Una membrana di nitruro di silicio perforata funge da sensore di forza. Due "isole" accoppiate subiscono vibrazioni fuori piano. Su uno di essi vengono caricati i campioni e l'altro viene utilizzato per misurare le vibrazioni con un interferometro laser. Una punta di scansione metallica interagisce con i campioni e modifica le vibrazioni. Credito:Alexander Eichler, ETH Zurigo
Lo sviluppo dei microscopi a scansione di sonda nei primi anni '80 ha portato a una svolta nell'imaging, spalancando una finestra sul mondo su scala nanometrica. L'idea chiave è scansionare una punta estremamente affilata su un substrato e registrare in ogni punto la forza dell'interazione tra punta e superficie. Nella microscopia a scansione di forza, questa interazione è, come suggerisce il nome, la forza tra la punta e le strutture sulla superficie. Questa forza è tipicamente determinata misurando come cambia la dinamica di una punta vibrante mentre scansiona gli oggetti depositati su un substrato. Un'analogia comune è toccare un dito su un tavolo e rilevare oggetti posizionati sulla superficie.
Un team guidato da Alexander Eichler, scienziato senior nel gruppo del Prof. Christian Degen presso il Dipartimento di Fisica dell'ETH di Zurigo, ha ribaltato questo paradigma. Scrivendo in Revisione fisica applicata , riportano il primo microscopio a scansione di forza in cui la punta è a riposo mentre il substrato con i campioni su di esso vibra.
Scodinzolando la coda del cane
Fare la microscopia forzata "vibrando il tavolo sotto il dito" può sembrare che la procedura sia più complicata. In un senso, lo fa. Ma padroneggiare la complessità di questo approccio invertito porta grandi vantaggi. Il nuovo metodo promette di spingere la sensibilità della microscopia di forza al suo limite fondamentale, al di là di quanto ci si può aspettare da ulteriori miglioramenti dell'approccio convenzionale del "tapping delle dita".
La chiave per l'aumento della sensibilità è la scelta del substrato. Il 'tavolo' negli esperimenti di Eichler, Degen e i loro collaboratori è una membrana perforata in nitruro di silicio, uno spessore di soli 41 nm. Collaboratori dei fisici dell'ETH, il gruppo di Albert Schliesser dell'Università di Copenhagen in Danimarca, ha stabilito queste membrane a bassa massa come eccezionali risonatori nanomeccanici con fattori di qualità estremi. Dopo aver toccato la membrana, vibra milioni di volte, o più, prima di venire a riposare. Date queste squisite proprietà meccaniche, diventa vantaggioso far vibrare il tavolo piuttosto che il dito, almeno in linea di principio.
La separazione delle isole è di circa mezzo millimetro. Credito:David Hälg e Shobhna Misra, ETH Zurigo
Nuovo concetto messo in pratica
Tradurre questa promessa teorica in capacità sperimentale è l'obiettivo di un progetto in corso tra i gruppi di Degen e Schliesser, con il supporto teorico del Dr. Ramasubramanian Chitra e del Prof. Oded Zilberberg dell'Istituto di Fisica Teorica dell'ETH di Zurigo. Come pietra miliare di quel viaggio, i team sperimentali hanno ora dimostrato che il concetto di microscopia a scansione a forza di membrana basata su membrana funziona in un dispositivo reale.
In particolare, hanno dimostrato che né caricare la membrana con campioni né portare la punta a una distanza di pochi nanometri compromette le eccezionali proprietà meccaniche della membrana. Però, una volta che la punta si avvicina ancora di più al campione, la frequenza o l'ampiezza della membrana cambia. Per poter misurare questi cambiamenti, la membrana presenta un'isola in cui punta e campione interagiscono, nonché un secondo accoppiato meccanicamente al primo, da cui un raggio laser può essere parzialmente riflesso, per fornire un interferometro ottico sensibile.
Quantum è il limite
Mettendo questa configurazione al lavoro, il team ha risolto con successo le nanoparticelle d'oro ei virus del mosaico del tabacco. Queste immagini servono come prova di principio per il nuovo concetto di microscopia, sebbene non spingano ancora le capacità in un nuovo territorio. Ma l'obiettivo è a portata di mano. I ricercatori intendono combinare il loro nuovo approccio con una tecnica nota come microscopia a forza di risonanza magnetica (MRFM) per consentire l'imaging a risonanza magnetica con una risoluzione di singoli atomi, fornendo così una visione unica, Per esempio, in virus.
La risonanza magnetica su scala atomica sarebbe un altro passo avanti nell'imaging, combinando la massima risoluzione spaziale con informazioni fisiche e chimiche altamente specifiche sugli atomi ripresi. Per la realizzazione di quella visione, è necessaria una sensibilità prossima al limite fondamentale dato dalla meccanica quantistica. Il team è fiducioso di poter realizzare un sensore di forza così limitato quantistico attraverso ulteriori progressi nell'ingegneria delle membrane e nella metodologia di misurazione. Con la dimostrazione che è possibile la microscopia a scansione di forza basata su membrana, l'ambizioso obiettivo ha ora compiuto un grande passo avanti.
