Una tecnica che ha rivoluzionato la capacità degli scienziati di manipolare e studiare i materiali su nanoscala potrebbe avere conseguenze involontarie drammatiche, rivela una nuova ricerca dell'Università di Oxford.

Focused Ion Beam Milling (FIB) utilizza un minuscolo raggio di particelle altamente energetiche per tagliare e analizzare materiali più piccoli di un millesimo di capello umano.

Questa straordinaria capacità ha trasformato campi scientifici che vanno dalla scienza e ingegneria dei materiali alla biologia e alle scienze della terra. FIB è ora uno strumento essenziale per una serie di applicazioni tra cui; ricerca di leghe ad alte prestazioni per l'ingegneria aerospaziale, applicazioni nucleari e automobilistiche e per la prototipazione in microelettronica e microfluidica.

In precedenza si pensava che FIB causasse danni strutturali all'interno di uno strato superficiale sottile (spessore decine di atomi) del materiale da tagliare. Finora si presumeva che gli effetti del FIB non si sarebbero estesi oltre questo sottile strato danneggiato. Nuovi risultati innovativi dell'Università di Oxford dimostrano che non è così, e che FIB può infatti alterare drasticamente l'identità strutturale del materiale. Questo lavoro è stato svolto in collaborazione con i colleghi dell'Argonne National Laboratory, STATI UNITI D'AMERICA, Università La Trobe, Australia, e il Culham Center for Fusion Energy, UK.

In una ricerca appena pubblicata sulla rivista Rapporti scientifici , il team ha studiato il danno causato dalla FIB utilizzando una tecnica chiamata diffrazione coerente dei raggi X di sincrotrone. Questo si basa su raggi X ad alta energia ultra-luminosi, disponibile solo presso strutture centrali come Advanced Photon Source presso Argonne National Lab, STATI UNITI D'AMERICA. Questi raggi X possono sondare la struttura 3-D dei materiali su scala nanometrica. I risultati mostrano che anche dosi di FIB molto basse, precedentemente ritenuto trascurabile, avere un effetto drammatico.

Felix Hofmann, Professore Associato presso il Dipartimento di Scienze dell'Ingegneria di Oxford e autore principale dello studio, disse, "La nostra ricerca mostra che i fasci FIB hanno conseguenze molto più ampie di quanto si pensasse inizialmente, e che il danno strutturale causato è considerevole. Colpisce l'intero campione, cambiando radicalmente il materiale. Dato il ruolo che FIB è venuto a svolgere nella scienza e nella tecnologia, c'è un urgente bisogno di sviluppare nuove strategie per comprendere correttamente gli effetti del danno FIB e come potrebbe essere controllato".

Prima dello sviluppo di FIB, le tecniche di preparazione del campione erano limitate, consentendo solo la preparazione di sezioni dalla massa di materiale, ma non da caratteristiche specifiche. FIB ha trasformato questo campo rendendo possibile ritagliare piccoli coupon da siti specifici in un materiale. Questa progressione ha consentito agli scienziati di esaminare caratteristiche specifiche del materiale utilizzando microscopi elettronici ad alta risoluzione. Inoltre ha reso possibili prove meccaniche su piccoli campioni di materiale, una necessità per lo studio di materiali pericolosi o estremamente preziosi.

Sebbene desideroso che i suoi coetanei tengano conto delle gravi conseguenze della FIB, Il professor Hofmann ha detto, "La comunità scientifica è a conoscenza di questo problema da un po' di tempo ormai, ma nessuno (me compreso) si è reso conto della portata del problema. Non avremmo mai potuto sapere che la FIB aveva effetti collaterali così invasivi. La tecnica è parte integrante del nostro lavoro e ha trasformato il nostro approccio alla prototipazione e alla microscopia, cambiando completamente il nostro modo di fare scienza. È diventato una parte centrale della vita moderna".

Andando avanti, il team è desideroso di sviluppare la consapevolezza dei danni FIB. Per di più, si baseranno sul loro lavoro attuale per ottenere una migliore comprensione del danno formato e di come potrebbe essere rimosso. Il professor Hofmann ha detto, "Stiamo imparando a migliorare. Siamo passati dall'usare la tecnica alla cieca, per capire come possiamo effettivamente vedere le distorsioni causate da FIB. Successivamente possiamo considerare approcci per mitigare il danno FIB. È importante sottolineare che le nuove tecniche a raggi X che abbiamo sviluppato ci consentiranno di valutare l'efficacia di questi approcci. Da queste informazioni possiamo quindi iniziare a formulare strategie per gestire attivamente i danni FIB".