Il principio fondamentale su cui si basa il metodo scientifico è l'osservazione; quando ci si occupa di nanotecnologia il punto di vista della realtà cambia notevolmente, è necessario proiettarsi in un mondo totalmente diverso da quello visibile ai nostri occhi, per farlo, la scienza ha messo a disposizione tutta una serie di strumenti sempre più avanzati che hanno permesso da prima di osservare la materia su scala nanoscopica e successivamente di modificarla.
In principio fu il microscopio ottico a permettere di avvicinarsi al mondo dell'invisibile, e poco importa se tale scoperta sia da attribuire a mano olandese o alla genialità del Nostro Galileo Galilei, quel che appare realmente importante è l'aver realizzato uno strumento unico ed indispensabile per ogni moderno scienziato.
La massima potenzialità del microscopio era ancora lontana dall'essere espressa nella sua forma migliore.
Il passo successivo arrivò nel 1931 con la realizzazione del microscopio elettronico, il quale sfrutta la risposta di un campione alla stimolazione con un fascio di elettroni. Si raggiunge così una risoluzione di gran lunga superiore rispetto a quella offerta dalla microscopia ottica. Per definizione, il potere risolutivo è indicato come la più piccola distanza tra due punti che permette di vedere i due punti come distinti. Esistono due grandi famiglie di microscopi elettronici:
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| Microscopio TEM |
•SEM (Scanning Electron Microscope), microscopio a scansione elettronica , in cui un fascio di elettroni colpisce il campione per tutta la sua superficie secondo una progressiva scansione. Il campione sollecitato dal fascio elettronico emette elettroni secondari che vengono rivelati ed interpretati da un sofisticato sistema di elaborazione dati che traduce il segnale elettrico in un'immagine digitale;
•TEM (Transmission Electron Microscope), microscopio a trasmissione elettronico, in cui gli elettroni vengono emessi da un sottile filamento di tungsteno incandescente. Questi elettroni vengono accelerati da un sistema di campi elettromagnetici e indirizzati attraverso un primo reparto di lenti (condensatore) e diretti sul campione in esame. Il fascio elettronico diffuso dal campione attraversa una lente magnetica (obiettivo) che forma un'immagine intermedia del campione. Questa immagine viene raccolta da un'altra lente magnetica (proiettore) che proietta l'immagine definitiva su uno schermo fluorescente o su una lastra fotografica. L'ingrandimento dipende essenzialmente dall'intensità di corrente che percorre le bobine del proiettore.
In seguito si sono sviluppate altre importanti tecniche, capaci di visualizzare la natura intima della materia ed intervenire sui singoli atomi, operando una ricollocazione atomica controllata.
•STM (Scanning Tunneling Microscope), microscopio ad effetto tunnel, in cui una particolare sonda costituita da una punta metallica (generalmente tungsteno) scorre su di una superficie senza mai toccarla direttamente. Si instaura una differenza di potenziale tra il fondo che genera corrente elettrica e la punta, generando così un effetto chiamato “effetto tunnel”. La punta segue la morfologia della superficie offrendone il profilo atomico, elaborato infine da un sistema di computerizzazione che ne restituisce un'immagine tridimensionale. Operando in modalità di manipolazione, è possibile aumentare l'intensità di corrente, facendo in modo che la punta attiri a se un determinato atomo che può essere rilasciato in seguito in un altro punto della superficie;
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| Schema di funzionamento del microscopio STM |
•AFM (Atomic Force Microscope), microscopio a forza atomica, anche in questo caso il sistema prevede lo scorrimento di una punta detta “cantilever” su di una superficie, ma in questo caso l'interazione elettronica porta ad un'oscillazione positiva o negativa (in alto o in basso) che viene rilevata da un sistema di laser che viene riflesso ed elaborato per offrire un'immagine tridimensionale del profilo atomico di una superficie;
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| Schema di funzionamento del microscopio AFM |
•FIB (Focused Ion Beam), fascio di ioni focalizzati, dove viene utilizzato un fascio focalizzato di ioni. Generalmente si utilizza una sorgente di ioni di gallio liquido (LMSI), posto a contatto con un ago di tungsteno e riscaldato. Il gallio inumidisce il tungsteno, ed un enorme campo elettrico fa emettere ed ionizzare gli atomi di gallio. Il FIB può pure essere associato in concomitanza al sistema SEM.
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| Microscopio FIB |
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