Mai così grandi: catturata l’immagine di atomi a più alta risoluzione, è un campione di cristallo

La prossima generazione di dispositivi elettronici potrebbe partire proprio da qui: dalla tticografia elettronica che ci ha donato una 'foto' precisa degli atomi

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E’ l’immagine di atomi a più alta risoluzione mai vista. I ricercatori della Cornell University hanno catturato un campione di un cristallo in tre dimensioni e lo hanno ingrandito 100 milioni di volte, raddoppiando la risoluzione che ha fatto guadagnare agli stessi scienziati un Guinness World Record nel 2018. Il loro lavoro potrebbe aiutare a sviluppare materiali per la progettazione di telefoni, computer e altri dispositivi elettronici, nonché batterie di maggiore durata.

I ricercatori hanno ottenuto l’immagine utilizzando una tecnica chiamata tticografia elettronica. Si tratta di sparare un fascio di elettroni, circa un miliardo al secondo, su un materiale bersaglio. Il raggio si muove in modo infinitesimale mentre gli elettroni vengono sparati, quindi colpiscono il campione ogni volta da angolazioni leggermente diverse: a volte passano attraverso in modo pulito, altre volte colpiscono gli atomi e rimbalzano all’interno del campione mentre escono. Il fisico deilla Cornell David Muller, il cui team ha condotto il recente studio, paragona la tecnica al gioco del dodgeball contro avversari che stanno al buio. I dodgeball sono elettroni e i bersagli sono atomi individuali. Sebbene Muller non possa vedere i bersagli, può vedere dove vanno a finire le “dodgeball“, grazie a rilevatori avanzati. Basandosi sul modello speckle generato da miliardi di elettroni, gli algoritmi di apprendimento automatico possono calcolare dove si trovavano gli atomi nel campione e quali potrebbero essere le loro forme.

In precedenza, la tticografia elettronica era stata utilizzata solo per l’immagine di campioni estremamente piatti: quelli spessi solo da uno a pochi atomi. Il nuovo studio, pubblicato su Science, ora consente di catturare più strati con uno spessore da decine a centinaia di atomi. Ciò rende la tecnica molto più rilevante per gli scienziati dei materiali, che in genere studiano le proprietà di campioni con uno spessore di circa 30-50 nanometri (si tratta di una dimensione più piccola della lunghezza in cui le unghie crescono in un minuto).

“Possono effettivamente osservare pile di atomi ora, quindi è incredibile“, dice Andrew Maiden, ingegnere presso l’Università di Sheffield in Inghilterra, che ha contribuito a sviluppare la tticografia ma non è stato coinvolto nel nuovo studio. “La risoluzione è semplicemente sbalorditiva”.

Questo segna un importante progresso nel mondo della microscopia elettronica. Inventati all’inizio degli anni ’30, i microscopi elettronici standard hanno permesso di vedere oggetti come i poliovirus, che sono più piccoli delle lunghezze d’onda della luce visibile. Ma i microscopi elettronici avevano un limite: aumentare la loro risoluzione richiedeva di aumentare l’energia del fascio di elettroni, e alla fine l’energia necessaria sarebbe diventata così grande da danneggiare il campione. Un modo per evitare questo problema era la tticografia, che i ricercatori hanno sviluppato in teoria negli anni ’60. Ma a causa delle limitazioni dei rivelatori e della potenza di calcolo, nonché della complessa matematica richiesta, sono trascorsi decenni prima che la tecnica venisse messa in pratica.

Le prime versioni funzionavano solo con la luce visibile e i raggi X, non con i fasci di elettroni necessari per l’immagine di oggetti di dimensioni atomiche. Nel frattempo gli scienziati hanno continuato a trovare modi per migliorare i microscopi elettronici, che funzionava così bene che la tticografia elettronica non riusciva a tenere il passo. “Dovevi essere un vero credente nella tticografia per prestarci attenzione”, dice Muller.

È stato solo negli ultimi anni che Muller e il suo team hanno sviluppato un rivelatore abbastanza buono da consentire alla pticografia elettronica di funzionare sperimentalmente. Nel 2018, avevano capito come ricostruire campioni bidimensionali con la tecnica, producendo “l’immagine con la più alta risoluzione con qualsiasi metodo al mondo”, afferma Muller, che ha vinto quel Guinness World Record. E i ricercatori lo hanno fatto con una lunghezza d’onda di energia inferiore rispetto ad altri metodi, consentendo loro di preservare meglio i loro campioni.

I campioni più spessi, tuttavia, hanno presentato molteplici sfide. Invece di rimbalzare solo una volta prima del rilevamento, un’onda di elettroni rimbalza attorno agli atomi in un campione tridimensionale. “Sai dove è finito, ma non sai quale percorso ha preso nel materiale”, dice Muller. Questo flipper è chiamato “problema di dispersione multipla” e lui e il suo team hanno trascorso gli ultimi anni a cercare di risolverlo. Con un numero sufficiente di macchioline sovrapposte e potenza di calcolo, hanno scoperto di poter lavorare a ritroso per determinare quale disposizione degli atomi ha prodotto un determinato modello. I ricercatori lo hanno fatto mettendo a punto un modello fino a quando il modello di macchioline che ha generato corrispondeva a quello prodotto sperimentalmente. Risolvere il problema della dispersione multipla è un grande progresso, spiega Muller.

Tali tecniche di imaging ad alta risoluzione sono essenziali per lo sviluppo della prossima generazione di dispositivi elettronici. Ad esempio, i ricercatori stanno cercando di andare oltre i chip per computer a base di silicio alla ricerca di semiconduttori più efficienti. Per far sì che ciò accada, gli ingegneri devono sapere con cosa stanno lavorando a livello atomico, il che significa sfruttare tecnologie come la tticografia elettronica. “Abbiamo questi strumenti lì, in attesa di aiutarci a ottimizzare quella che diventerà la prossima generazione di dispositivi”, afferma J. Murray Gibson, preside della Florida A&M University–Florida State University College of Engineering, che non è stato coinvolto nel nuovo studia. “Senza questi strumenti, non potremmo farlo.”

Le batterie sono un’area particolarmente promettente per l’applicazione di tecniche di imaging come la pticografia elettronica, afferma Roger Falcone, fisico dell’Università della California, Berkeley, anch’egli non coinvolto nella ricerca. “Come possiamo rendere la struttura delle batterie”, chiede, “in modo tale che possano immagazzinare molta energia e allo stesso tempo essere sicure?” Questa è una domanda essenziale, soprattutto per il passaggio dai combustibili fossili alle energie rinnovabili, compreso l’eolico e il solare. “Le tecnologie di imaging sono molto importanti per migliorare le batterie perché possiamo osservare le reazioni chimiche in dettaglio“, afferma Falcone.

Ma c’è ancora tanta strada da fare. Affinché la tticografia elettronica possa portare a una nuova svolta per il tuo telefono cellulare o laptop, deve fare di più che scattare una foto: deve essere in grado di localizzare con precisione un singolo atomo in un materiale. Sebbene i ricercatori abbiano dimostrato come la tecnica potrebbe farlo teoricamente, non hanno ancora eseguito una dimostrazione sperimentale. “Con qualsiasi nuova tecnica, i tuoi colleghi ricercatori impiegano sempre un po’ di tempo per provarla e vedere se si adatta a usi reali e pratici“, afferma Leslie Thompson, ex responsabile dell’analisi e della caratterizzazione dei materiali presso IBM Research-Almaden , che non era coinvolto nel nuovo studio.

Nella misura in cui inventi un nuovo strumento come un microscopio ad alta risoluzione, la mia sensazione è che tendi a essere sorpreso [da] quale problema viene applicato per risolvere”, aggiunge Falcone. “Le persone guarderanno cose che non possiamo nemmeno immaginare ora e risolveranno un problema che non siamo nemmeno sicuri di avere ancora”.