Un fisico del MIT ha costruito un nuovo strumento di interesse per i ricercatori del MIT in un'ampia gamma di discipline perché può determinare rapidamente e in modo relativamente economico una varietà di caratteristiche importanti di un materiale su scala nanometrica. È in grado non solo di determinare le proprietà interne di un materiale, come il modo in cui la conduttività elettrica o ottica di quel materiale cambia su distanze squisitamente brevi, ma anche visualizzare singole molecole, come le proteine.

"La moderna ricerca sui materiali ha tratto grande beneficio da strumenti sperimentali avanzati, " dice Long Ju, professore a contratto presso il Dipartimento di Fisica. Ju è un esperto di uno strumento emergente che combina la nanoscopia, la capacità di vedere le cose su scala nanometrica, con la spettroscopia, che sonda i materiali esplorando le loro interazioni con la luce.

Lo strumento, noto come nanoscopio e spettroscopio a infrarossi a campo vicino (è anche noto come microscopio ottico a scansione di campo vicino a scattering, o s-SNOM), è disponibile in commercio. Però, "è piuttosto impegnativo per i nuovi utenti, che limita le applicazioni della tecnica, "dice Ju.

Quindi il gruppo Ju ha costruito la propria versione dello strumento, il primo s-SNOM al MIT, e a maggio ne ha completato un secondo, versione più avanzata con funzioni aggiuntive. Ora entrambi gli strumenti sono a disposizione della comunità del MIT, e il gruppo Ju è a disposizione per fornire assistenza agli utenti del MIT e per sviluppare nuove funzionalità. Ju incoraggia i colleghi del MIT a contattarlo con potenziali domande o domande.

"È emozionante perché è una piattaforma che può, in linea di principio, ospitare molti sistemi di materiali diversi ed estrarre nuove informazioni da ciascuno, "dice Ju, che è anche affiliato al Materials Research Laboratory del MIT. "È anche una piattaforma per alcune delle migliori menti del mondo, i ricercatori del MIT, per concepire cose al di là di ciò che può essere fatto su un s-SNOM standard".

Il nuovo strumento si basa sulla microscopia a forza atomica (AFM), in cui una punta metallica estremamente affilata con un raggio di soli 20 nanometri, o miliardesimi di metro, viene scansionato sulla superficie di un materiale. AFM crea una mappa delle caratteristiche fisiche, o topografia, di una superficie, di una risoluzione così elevata da poter identificare "montagne" o "valli" inferiori a un nanometro di altezza o profondità.

Aggiungere luce

Ju sta aggiungendo luce all'equazione. La messa a fuoco di un laser a infrarossi sulla punta dell'AFM trasforma quella punta in un'antenna "proprio come l'antenna di un televisore utilizzato per ricevere segnali, " dice. E questo, a sua volta, migliora notevolmente le interazioni tra la luce e il materiale sotto la punta. La luce retrodiffusa raccolta da tali interazioni può essere analizzata per rivelare molto di più sulla superficie di quanto sarebbe possibile con un AFM convenzionale.

Il risultato:"Puoi ottenere un'immagine del tuo campione con tre ordini di grandezza di una risoluzione spaziale migliore rispetto a quella delle misurazioni a infrarossi convenzionali, " dice Ju. In lavori precedenti riportati in Natura , lui e colleghi hanno pubblicato immagini di grafene scattate con AFM e con il nuovo strumento. Ci sono caratteristiche in comune tra i due, ma l'immagine in campo vicino è piena di linee luminose che non sono visibili nell'immagine AFM. Sono muri di dominio, o le interfacce tra due diverse sezioni di un materiale. Queste interfacce sono fondamentali per comprendere la struttura e le proprietà di un materiale.

Immagini di dettagli simili possono essere catturate con la microscopia elettronica a trasmissione (TEM), ma TEM ha alcuni inconvenienti. Per esempio, deve essere azionato in un vuoto ultra spinto, e i campioni devono essere estremamente sottili per la sospensione su un film o una membrana. "Il primo limita il rendimento sperimentale, mentre quest'ultimo non è compatibile con la maggior parte dei materiali, "dice Ju.

In contrasto, il nanoscopio di campo vicino "può essere azionato in aria, non richiede la sospensione del campione, e puoi lavorare sulla maggior parte dei substrati solidi, " dice Ju.

Molte applicazioni

Ju osserva che lo strumento del campo vicino non può solo fornire immagini ad alta risoluzione delle altezze; l'analisi della luce retrodiffusa dalla punta della macchina può anche fornire importanti informazioni sulle proprietà interne di un materiale. Per esempio, può distinguere i metalli dagli isolanti. Può anche distinguere tra materiali con la stessa composizione chimica ma diverse strutture interne (si pensi al diamante rispetto alla mina).

In un esempio che descrive come "particolarmente cool, " Ju afferma che lo strumento potrebbe anche essere utilizzato per osservare la transizione di un materiale dall'isolante al superconduttore al variare della temperatura. È anche in grado di monitorare le reazioni chimiche su scala nanometrica.

Ju rileva inoltre che il nuovo strumento può essere utilizzato in modi diversi per scopi diversi. Per esempio, Egli ha detto, la punta dello strumento può essere scansionata su una superficie mentre viene irradiata con una lunghezza d'onda della luce impostata, oppure la punta può essere parcheggiata su una certa area e sondata con luce di diverse lunghezze d'onda. Diverse lunghezze d'onda della luce interagiscono in modo diverso con materiali diversi, fornendo ancora più informazioni sulla composizione di un determinato materiale o su altre caratteristiche.

Ju, che è venuto al MIT nel 2019, si diverte molto a incontrare altri ricercatori del MIT che potrebbero avere applicazioni per la sua macchina. "È entusiasmante lavorare con persone provenienti da diverse aree di ricerca. È possibile lavorare insieme per generare nuove idee all'avanguardia".