Un team di ricercatori di Jülich in collaborazione con l'Università di Magdeburgo ha sviluppato un nuovo metodo per misurare i potenziali elettrici di un campione con precisione atomica. Utilizzando metodi convenzionali, era praticamente impossibile fino ad ora registrare quantitativamente i potenziali elettrici che si verificano nelle immediate vicinanze di singole molecole o atomi. Il nuovo metodo di microscopia a punti quantici a scansione, che è stato recentemente presentato sulla rivista Materiali della natura da scienziati del Forschungszentrum Jülich insieme a partner di altre due istituzioni, potrebbe aprire nuove opportunità per la produzione di chip o la caratterizzazione di biomolecole come il DNA.

I nuclei atomici positivi e gli elettroni negativi di cui è composta tutta la materia producono campi di potenziale elettrico che si sovrappongono e si compensano a vicenda, anche su distanze molto brevi. I metodi convenzionali non consentono misurazioni quantitative di questi campi di piccole aree, responsabili di molte proprietà e funzioni dei materiali su scala nanometrica. Quasi tutti i metodi consolidati in grado di visualizzare tali potenziali si basano sulla misurazione delle forze causate dalle cariche elettriche. Eppure queste forze sono difficili da distinguere da altre forze che si verificano su scala nanometrica, che impedisce misurazioni quantitative.

Quattro anni fa, però, gli scienziati del Forschungszentrum Jülich hanno scoperto un metodo basato su un principio completamente diverso. La scansione della microscopia a punti quantici comporta il collegamento di una singola molecola organica, il punto quantico, alla punta di un microscopio a forza atomica. Questa molecola funge quindi da sonda. "La molecola è così piccola che possiamo collegare singoli elettroni dalla punta del microscopio a forza atomica alla molecola in modo controllato, " spiega il dottor Christian Wagner, capo del gruppo Manipolazione meccanica controllata delle molecole presso l'Istituto Peter Grünberg di Jülich (PGI-3).

I ricercatori hanno immediatamente riconosciuto quanto fosse promettente il metodo e hanno depositato una domanda di brevetto. Però, l'applicazione pratica era ancora lontana. "Inizialmente, era semplicemente un effetto sorprendente che era limitato nella sua applicabilità. Tutto è cambiato ora. Non solo possiamo visualizzare i campi elettrici dei singoli atomi e molecole, possiamo anche quantificarli con precisione, " spiega Wagner. "Ciò è stato confermato da un confronto con calcoli teorici condotti dai nostri collaboratori lussemburghesi. Inoltre, possiamo visualizzare ampie aree di un campione e quindi mostrare una varietà di nanostrutture contemporaneamente. E abbiamo solo bisogno di un'ora per un'immagine dettagliata".

I ricercatori Jülich hanno trascorso anni a studiare il metodo e alla fine hanno sviluppato una teoria coerente. Il motivo delle immagini molto nitide è un effetto che consente alla punta del microscopio di rimanere a una distanza relativamente ampia dal campione, circa due o tre nanometri, inimmaginabili per un normale microscopio a forza atomica.

In tale contesto, è importante sapere che tutti gli elementi di un campione generano campi elettrici che influenzano il punto quantico e possono quindi essere misurati. La punta del microscopio funge da scudo protettivo che smorza i campi di disturbo dalle aree del campione più lontane. "L'influenza dei campi elettrici schermati diminuisce così esponenzialmente, e il punto quantico rileva solo l'area immediatamente circostante, " spiega Wagner. "La nostra risoluzione è quindi molto più nitida di quanto ci si potrebbe aspettare anche da una sonda di punti ideale".

I ricercatori Jülich devono la velocità con cui l'intera superficie del campione può essere misurata ai loro partner dell'Università Otto von Guericke di Magdeburgo. Gli ingegneri hanno sviluppato un controller che ha contribuito ad automatizzare il complesso, sequenza ripetuta di scansione del campione. "Un microscopio a forza atomica funziona un po' come un giradischi, " dice Wagner. "La punta si muove attraverso il campione e mette insieme un'immagine completa della superficie. Nel precedente lavoro di microscopia a punti quantici a scansione, però, abbiamo dovuto spostarci in un singolo sito sul campione, misurare uno spettro, passare al sito successivo, misurare un altro spettro, e così via, per combinare queste misurazioni in un'unica immagine. Con il controllore degli ingegneri di Magdeburgo, ora possiamo semplicemente scansionare l'intera superficie, proprio come usare un normale microscopio a forza atomica. Mentre una volta impiegavamo 5-6 ore per una singola molecola, ora possiamo visualizzare aree campione con centinaia di molecole in appena un'ora".

Ci sono anche alcuni svantaggi, però. La preparazione delle misurazioni richiede molto tempo e fatica. La molecola che funge da punto quantico per la misurazione deve essere preventivamente fissata alla punta, e ciò è possibile solo nel vuoto a basse temperature. In contrasto, i normali microscopi a forza atomica funzionano anche a temperatura ambiente, senza bisogno di sottovuoto o complicate preparazioni.

E ancora, Prof. Stefan Tautz, direttore presso IGP-3, è ottimista:"Questo non deve limitare le nostre opzioni. Il nostro metodo è ancora nuovo, e siamo eccitati per i primi progetti in modo da poter mostrare cosa può davvero fare".

Esistono molti campi di applicazione per la microscopia a punti quantici. L'elettronica dei semiconduttori sta spingendo i confini della scala in aree in cui un singolo atomo può fare la differenza per la funzionalità. L'interazione elettrostatica svolge un ruolo importante anche in altri materiali funzionali, come catalizzatori. La caratterizzazione delle biomolecole è un'altra strada. Grazie alla distanza relativamente grande tra la punta e il campione, il metodo è adatto anche per superfici ruvide, come la superficie delle molecole di DNA, con la loro caratteristica struttura tridimensionale.