli esperimenti di Ernest Rutherford, i primi a sondare la struttura interna dell’atomo grazie al bombardamento di una sottile lamina d’oro con particelle piccolissime (le particelle alfa, cioè nuclei di elio).  L’avvento della meccanica quantistica e gli studi del grande fisico danese Niels Bohr all’inizio del ventesimo secolo ci hanno infine portato alle attuali conoscenze. Sappiamo che l’atomo non è indivisibile ma è invece composto da ulteriori sub particelle nel suo nucleo (protoni, neutroni) e da elettroni disposti su orbitali con energie ben definite.  Sappiamo che benché non esattamente definibili, le dimensioni di un atomo sono dell’ordine di un decimo di nanometro (un nanometro è la miliardesima parte del metro). Come dire che se un atomo fosse grande come un bottone, il bottone sarebbe grande come la terra.
Gli atomi sono piccolissimi, molto più piccoli della lunghezza d’onda della radiazione luminosa visibile. Per esempio, una luce blu ha una lunghezza d’onda di circa 400 nanometri, una lunghezza caratteristica che è quindi molto più grande degli atomi. Se tentiamo di “illuminare” un singolo atomo con luce blu non lo potremmo mai vedere, cioè la luce si propagherà senza essere perturbata dall’atomo. E’ come se tentassimo di acchiappare una farfalla con un retino gigante le cui maglie sono distanti 400 metri. Piuttosto inefficace! Possiamo usare le particelle alfa, che sono piccolissime e interagiscono con l’atomo come notò Rutherford, ma queste ci offrono solo informazioni parziali e indirette. Ma allora com’è possibile “vedere” il singolo atomo. Ed è possibile manipolarlo? D’altro canto questo è quello che ci impone l’esigenza alla miniaturizzazione che è la forza motrice della nanoscienza e delle nanotecnologie. In cinquant’anni siamo passati da un transistor grosso come il palmo di una mano a uno che ha le dimensioni del virus dell’influenza, cioè poche decine di nanometri. Abbiamo così amplificato all’inverosimile le potenze di calcolo dei computer. Gli atomi rappresentano il passo successivo forse finale di questo processo. Nell’era della atomtronica successiva a quella attuale della nanoelettronica i transistor dovranno essere composti da un singolo atomo. 
Proprio per questo motivo la scoperta fatta nel 1981 da due ricercatori svizzeri Gerd Binnig e Hienrich Rohrer (Nobel nel 1986) del microscopio che permette di vedere e manipolare gli atomi  ha rappresentato un punto di svolta nel campo delle nanotecnologie. Questo microscopio sfrutta il fenomeno quantistico noto come effetto tunnel e si chiama microscopio a scansione a effetto tunnel o STM ( dall’inglese Scanning Tunneling Microscope). L’effetto tunnel è un peculiare fenomeno del mondo microscopico che indica la probabilità (non nulla) che una particella (per esempio un elettrone) poco energetica possa attraversare una barriera di potenziale e non esserne completamente riflessa. E’ un po’ come dire che lanciando una palla contro un muro, la palla per effetto tunnel possa attraversare il muro e passare dall’altra parte invece che tornare indietro. La spiegazione dell’effetto tunnel risiede nel fatto che le particelle si comportano come onde che si propagano nello spazio. Questa descrizione in termini di funzioni d’onda vale nel mondo microscopico. Nel mondo macroscopico una palla è una palla e gli effetti ondulatori della materia non sono percepibili. Quando la palla tocca il muro torna indietro. Non si scappa!
I creativi Binning e Rohrer pensarono di sfruttare questa proprietà dell’elettrone per visualizzare la superficie di un materiale conduttore con la precisione del singolo atomo. Il meccanismo è ingegnoso e semplice allo stesso tempo. Il cuore del microscopio è costituito da una punta cresciuta su un cristallo per esempio tungsteno che è assottigliata alla sua sommità fino allo spessore di qualche atomo. La punta viene avvicinata al campione tramite un attuatore piezoelettrico (un materiale che si allunga applicando un potenziale elettrico) e una piccola differenza di potenziale viene applicata tra la punta e il campione. Se la distanza tra punta e campione è sufficientemente piccola, pur non essendoci contatto fisico, una certa corrente di elettroni passa dalla punta al campione o viceversa per effetto tunnel. La sensibilità del microscopio è data dal fatto che la corrente dipende drammaticamente dalla distanza tra punta e campione permettendo al microscopio di essere estremamente sensibile alla presenza di asperità, protuberanze o valli sulla superficie del campione. Per ottenere una immagine della superficie, la punta viene spostata lungo il campione. Durante questo processo di scansione, la corrente viene mantenuta costante muovendo la punta ortogonalmente al campione con dei particolari attuatori piezoelettrici. In questo modo si ricostruisce il profilo del campione e si possono vedere gli atomi che lo compongono raggiungendo risoluzioni spaziali di un decimo di nanometro! Non solo. Utilizzando la punta come un rastrello, si possono addirittura rompere i legami che tengono gli atomi attaccati alla superficie e trascinare singoli atomi sulla superficie. Questo è quello che ha fatto negli anni novanta Don Eigler dei laboratori dell’IBM in California, costruendo delle figure geometriche un po’ come si fa con i mattoncini del lego. Questa possibilità dimostrata di costruire file di atomi o circuiti più complessi rappresenta la frontiera attuale della atomtronica.  
La grande epopea dell’atomo, dal mito atomistico democriteo fino alle manipolazioni con il microscopio STM, ci dimostra quanto è sorprendente e imprevedibile lo sviluppo della scienza. Chissà cosa ci direbbe oggi Democrito nel vedere gli atomi che per lui erano solo il frutto della sua ricerca filosofica.

http://www.loschermo.it/articoli/view/25856

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