mercoledì, 25 aprile 2018

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Formazione & Divulgazione

Strumentazione

Lo sviluppo tecnologico ha consentito di realizzare apparecchiature e strumenti in grado di vedere, investigare, manipolare e controllare la materia su scala atomica, consentendo ai ricercatori di “toccare con mano” le superfici o la struttura dei materiali con una precisione mai prima raggiunta. Fra gli strumenti più in uso vi sono il microscopio a scansione a effetto tunnel (STM) ed il microscopio a forza atomica (AFM). Entrambi consentono di osservare la materia su scala atomica e di riposizionare atomi sulla superficie del materiale in esame.

STM (Scanning Tunneling Microscope)

E’ stato uno fra i primi strumenti che ci ha consentito di vedere e di manipolare gli atomi. L’invenzione risale al 1981 presso i laboratori di ricerca dell’IBM di Zurigo ad opera di G.K. Binning e di H. Rohrer che riceveranno il premio Nobel in fisica 5 anni più tardi. Lo strumento è dotato di una punta molto sottile ed acuminata che viene posta a qualche frazione di nanometro di distanza dalla superficie conduttrice del campione da esaminare. Applicando un campo elettrico fra la punta ed il campione viene generato un flusso di elettroni (effetto tunnel) che determina la corrente tunnel. Tale corrente dipende dalla distanza fra la punta e la superficie, per cui muovendo la punta e misurando la corrente corrispondente, si ricostruisce una mappa fedele su scala atomica della topografia superficiale del materiale investigato. Sfruttando le forze di attrazione o di repulsione elettromagnetica fra la punta e gli atomi lo strumento è in grado di riposizionare gli atomi sulla superficie. Quest’ultima operazione consente di scrivere e di leggere su scala atomica. Per poter operare necessita che il campione venga posto in vuoto spinto o in atmosfera controllata.

AFM (Atomic Force Microscope)

Questo microscopio è stato inventato nel 1986 e funziona in maniera molto simile ad un STM. Possiede una punta molto sottile che viene fatta muovere in prossimità (a qualche frazione di nanometro) della superficie da investigare. Fra la punta ed il campione si instaura una forza di interazione atomica, e durante il percorso di scansione della punta, mantenendo costante la distanza reciproca, si misura la variazione della forza dovuta alla rugosità superficiale. Si ottiene, anche questa volta, una mappa topografica della superficie. La modalità operativa appena descritta è denominata “non contact mode”, ma ne esistono parecchie altre. L’AFM può investigare campioni sia conduttori sia isolanti elettrici non necessariamente sotto vuoto spinto.

SPM (Scanning Probe Microscope)

I microscopi STM e AFM sono i più diffusi nello studio delle nanotecnologie e fanno parte della famiglia degli SPM. A seconda delle proprietà superficiali da investigare si utilizza un particolare tipo di microscopio SPM, a volte ottimizzato per la specifica applicazione. Attualmente si sta estendendo l’impiego per trasformarli in strumenti idonei all’immagazzinamento ad alta densità di dati, o nella tecnica della “dip pen nanolithopgraphy” per tracciare linee di dimensioni nanometriche.

Tecniche Ottiche

A causa di limiti fisici, le tecniche ottiche appaiono condizionate dal “potere di risoluzione”, che le limita dal poter distinguere oggetti di dimensioni puntiformi distanti non meno di metà della lunghezza dell’onda luminosa incidente. In base a questa osservazione sembrerebbe che siano inadeguate per investigare strutture su scala nanometrica, in realtà si riesce a superare questo ostacolo sfruttando le loro proprietà meccanico-quantistiche. Infatti, le tecniche che si sono sviluppate sfruttano l’interferenza di fasci luminosi per misurare le dimensioni di strutture ed oggetti di dimensioni nanometriche. Per tale ragione vengono chiamate tecniche interferometriche.

Litografia

Si tratta di una tecnica molto impiegata nell’industria elettronica per la produzione di circuiti integrati su fette sottili di semiconduttori (wafer). Si parte da una maschera su cui si disegnano i circuiti, per proiettarli, in seguito, rimpiccioliti sulla fetta di semiconduttore tramite un complesso sistema di lenti. Successivamente, mediante trattamenti chimici si creano per erosione i circuiti che precedentemente erano strati soltanto disegnati. Il processo tradizionale impiegava la luce ultravioletta durante le fasi di proiezione del circuito sulla fetta di semiconduttore, attualmente, per migliorare la risoluzione fino a qualche decina di nanometri dei circuiti fabbricati, si utilizzano fasci di elettroni o i raggi X. Con queste tecniche si producono micro/nanomacchine come i MEMS (Micro Electro Mechanical System) e i NEMS (Nano Electro Mechanical System) che stanno riscuotendo un’enorme interesse in vari campi applicativi.

Strumentazione aggiuntiva

Si dovrebbe riportare una lista molto lunga di strumenti, apparecchi e macchinari che sono necessari in campo nanotecnologico per compiere le diverse fasi di ricerca. Ci si limita a citarne soltanto alcuni pur non sminuendo l’importanza di quelli non indicati.
  • NMR (Nuclear Magnetic Resonance);
  • MBE (Molecular Beam Epitaxy);
  • SNOM (Scanning Near-field Optical Microscopy);
  • XRD (X Ray Diffractometry);
  • XAS (X-ray Absorption Spectroscopy);
  • Laser Spectroscopy;
  • MeV ion beam analysis;
  • PIXE (Particle Induced X-ray Emission.

Modelli di simulazione al calcolatore

La diffusione di supercomputer e di reti di calcolo distribuite ha permesso la realizzazione di software molto complessi per la simulazione del comportamento dei materiali. Risulta, infatti, interessante comprendere le dinamiche che si creano nella struttura del materiale, in seguito a una determinata sollecitazione, a partire dall’interazione dei singoli atomi. In tal modo si riesce a comprendere e predire il comportamento di strutture su nanoscala come le proteine o i nanograni di un solido massivo. I modelli tengono conto sia della meccanica classica e sia della quanto meccanica.

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