Guardiamo il mondo a risoluzione sub-atomica

Condividi

L'occhio umano non riesce a distinguere due oggetti separati da una distanza minore di un decimo di millimetro: per superare questo limite fisiologico sono stati sviluppati nel corso del tempo microscopi sempre più potenti, fino a giungere ai microscopi elettronici in trasmissione, che 'illuminano' il campione con elettroni di lunghezza d'onda un milione di volte più piccola della luce visibile. Le immagini che si ottengono sono tuttavia affette da aberrazioni tali che la risoluzione è cento volte peggiore del limite di diffrazione e quindi appena sufficiente a distinguere alcuni degli atomi in un reticolo cristallino. Per superare questi limiti, negli ultimi 60 anni si sono concentrati gli sforzi in tutto il mondo,  portando, all'inizio del nuovo millennio, allo sviluppo di microscopi dotati di complessi e costosi 'correttori d'aberrazione sferica'. Oggi, grazie a un approccio innovativo nato dalla collaborazione tra tre gruppi di ricerca Cnr, si è messo a punto un nuovo metodo  in cui un algoritmo matematico consente di superare i limiti imposti dalle aberrazioni delle lenti elettroniche.

La ricerca, pubblicata su Nature Nanotechnology il 5 maggio scorso e realizzata da Elvio Carlino del Centro di microscopia elettronica dell'Istituto officina dei materiali-Laboratorio Tasc di Trieste, da Liberato De Caro e Cinzia Giannini dell'Istituto di cristallografia del Cnr di Bari e da Gianvito Caputo e Davide Cozzoli del National nanotechnology laboratory di Lecce, mostra come, tramite originali algoritmi matematici (tecniche cosiddette di 'phase retrieval') e un'opportuna configurazione dell'esperimento di microscopia elettronica, sia possibile ottenere immagini a risoluzione sub-atomica a partire da una diffrazione elettronica.

Lo studio è stato condotto su un nanocristallo di biossido di titanio  con un diametro di circa 50 ångström (un ångström è un decimo di milionesimo di millimetro) e una lunghezza di circa 180 ångström, utilizzando un microscopio elettronico in trasmissione  con una risoluzione spaziale di 1.9 ångström, senza correttore d'aberrazione sferica: il nuovo approccio di 'diffractive imaging' ha permesso di visualizzare gli atomi della struttura del nanocristallo con una risoluzione di 0.7 ångström, consentendo di discriminare le colonne degli atomi di ossigeno e titanio nella cella cristallina ed evidenziando piccole distorsioni del reticolo di grande importanza per comprendere le proprietà dei nanocristalli.

Un risultato che, oltre a migliorare significativamente i limiti di risoluzione, apre nuovi interessanti scenari nello studio dei materiali nano strutturati: "I risvolti di queste ricerche hanno un ampio campo d'applicazione nello studio della materia a risoluzione sub-atomica, laddove  si potrebbero aprire spazi di conoscenza sin qui inaccessibili", spiegano gli autori. "Un campo potenziale di applicazione, ad esempio, è quello dell'ingegneria di nuovi materiali per dispositivi nano-biotecnologici, a base di esotiche interfacce fra nano-oggetti, così come della realizzazione di architetture a base di nano-macchine naturali (Dna, cellule, proteine, etc). Definire alla scala sub-atomica le proprietà strutturali di un nano-sistema permette di comprendere e progettare sempre meglio nuovi materiali intelligenti del futuro".

Fonte: Cinzia Giannini, Istituto di cristallografia, Bari, tel. 080/592