I fisici della UC San Diego hanno sviluppato un nuovo tipo di microscopio a raggi X in grado di penetrare in profondità all'interno di materiali come la favolosa visione a raggi X di Superman e vedere i minimi dettagli alla scala di un singolo nanometro, o un miliardesimo di metro.

Ma non è tutto. Cosa c'è di insolito in questo nuovo, nanoscala, microscopio a raggi X è che le immagini non sono prodotte da una lente, ma per mezzo di un potente programma per computer.

Gli scienziati riferiscono in un articolo pubblicato nell'edizione online di questa settimana del Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze che questo programma per computer, o algoritmo, è in grado di convertire i modelli di diffrazione prodotti dai raggi X che rimbalzano sulle strutture in nanoscala in immagini risolvibili.

"La matematica dietro questo è un po' complicata, " disse Oleg Shpyrko, un assistente professore di fisica alla UC San Diego che ha guidato il gruppo di ricerca. "Ma quello che abbiamo fatto è mostrare che per la prima volta possiamo visualizzare domini magnetici con precisione nanometrica. In altre parole, possiamo vedere la struttura magnetica a livello di nanoscala senza l'uso di lenti".

Un'applicazione immediata di questo microscopio a raggi X senza lenti è lo sviluppo di piccoli, dispositivi di archiviazione dati per computer che possono contenere più memoria.

"Ciò aiuterà la ricerca sui dischi rigidi in cui i bit magnetici di dati sulla superficie del disco sono attualmente di soli 15 nanometri, "ha detto Eric Fullerton, un coautore dell'articolo e direttore del Center for Magnetic Recording Research della UC San Diego. "Questa nuova capacità di visualizzare direttamente i bit sarà preziosa mentre spingiamo a memorizzare ancora più dati in futuro".

Lo sviluppo dovrebbe essere immediatamente applicabile anche ad altri settori della nanoscienza e della nanotecnologia.

"Per far progredire la nanoscienza e la nanotecnologia, dobbiamo essere in grado di capire come si comportano i materiali su scala nanometrica, " ha detto Shpyrko. "Vogliamo essere in grado di produrre materiali in modo controllato per costruire dispositivi magnetici per l'archiviazione dei dati o, in biologia o chimica, essere in grado di manipolare la materia su scala nanometrica. E per farlo dobbiamo essere in grado di vedere su scala nanometrica. Questa tecnica ti permette di farlo. Ti consente di esaminare i materiali con i raggi X e vedere i dettagli su scala nanometrica".

"Perché non c'è nessuna lente nel modo, mettere un magnete ingombrante attorno al campione o aggiungere attrezzature per cambiare l'ambiente del campione in qualche altro modo durante la misurazione è molto più facile con questo metodo che se dovessimo usare una lente, " ha aggiunto Shpyrko.

Ashish Tripathi, uno studente laureato nel laboratorio di Shpyrko, sviluppato l'algoritmo che serviva da lente del microscopio a raggi X. Ha funzionato, in linea di principio, un po' come il programma per computer che ha reso più nitide le immagini inizialmente sfocate del telescopio spaziale Hubble, che è stato causato da un'aberrazione sferica nello specchio del telescopio prima che il telescopio fosse riparato nello spazio. Un concetto simile è impiegato dagli astronomi che lavorano in telescopi terrestri che utilizzano ottiche adattive, specchi mobili controllati da computer, per eliminare le distorsioni nelle loro immagini dalla luce scintillante delle stelle che si muove attraverso l'atmosfera.

Ma la tecnica sviluppata da Tripathi era completamente nuova. "C'è stata molta simulazione nello sviluppo; è stato molto lavoro, " disse Shpyrko.

Per testare la capacità del loro microscopio di penetrare e risolvere i dettagli su scala nanometrica, i fisici realizzarono un film stratificato composto dagli elementi gadolinio e ferro. Tali film sono ora in fase di studio nel settore della tecnologia dell'informazione per sviluppare una maggiore capacità, più piccoli, e memoria del computer e unità disco più veloci.

"Entrambi sono materiali magnetici e se li combini in una struttura si scopre che formano spontaneamente domini magnetici su scala nanometrica, Shpyrko. "In realtà si autoassemblano in strisce magnetiche."

Al microscopio a raggi X, il film stratificato di gadolinio e ferro assomiglia a un dolce baklava che si increspa magneticamente per formare una serie di domini magnetici, che appaiono come i vortici ripetuti delle creste nelle impronte digitali. Essere in grado di risolvere questi domini su scala nanometrica per la prima volta è di fondamentale importanza per gli ingegneri informatici che cercano di stipare più dati in dischi rigidi sempre più piccoli.

Poiché i materiali sono realizzati con domini magnetici sempre più piccoli, o modelli di impronte digitali sempre più sottili, più dati possono essere memorizzati in uno spazio più piccolo all'interno di un materiale. "Il modo in cui siamo in grado di farlo è ridurre le dimensioni dei bit magnetici, " ha detto Shpyrko.

La tecnica dovrebbe trovare molti altri usi anche al di fuori dell'ingegneria informatica.

"Sintonizzando l'energia dei raggi X, possiamo anche usare la tecnica per guardare diversi elementi all'interno dei materiali, che è molto importante in chimica, " ha aggiunto. "In biologia, può essere utilizzato per l'immagine di virus, cellule e diversi tipi di tessuti con una risoluzione spaziale migliore di quella disponibile utilizzando la luce visibile".

Gli scienziati hanno utilizzato l'Advanced Photon Source, la più brillante fonte di raggi X coerenti nell'emisfero occidentale, presso l'Argonne National Laboratory dell'Università di Chicago vicino a Chicago per condurre il loro progetto di ricerca, che è stato finanziato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Oltre a Tripati, Shpyrko e Fullerton, un professore di ingegneria elettrica e informatica alla UC San Diego, altri coautori del documento includono gli studenti laureati in fisica della UC San Diego Jyoti Mohanty, Sebastian Dietze ed Erik Shipton, nonché i fisici Ian McNulty e SangSoo Kim presso l'Argonne National Laboratory.