I ricercatori dell'EPFL hanno stampato sensori su scala nanometrica in grado di migliorare le prestazioni dei microscopi a forza atomica.

Piccoli sensori realizzati attraverso la stampa 3D su nanoscala potrebbero essere la base per la prossima generazione di microscopi a forza atomica. Questi nanosensori possono migliorare la sensibilità e la velocità di rilevamento dei microscopi miniaturizzando il loro componente di rilevamento fino a 100 volte. I sensori sono stati utilizzati per la prima volta in un'applicazione reale all'EPFL, e i risultati sono pubblicati in Comunicazioni sulla natura .

Un minuscolo giradischi che "ascolta" gli atomi

La microscopia a forza atomica si basa su una tecnologia potente che funziona un po' come un giradischi in miniatura. Un minuscolo cantilever con punta nanometrica passa sopra un campione e ne traccia il rilievo, atomo per atomo. I movimenti infinitesimali della punta in alto e in basso vengono rilevati da un sensore in modo da poter determinare la topografia del campione.

Un modo per migliorare i microscopi a forza atomica è miniaturizzare il cantilever, poiché ciò ridurrà l'inerzia, aumentare la sensibilità, e velocizzare il rilevamento. I ricercatori del Laboratorio per la bio e la nanostrumentazione dell'EPFL hanno raggiunto questo obiettivo dotando il cantilever di un sensore di 5 nanometri di spessore realizzato con una tecnica di stampa 3D su nanoscala. "Utilizzando il nostro metodo, il cantilever può essere 100 volte più piccolo, "dice Georg Fantner, direttore del laboratorio.

Elettroni che saltano gli ostacoli

I movimenti di salita e discesa della punta nanometrica possono essere misurati attraverso la deformazione del sensore posto all'estremità fissa del cantilever. Ma poiché i ricercatori avevano a che fare con movimenti minuti, più piccoli di un atomo, hanno dovuto tirare fuori un trucco dal cilindro.

Insieme al laboratorio di Michael Huth alla Goethe Universität di Francoforte sul Meno, hanno sviluppato un sensore costituito da nanoparticelle di platino altamente conduttive circondate da una matrice isolante di carbonio. In condizioni normali, il carbonio isola gli elettroni. Ma su scala nanometrica, entra in gioco un effetto quantistico:alcuni elettroni saltano attraverso il materiale isolante e viaggiano da una nanoparticella all'altra. "È un po' come se le persone che camminavano su un sentiero si imbattessero in un muro e solo pochi coraggiosi riuscissero a scavalcarlo, ", ha detto Fanner.

Quando la forma del sensore cambia, le nanoparticelle si allontanano l'una dall'altra e gli elettroni saltano tra di loro meno frequentemente. Le variazioni della corrente rivelano così la deformazione del sensore e la composizione del campione.

Sensori su misura

La vera impresa dei ricercatori è stata quella di trovare un modo per produrre questi sensori in dimensioni nanometriche controllando attentamente la loro struttura e, per estensione, le loro proprietà. "Nel vuoto, distribuiamo un gas precursore contenente platino e atomi di carbonio su un substrato. Quindi applichiamo un fascio di elettroni. Gli atomi di platino si raccolgono e formano nanoparticelle, e gli atomi di carbonio formano naturalmente una matrice intorno a loro, " disse Maja Dukic, l'autore principale dell'articolo. "Ripetendo questo processo, possiamo costruire sensori con qualsiasi spessore e forma desideriamo. Abbiamo dimostrato di poter costruire questi sensori e che funzionano su infrastrutture esistenti. La nostra tecnica può ora essere utilizzata per applicazioni più ampie, che vanno dai biosensori, Sensori ABS per auto, toccare sensori su membrane flessibili in protesi e pelle artificiale."