I fisici dell'Università del Vermont Jeff Ulbrandt e Randy Headrick hanno scoperto un nuovo modo per mescolare i raggi X, aprendo una nuova finestra sugli atomi in movimento. Usando questa camera a vuoto, hanno creato pellicole sottili come quelle utilizzate nei pannelli solari e negli schermi LCD, mentre proiettavano raggi X su di essi all'Argonne National Laboratory. All'interno dei loro gigabyte di dati, gli scienziati hanno trovato una visione senza precedenti del movimento disordinato di oggetti complessi su scala nanometrica. Credito:Joshua Brown, UVM
I raggi X sono stati a lungo utilizzati per creare immagini di piccoli oggetti, anche singoli atomi. Ora un team di scienziati ha scoperto un nuovo uso dei raggi X su scala atomica:usarli come una pistola radar per misurare il movimento e la velocità di gruppi di atomi complessi e disordinati.
"È un po' come un autovelox della polizia:per difetti atomici e su scala nanometrica, "dice Randall Headrick, un professore di fisica all'Università del Vermont che ha guidato il gruppo di ricerca. La nuova tecnica è stata segnalata il 28 marzo sulla rivista Fisica della natura .
PORI PICCOLI
I raggi X hanno un grande potere di guardare dentro. Non è solo Superman; gli scienziati si sono avvicinati a quella che potrebbe sembrare fantascienza, addestramento dei raggi X su oggetti minuscoli, comprese le catene di DNA, virus, e singoli atomi. Ma mentre sondano la struttura di cose sempre più piccole, la disposizione casuale di quegli oggetti rende sempre più difficile distinguerli. Un problema di vecchia data è che le buone immagini a raggi X richiedono cristalli quasi perfetti, oggetti identici in un ordine preciso. Alla scala degli atomi, oggetti complessi e disordinati, come le pellicole sottili utilizzate per realizzare lo schermo di un telefono cellulare o gli strati metallici utilizzati nei circuiti elettronici, danno un'immagine sfocata ai raggi X. "È come fondere molti volti diversi in un'immagine composita, "Headrick dice, "o cercando di vedere come appare un'auto normale guardando il traffico sfrecciare lungo un'autostrada."
Un raggio di raggi X che si disperde su una sottile pellicola di silicio forma questo motivo a puntini che corrisponde ai dettagli della superficie. Gli scienziati dell'Università del Vermont hanno utilizzato questo tipo di immagini come parte di una scoperta che sta fornendo una nuova visione su scala nanometrica. Credito:Randall Headrick, UVM
In un nuovo approccio, Headrick e gli altri scienziati, con il sostegno del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, imporre ordine ai raggi X quando non c'è ordine in ciò che stanno guardando. Hanno usato raggi X coerenti (si pensi ai raggi X che viaggiano in una banda musicale) per recuperare alcune delle informazioni dalla loro immagine. Un po' come il radar rileva la velocità di un individuo sull'autostrada, hanno ripescato le distinte velocità di piccoli gruppi di atomi dal segnale a raggi X di massa che stavano brillando su un flusso di atomi in movimento. E in quel nuovo tipo di immagine a raggi X, hanno scoperto vuoti e minuscoli pori che si formano quando si realizzano due tipi di film sottili con silicio e tungsteno e come si muovono quei vuoti e pori.
La loro scoperta promette di migliorare le tecniche industriali per rendere più liscia, film sottili più perfetti, che hanno migliaia di applicazioni commerciali dai pannelli solari ai sistemi di somministrazione di farmaci, chip per computer a sacchetti di patatine.
Ma molto più importante, note di Headrick, la ricerca apre un nuovo modo di vedere molti tipi di complessi gruppi di atomi in movimento, non solo cristalli ordinati.
"Possiamo vedere questi difetti su scala nanometrica formarsi nel film mentre vengono realizzati, " dice Headrick. Gli scienziati sono rimasti sorpresi di essere stati in grado di creare una visione non solo della rugosità superficiale del film, ma anche la struttura interna. Questo è importante poiché la qualità dei film sottili può essere fortemente influenzata dalla relazione dinamica tra il modo in cui crescono in superficie, spesso spruzzati o depositati nel vuoto, e la struttura degli atomi che si formano al di sotto della superficie.
"Troviamo che ci sono due tipi di difetti, "Note di Headrick, "un tipo che si muove lungo la superficie e si pensa che siano nanocolonne che crescono con la superficie e un altro tipo che sono vuoti che non crescono con la superficie".
COME LA BIRRA
Per comprendere questi due tipi di difetti, versati un bicchiere di birra e guarda le bolle. Alcuni si muovono in linee sottili attraverso il liquido, viaggiando verso l'alto mentre si alza anche la parte superiore della birra. Altre bolle, intrappolato nella testa schiumosa, sono bloccati in posizione mentre più schiuma si accumula su di essi.
Ora immagina che queste bolle siano in realtà singoli atomi. Le linee di bolle che si alzano mentre si versa la birra sono come le nanocolonne di atomi che Headrick e il team hanno osservato con la nuova tecnica a raggi X. I vuoti nel film sono come le bolle intrappolate nella schiuma della birra.
L'autore principale dell'articolo è lo studente laureato di Headrick, Jeffrey Ulbrandt. Insieme, hanno collaborato con ricercatori della Boston University, compreso il fisico Karl Ludwig, e scienziati dell'Argonne National Laboratory, per fare la scoperta. Usando una grande macchina chiamata sincrotrone all'Advanced Photon Source di Argonne, sono stati in grado di dirigere onde altamente organizzate di raggi X sui film. Ripresa con questi raggi X coerenti, oggetti disordinati, come la superficie ruvida e l'interno confuso di una pellicola di silicio, possono essere rilevati in un complesso schema di macchioline che viene creato sul rivelatore di raggi X. "Questo motivo a puntini contiene informazioni dettagliate sulle forme e le distanze della raccolta di oggetti, "Headrick spiega.
ACCORDATURA RAGGI X
Questi raggi X coerenti possono anche rilevare il movimento, tracciare gruppi di atomi tremolanti e brulicanti che si muovono in modo indipendente e irregolare. Il nuovo studio spinge in avanti questa realizzazione. Gli scienziati hanno preso un'onda sparsa di raggi X che rimbalza sulla superficie ruvida del film sottile depositato in una camera a vuoto e l'hanno mescolata con un'onda sparsa di raggi X proveniente dai difetti disordinati - le nanocolonne e i vuoti - che si formano a e sotto la superficie del film.
Queste due onde miste funzionano un po' come una pistola radar. Le onde dalla superficie formano un riferimento di velocità, mentre le onde sotto la superficie formano un segnale molto più piccolo mescolato a questa onda di riferimento. Gli scienziati hanno osservato lo schema maculato dei raggi X che si disperdeva sulla superficie in crescita dei film sottili, diventando più spesso a una velocità nota. Quindi hanno misurato come questo modello maculato oscillava quando interagiva con i raggi X che rimbalzavano sui difetti e sull'interno. Queste oscillazioni ("come un diapason vibrante, " dice Headrick) sono causati da atomi che vanno a velocità diverse, il che ha fornito al team una misura sensibile delle velocità relative degli atomi in movimento. Ma invece di 55 mph, la superficie del film sottile cresce a pochi Angstrom al secondo. Alcuni dei difetti crescono con esso, mentre altri vengono lasciati nella nanopolvere.
"Questo è un nuovo effetto a raggi X, " Randy Headrick dice, "che ci permette di percepire la materia disordinata in movimento, su scala atomica".
