Il risultato di un'analisi di superficie combinata tridimensionale ToF-SIMS-/SFM di una miscela di polimeri PCBM/CyI utilizzata dal Functional Polymers Laboratory dell'Empa per produrre celle solari organiche.
Il 3D NanoChemiscope è un miracolo della tecnologia di analisi all'avanguardia. Come ulteriore sviluppo di noti metodi microscopici e spettroscopici di massa, mappa le superfici fisiche e chimiche dei materiali fino al livello atomico. Questo strumento, che è unico al mondo, non solo fornisce immagini ad alta definizione; sa anche cosa sta "vedendo".
Cosa hanno in comune un pinguino e la superficie di una cella solare? Non molto ammette il fisico dell'Empa Laetitia Bernard. Eppure deve aver sorriso quando, durante l'elaborazione di un'immagine di una miscela polimerica necessaria per produrre un nuovo tipo di cella solare organica, a un certo punto riusciva a distinguere sempre più chiaramente la sagoma di un pinguino. Un piccolo dettaglio nel complesso mondo della microscopia ad alte prestazioni.
Il nanochimico 3D, che è stato sviluppato all'Empa, non solo mappa i campioni con precisione nanometrica, ma per la prima volta può anche fornire informazioni precise su quali elementi chimici sono disposti e dove in un campione. Ciò consente sia proprietà meccaniche, come durezza, elasticità o attrito, e chimiche delle superfici da determinare simultaneamente in tre dimensioni. Nel caso dell'immagine "pinguino", ciò significa che il NanoChemiscope 3D non cattura solo il contorno del "pinguino", ma rileva anche quali polimeri si trovano al suo "becco", al suo "occhio" e "intorno". Utilizzando questa tecnica di analisi, i ricercatori delle celle solari sono in grado di controllare in modo efficiente i meccanismi dei loro materiali e adattare di conseguenza la composizione o la concentrazione della loro miscela polimerica. Ciò consente di creare nuove strutture e quindi porta a migliori prestazioni della cella solare.
Alcune delle numerose immagini singole da cui il NanoChemiscope 3D ha generato la vista 3D. L'SFM esegue la scansione della topografia della superficie (l'immagine a sinistra mostra una sezione di dimensioni 12µm x 12µm. Le differenze di altezza visibili nell'immagine misurano 100-200nm). Con il TOF-SIMS, è possibile identificare dove si trovano sulla superficie i diversi materiali o polimeri nella miscela polimerica (Le immagini al centro ea destra mostrano gli ioni C-+C2- e CN-+I-).
Microscopio a scansione di forza e spettrometro di massa di fascia alta
Questa analisi è resa possibile dal NanoChemiscope 3D, che combina due tecniche precedentemente indipendenti. Il microscopio a scansione di forza (SFM) scansiona la superficie con una punta ultra fine, mentre lo spettrometro di massa di ioni secondari a tempo di volo (ToF-SIMS) determina la composizione del materiale del primo monostrato superficiale "sparando" ioni metallici su di esso.
Fino ad ora, per studiare le proprietà chimiche e fisiche delle superfici, è stato necessario analizzare il campione in due strumenti diversi. Però, quando si trasporta il campione da uno strumento all'altro, c'era sempre il pericolo di contaminazione o ossidazione. Inoltre, era praticamente impossibile ritrovare la posizione esatta scansionata dall'SFM. Che cosa, perciò, potrebbe essere più appropriato che "combinare" i due strumenti? In un progetto quadriennale sponsorizzato dall'UE, capo progetto Laetitia Bernard, insieme ai ricercatori dell'Empa e ai partner del mondo accademico e industriale, ha svolto un lavoro meticoloso per sviluppare un nuovo strumento in cui un SFM e un ToF-SIMS sono collocati in una camera a vuoto ultra-alto il più vicino possibile l'uno all'altro.
Gli esperti di microscopio hanno anche dotato il NanoChemiscope 3D di un nuovo sistema di trasporto sviluppato internamente, che utilizza motori piezoelettrici per spostare delicatamente il campione avanti e indietro su binari rivestiti con uno strato di carbonio simile al diamante (DLC). Il portacampioni può muoversi lungo cinque assi, consentendo di analizzare da qualsiasi angolazione il luogo in esame.
A seguito della sua costruzione, il prototipo – un mostro di alluminio scintillante lungo 1 metro, 70 centimetri di larghezza e 1,7 metri di altezza – è stato in funzione presso il partner del progetto ION-TOF GmbH a Münster, Germania, dove viene utilizzato da clienti industriali e partner di ricerca. È prevista la costruzione di più strumenti, clienti che hanno manifestato vivo interesse ed essere disposti a pagare somme superiori al milione di franchi svizzeri.
