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Una nuova era nella microscopia: come si realizza il miracolo scientifico dell'imaging su scala atomica?
Dall'avvento del microscopio a scansione a effetto tunnel (STM) nel 1981, la microscopia a scansione di sonda (SPM) è diventata una tecnologia all'avanguardia per lo studio delle strutture superficiali. Questa tecnica è stata dimostrata per la prima volta da Gerd Binnig e Heinrich Rohrer, che hanno utilizzato un circuito di feedback per controllare con precisione la distanza tra la sonda e il campione, consentendo così l'imaging su scala atomica. Con l'evoluzione della tecnologia, l'SPM odierno è in grado non solo di ottenere immagini ad alta risoluzione delle strutture superficiali, ma anche di riprodurre simultaneamente più interazioni fisiche, offrendo agli scienziati una nuova prospettiva per esplorare il mondo microscopico.
La chiave della microscopia a sonda a scansione è l'uso di attuatori piezoelettrici per controllare il movimento preciso a livello atomico.
La diversità della microscopia a sonda a scansione risiede nelle numerose tecnologie da essa derivate, tra cui la microscopia a forza atomica (AFM), la microscopia a forza chimica (CFM), la microscopia a forza elettrostatica (EFM), la microscopia a effetto tunnel (STM), ecc. Ogni tecnologia ha i suoi vantaggi e campi di applicazione unici. Ad esempio, l'AFM sfrutta piccoli movimenti di una sonda per misurare le forze sulla superficie di un campione, creando un'immagine ad alta risoluzione della topografia della superficie.
Diverse modalità di scansione, come la modalità di interazione costante e la modalità di altezza costante, consentono agli scienziati di ottenere informazioni dettagliate sul campione in modi diversi.
In modalità di interazione costante, la sonda mantiene un'interazione costante con la superficie del campione e i dati misurati vengono convertiti in una mappa termica che mostra la topografia della superficie del campione. In modalità altezza costante, la superficie del campione viene scansionata senza spostare la sonda. Sebbene la modalità ad altezza costante possa eliminare gli artefatti causati dal feedback, il suo funzionamento è relativamente difficile e richiede un controllo estremamente elevato della sonda.
Per ottenere una risoluzione a livello atomico, anche la progettazione e il materiale della sonda sono fondamentali. In genere, per ottenere i migliori risultati di imaging, le sonde con punta a singolo atomo devono avere la punta molto affilata. Ciò implica non solo la tecnologia di produzione della sonda, ma anche una profonda conoscenza della selezione dei materiali.
L'attuale risoluzione della microscopia a sonda a scansione è limitata dal volume di interazione sonda-campione piuttosto che dalla diffrazione.
Il vantaggio della microscopia a sonda a scansione è che non necessita di un ambiente sotto vuoto per funzionare, consentendo di effettuare osservazioni in aria o liquidi convenzionali. Ma allo stesso tempo questa tecnologia deve anche affrontare alcune sfide, come la bassa velocità di acquisizione delle immagini e l'impatto della forma specifica della sonda sui dati quando il campione presenta grandi variazioni di altezza.
Una tecnica correlata è la microscopia fotocorrente a scansione (SPCM), che utilizza un raggio laser focalizzato anziché una sonda per consentire test dei materiali con risoluzione spaziale. Questa tecnica è particolarmente importante nel settore optoelettronico perché consente di analizzare come le proprietà ottiche di un materiale variano in base alla posizione.
SPCM eccita i materiali semiconduttori tramite laser per generare fotocorrente ed esegue la scansione in diverse posizioni per ottenere una mappa delle proprietà optoelettroniche.
I ricercatori che utilizzano SPCM possono analizzare informazioni quali la dinamica dei difetti del materiale, la lunghezza di diffusione dei portatori minoritari e il campo elettrico, il che può contribuire a migliorare ulteriormente le proprietà ottiche del materiale.
Con il progresso della tecnologia informatica, i moderni sistemi SPM solitamente si basano su software avanzati di visualizzazione e analisi per generare immagini. In questo processo, il software di rendering delle immagini diventa indispensabile e diversi pacchetti software come Gwyddion e SPIP sono ampiamente utilizzati nell'elaborazione e nell'analisi dei dati SPM.
Con il continuo progresso della tecnologia, l'ambito di applicazione dei microscopi a sonda a scansione ha continuato ad espandersi. Non è limitato solo alla ricerca di base sulla scienza dei materiali, ma è ampiamente utilizzato anche in biologia, chimica, nanotecnologia e altri campi. Queste tecnologie consentono agli scienziati di esplorare il mondo microscopico da una prospettiva completamente nuova e di ottenere osservazioni più precise.
Nell'esplorazione dell'infinito mondo microscopico, abbiamo solo rimosso un sottile strato di scienza. Quali miracoli inosservati saranno rivelati in futuro?
