Negli ultimi due decenni, scienziati hanno scoperto che il microscopio ottico può essere utilizzato per rilevare, traccia e immagini oggetti molto più piccoli del loro limite tradizionale:circa la metà della lunghezza d'onda della luce visibile, o poche centinaia di nanometri.

Quella ricerca pionieristica, che ha vinto il Premio Nobel 2014 per la Chimica, ha permesso ai ricercatori di tracciare le proteine ​​nelle uova fecondate, visualizzare come le molecole formano connessioni elettriche tra le cellule nervose nel cervello, e studiare il movimento su nanoscala di motori in miniatura.

Ora, gli sviluppi della ricerca presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) consentono ai microscopi di misurare questi dettagli su scala nanometrica con un nuovo livello di precisione.

"Abbiamo messo il microscopio ottico sotto un microscopio per ottenere una precisione vicino alla scala atomica, ", ha affermato Samuel Stavis del NIST, che ha servito come capo progetto per questi sforzi.

Poiché i microscopi ottici non sono stati tradizionalmente utilizzati per studiare la scala nanometrica, in genere mancano della calibrazione - confronto con uno standard per verificare che un risultato sia corretto - necessaria per ottenere informazioni accurate su quella scala. Un microscopio può essere preciso, indicando costantemente la stessa posizione per una singola molecola o nanoparticella. Ancora, allo stesso tempo, può essere molto impreciso:la posizione dell'oggetto identificato dal microscopio entro un miliardesimo di metro può, infatti, essere milioni di un metro fuori a causa di errori non contabilizzati. "La precisione senza accuratezza può essere molto fuorviante, " ha detto Jon Geist, un coautore NIST dello studio.

Per affrontare il problema, Il NIST ha sviluppato un nuovo processo di calibrazione che esamina e corregge da vicino questi errori di imaging. Il processo utilizza materiali di riferimento, oggetti con caratteristiche ben note e stabili, che hanno il potenziale per la produzione di massa e la distribuzione capillare ai singoli laboratori.

Questo è importante perché i microscopi ottici sono strumenti di laboratorio comuni che possono facilmente ingrandire campioni diversi, che vanno da delicati campioni biologici a dispositivi elettrici e meccanici. Anche, i microscopi ottici stanno diventando sempre più capaci ed economici poiché incorporano versioni scientifiche delle luci e delle fotocamere negli smartphone.

Il team del NIST si è affidato a processi di fabbricazione su scala nanometrica per sviluppare il materiale di riferimento. I ricercatori hanno utilizzato fasci di elettroni e fresatura ionica per formare una serie di aperture stenopeiche attraverso una sottile pellicola di platino su un vetrino. Il processo ha permesso al team di distanziare le aperture 5, 000 nanometri di distanza, con una precisione di circa 1 nanometro. In questo modo, i ricercatori hanno costruito una misura di precisione nelle posizioni di apertura.

La luce brillante attraverso la serie di aperture crea una serie di punti per l'imaging. Ma poiché tutte le lenti dei microscopi hanno imperfezioni, inevitabilmente si verificano errori durante l'imaging che modificano le posizioni apparenti dei punti, facendo sembrare la spaziatura tra le aperture maggiore o minore della spaziatura effettiva progettata dal team. La conoscenza della spaziatura reale consente la correzione degli errori di imaging e la calibrazione del microscopio per misurazioni della posizione con elevata precisione su un ampio campo visivo.

Anche un piccolo errore può portare a un grosso problema. Tener conto di, Per esempio, un microscopio avente un ingrandimento effettivo di 103 volte quando l'ingrandimento previsto, come specificato dal produttore, è 100 volte. L'errore risultante del 3% si somma su grandi distanze attraverso un'immagine al microscopio. A causa delle imperfezioni delle lenti, si verifica anche un problema più sottile:l'ingrandimento del microscopio cambia attraverso l'immagine, causando distorsione dell'immagine. Risolvere questo problema, il team del NIST ha progettato array di aperture e processi di calibrazione che hanno funzionato su ampi campi visivi.

Le matrici di apertura, che consentirebbe ai singoli ricercatori di eseguire calibrazioni nei propri laboratori, potrebbe migliorare di un fattore 10, 000 la capacità dei microscopi ottici di localizzare con precisione la posizione di singole molecole e nanoparticelle.

Stavis e i suoi colleghi, tra cui il primo autore Craig Copeland del NIST e il Maryland NanoCenter presso l'Università del Maryland, hanno riportato i loro risultati in un articolo pubblicato di recente in Luce:scienza e applicazioni .

"Abbiamo identificato e risolto un problema sottovalutato, ", ha detto Copeland.

Dopo aver calibrato il loro microscopio ottico usando gli array, la squadra ha invertito il processo, utilizzando il loro microscopio per identificare le imperfezioni negli array di prototipi dal processo di nanofabbricazione. "Abbiamo testato i limiti della nanofabbricazione per controllare la spaziatura delle aperture, " ha notato il co-autore Rob Ilic, manager di NanoFab del NIST. La facilità e la velocità della microscopia ottica potrebbero facilitare il controllo della qualità degli array di aperture in un processo di produzione.

Finalmente, il team ha sfruttato la stabilità intrinseca degli array di aperture per valutare se le nanoparticelle fluorescenti, spesso utilizzati come punti di riferimento fissi nella microscopia ottica, in realtà sono rimasti fissi su un punto particolare o se si sono mossi. I ricercatori hanno scoperto che mentre i movimenti involontari del loro microscopio ottico rendevano sfocate le viste delle nanoparticelle, l'utilizzo dell'array di aperture ha mostrato che le nanoparticelle non si muovevano effettivamente su scala atomica.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.