Lo sviluppo di nuovi dispositivi scientifici che spingono i limiti di ciò che possiamo osservare e misurare non avviene dall'oggi al domani. Di solito ci sono piccoli passi coinvolti, piccoli e continui miglioramenti per contrastare i numerosi ostacoli tecnici che si presentano lungo il percorso. Il nuovo microscopio elettronico all'avanguardia sviluppato dal Prof. Tsumoru Shintake presso l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) non fa eccezione alla regola. Attraverso lo sviluppo di questo microscopio unico nel suo genere, I ricercatori dell'OIST hanno riportato un passo così cruciale sulla rivista Microscopy utilizzando strati sottilissimi di grafene per migliorare le immagini microscopiche di minuscoli virus.

I microscopi elettronici si basano su un fascio di elettroni piuttosto che sulla luce per illuminare il campione target. Il fascio di elettroni colpirebbe il campione, con la conseguente dispersione degli elettroni che consente agli scienziati di costruire un'immagine accurata del bersaglio. Per di qua, i microscopi elettronici possono raggiungere una risoluzione molto più elevata rispetto ai dispositivi basati sulla luce. L'esclusivo microscopio del Prof. Shintake non si affida più nemmeno alle lenti ottiche, utilizzando invece un rilevatore per rivelare quali elettroni colpiscono i minuscoli campioni di virus e ricostruendo l'immagine attraverso un algoritmo informatico. Inoltre, mentre i microscopi elettronici convenzionali richiedono elettroni ad alta energia, questo microscopio si concentra piuttosto sugli elettroni a bassa energia che possono essere potenzialmente molto più efficienti nell'imaging dei virus se i problemi tecnici associati possono essere superati.

"Gli elettroni a bassa energia interagiscono fortemente con la materia, " ha spiegato il dottor Masao Yamashita, il primo autore dello studio. "Sono ottimi per l'imaging di campioni biologici, costituito da materiali leggeri come il carbonio, ossigeno e azoto, che sono fondamentalmente trasparenti agli elettroni ad alta energia."

L'utilizzo di elettroni a bassa energia presenta però un importante inconveniente:a causa della sua elevata sensibilità alla materia, un fascio di elettroni a bassa energia interagirebbe con il campione bersaglio ma anche con tutto il resto come la piastra di supporto e la pellicola su cui giace il campione. L'immagine risultante non distinguerebbe il materiale di studio dallo sfondo.

Per contrastare questo effetto, i ricercatori della Quantum Wave Microscopy Unit si sono rivolti alle proprietà uniche del grafene. Hanno sintetizzato un film costituito da un singolo strato – sottile un atomo – di grafene su cui i campioni biologici, come i virus che studiano, sarà mostrato.

Il grafene è estremamente conduttivo, il che significa che gli elettroni possono attraversare lo strato molto facilmente. Per di qua, gli elettroni a bassa energia interagiranno molto poco con lo strato di grafene di fondo e molto di più con il campione di virus che risalta con un grande contrasto. Questa elevata conduttività impedisce anche il "caricamento", un accumulo di elettroni sulla pellicola che distorcerebbe l'immagine finale. La sottigliezza della pellicola fornisce anche uno sfondo molto più luminoso - quindi un contrasto molto migliore con il materiale di studio - rispetto alle pellicole di carbonio convenzionali.

"Il film di grafene ci permette di ottenere un grande contrasto con elettroni a bassissima energia, permettendo di esaltare piccoli dettagli" ha aggiunto il Dr. Yamashita.

Però, un film di grafene non è così facile da maneggiare. È così chiaro che deve essere immacolato e privo di qualsiasi contaminante, portando gli scienziati dell'OIST a sviluppare una tecnica per pulire meticolosamente il film di grafene.

C'è anche un problema con il caricamento del campione di virus sul film di grafene. Il film di grafene è oleoso, mentre i preparati biologici sarebbero tipicamente a base acquosa. Non si mescolerebbero molto bene:se aggiungi solo i virus al film, i risultati sono virus che si aggrappano insieme in punti densi sparsi che rendono impossibile rivelare i singoli dettagli.

Per risolvere questo secondo problema, I ricercatori dell'OIST hanno fatto ricorso alla forza centrifuga per disperdere i virus sull'intera superficie del film, impedendo loro di formare grumi. I virus vengono caricati in un tubo con il film di grafene seduto a un'estremità, mentre l'altra estremità è fissata ad un asse verticale che viene ruotato fino a 100, 000 rotazioni al minuto. La forza centrifuga spinge i virus sul film di grafene e impedisce loro di raggrupparsi, permettendo di vedere dettagli distintivi su ogni campione con il microscopio elettronico.

Il risultato di tutti questi sforzi sono immagini ad alta risoluzione dei gusci dei virus, la cui forma e dettagli morfologici possono fornire indizi su come combatterli. Per dimostrare il loro lavoro di successo, I ricercatori dell'OIST hanno utilizzato il batteriofago T4, un noto virus che attacca batteri specifici. L'uso del grafene e di un fascio di elettroni a bassa tensione ha permesso loro di rivelare dettagli minuscoli come gli arti simili a fibre che il virus usa per agganciarsi alla sua preda batterica, precedentemente invisibile su una pellicola di carbonio convenzionale.

Il Dr. Yamashita e il suo team stanno già lavorando al passaggio successivo per aumentare ulteriormente la qualità delle immagini. Ricostruire le immagini e studiare in futuro la morfologia di vari tipi di esemplari, la capacità di confrontare con sicurezza immagini microscopiche di materiali biologici su una scala così piccola richiede una coerenza molto elevata tra i campioni. Per ottenere questa condizione, i ricercatori stanno ora sviluppando un modo robusto per preparare i virus spruzzandoli sulla pellicola di grafene in un vuoto sterile. I minuscoli virus non saranno in grado di nascondersi alla vista ancora per molto.