La risoluzione dei microscopi a effetto tunnel può essere notevolmente migliorata attaccando piccole molecole o atomi alla loro punta. Le immagini risultanti sono state le prime a mostrare la struttura geometrica delle molecole e hanno suscitato molto interesse tra gli scienziati negli ultimi anni. Gli scienziati del Forschungszentrum Jülich e dell'Accademia delle scienze della Repubblica ceca di Praga hanno ora utilizzato simulazioni al computer per ottenere informazioni più approfondite sulla fisica di queste nuove tecniche di imaging. Una di queste tecniche è stata presentata sulla rivista Scienza dagli scienziati americani questa primavera. I risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista Lettere di revisione fisica .

"Un confronto tra i risultati sperimentali e le nostre simulazioni mostra un ottimo accordo e che, perciò, il nostro modello teorico è in grado di spiegare il meccanismo alla base delle immagini microscopiche in questa famiglia di tecniche, " afferma il prof. Tautz del Forschungszentrum Jülich. "Questo confronto è essenziale per analizzare le immagini".

Insieme ai suoi colleghi dell'Istituto Peter Grünberg (PGI-3), nel 2008 Tautz ha introdotto il metodo di attaccare singole molecole - inizialmente molecole di idrogeno, molecole successive come il monossido di carbonio – alla punta di un microscopio a scansione a effetto tunnel e utilizzandole come sonde di misurazione estremamente sensibili. La comunità scientifica ha risposto con grande interesse a questo metodo, e da allora la tecnica è stata continuamente perfezionata. Consente di utilizzare i microscopi a scansione a effetto tunnel come una sorta di microscopio a forza atomica in grado di visualizzare la struttura geometrica delle molecole con una precisione senza precedenti.

"Le nuvole di carica di valenza di complesse molecole organiche spesso si diffondono sull'intera molecola, nascondendo così la sua struttura atomica, " dice Tautz. Le molecole legate in modo flessibile sulla punta del microscopio possono essere utilizzate come sensori su misura e trasduttori di segnale che sono comunque in grado di rendere visibile la struttura atomica.

Negli ultimi anni, tali sensori atomici si sono dimostrati utili anche per lavorare con i microscopi a forza atomica. Quindi, nel maggio 2014, scienziati dell'Università della California, Irvine, ha mostrato per la prima volta che questi sensori possono essere utilizzati anche per migliorare i segnali in una modalità di imaging correlata nota come spettroscopia di tunneling elettronico anelastico. In questo caso, è la vibrazione della molecola sensore contro la punta del microscopio che reagisce sensibilmente al potenziale superficiale del campione scansionato.

"I nostri calcoli mostrano l'effetto delle forze elettrostatiche sull'AFM ad alta risoluzione, STM, e immagini IETS", spiega il Dr. Pavel Jelínek dell'Istituto di Fisica dell'Accademia delle Scienze della Repubblica Ceca a Praga. "Riteniamo che i risultati di questo lavoro siano un contributo importante all'uso della spettroscopia a tunnel di elettroni anelastica che consentirà di utilizzare la tecnica come fonte aggiuntiva di informazioni nella scienza dei materiali e di derivare parametri aggiuntivi dalle immagini".