Quando qualcuno pronuncia la parola "ingrandire", si riferisce all'avvicinamento di oggetti distanti o all'ingrandimento di piccoli oggetti su scala tangibile. Non c’è dubbio che il potere degli strumenti di ingrandimento, indipendentemente dalla scala e dalla direzione, può portare al progresso del campo scientifico. Dal suo lancio nel 2021, il James Webb Space Telescope (JWST) ha intrapreso una missione per raccogliere dati senza precedenti dall'universo profondo, con l'obiettivo di ampliare la nostra comprensione dell'universo primordiale e del ciclo di vita dei corpi celesti.
L'analogia appropriata per il JWST nel mondo atomico è il microscopio elettronico corretto per l'aberrazione (ACEM). Sfruttando un elettrone altamente coerente insieme a un correttore di aberrazione, il microscopio eccelle nella risoluzione delle caratteristiche subatomiche, consentendo un'esplorazione completa della relazione struttura-funzione nei materiali. Essendo un punto fermo per i navigatori del nanomondo, il moderno ACEM può fornire informazioni preziose che rimangono insostituibili con altri metodi di caratterizzazione.
La contraddizione nasce dalla duplice natura degli elettroni ad alta energia. La proprietà ondulatoria dell’elettrone consente immagini ad alta risoluzione, mentre la proprietà delle particelle rende inevitabili le collisioni. Mentre le particelle viaggiano attraverso il gas a pressione ambiente, il loro percorso libero medio, ovvero la distanza che possono percorrere prima di cambiare sostanzialmente la loro direzione o energia originale, è limitato solo a circa 100 nm.
Le collisioni balistiche alterano la direzione dell'elettrone o ne riducono l'energia, ostacolando notevolmente le prestazioni dell'ottica elettronica. Per evitare queste collisioni, la colonna del microscopio viene solitamente mantenuta in condizioni di vuoto ultra elevato, che sono almeno 10 10 volte più sottile dell'aria ambiente.
La natura dell'ACEM ne limita l'applicabilità a campioni statici, sottili e solidi. Tuttavia, i materiali comprendono vari stati della materia oltre ai solidi, inclusi liquidi, gas e plasma. Per osservare le reazioni su scala nanometrica, è essenziale incapsulare i mezzi fluidi coinvolti all'interno di un nanoreattore sigillato, impedendone la dissipazione. L'utilizzo della tecnica dei sistemi microelettromeccanici (MEMS) del nitruro di silicio risponde a queste esigenze speciali, consentendo ai ricercatori di esplorare le reazioni su scala nanometrica.
Il film di nitruro di silicio, che funge da membrana di incapsulamento, può essere convenientemente prodotto con uno spessore nell'ordine di poche decine di nanometri utilizzando un processo di deposizione chimica da fase vapore. Questi film mostrano una ragionevole resistenza agli shock meccanici, in particolare quando hanno più di un certo spessore, sebbene esista un rapporto di compromesso con la trasparenza elettronica.
Analogamente a un acquario con pareti di vetro spesse diversi metri, che possono essere abbastanza robuste da contenere grandi quantità di acqua, massimizzare la visibilità attraverso il vetro diventa impegnativo. Pertanto, la progettazione del "muro" è fondamentale per garantire una visibilità ottimale sia negli acquari che nel contenitore dei liquidi per ACEM.
Per affrontare questa sfida, ci ispiriamo all'alveare, una struttura che resiste a elevate sollecitazioni meccaniche utilizzando una quantità minima di materiale. La nostra soluzione prevede la creazione di un sistema di supporto esagonale che riempia lo spazio utilizzando silicio fortemente drogato sotto il nitruro di silicio ultrasottile, ottenendo questo risultato con solo 1/5 dello spessore rispetto al metodo convenzionale.
La struttura ad alveare massimizza l'apertura per osservare le reazioni e fornisce una resistenza ottimale sotto stress meccanico. Grazie a questa innovazione ultrasottile, la membrana può essere assottigliata fino a una scala nanometrica a una cifra, circa 1/10.000 dello spessore di un capello umano, senza che si verifichino rotture o perdite al microscopio.
La trasparenza della membrana ultrasottile consente la mappatura dei fluidi con risoluzione spaziale sub-nanometrica e una significativa soppressione della diffusione avversa degli elettroni, una capacità non ottenibile con i materiali avvolgenti convenzionali. Questa innovazione consente una sensibilità nella fase gassosa tale da rilevare una manciata di molecole di gas all'interno del microscopio elettronico a trasmissione (TEM). Questo livello di sensibilità consente di catturare le reazioni che si verificano all'interfaccia gas-solido con una risoluzione temporale su scala di microsecondi.
Come esempio illustrativo, visualizziamo l'inserimento di atomi di idrogeno nel palladio metallico in condizioni di temperatura e pressione ambiente. Questa tecnologia ha un immenso potenziale per lo sviluppo e lo studio di nanocatalizzatori per la cattura del carbonio in fase gassosa, nonché di materiali energetici come celle a combustibile e batterie metallo-aria, fornendo informazioni su scala atomica. Il nostro lavoro è pubblicato sulla rivista Science Advances .
Pur operando su scala e ambito diversi, tracciamo un parallelo tra questo sviluppo e le capacità rivoluzionarie del James Webb Space Telescope (JWST), che sta fornendo immagini e dati senza precedenti che sfidano le teorie cosmologiche. Inoltre, proponiamo che questa strategia innovativa per la progettazione di microchip con membrane ultrasottili possa essere estesa a varie applicazioni in cui le membrane sottili fungono da incapsulamenti e/o materiali di supporto, con implicazioni che si estendono oltre il campo della nanoscienza.
Questa storia fa parte di Science X Dialog, dove i ricercatori possono riportare i risultati dei loro articoli di ricerca pubblicati. Visita questa pagina per informazioni su ScienceX Dialog e su come partecipare.
Ulteriori informazioni: Kunmo Koo et al, Microchip ultrasottile di nitruro di silicio per microscopia in situ/operando con elevata risoluzione spaziale e visibilità spettrale, Progressi scientifici (2024). DOI:10.1126/sciadv.adj6417
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
Il dottor Kunmo Koo è un ricercatore associato presso il Centro NUANCE. Il dottor Xiaobing Hu è professore associato di ricerca presso il dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali e responsabile della struttura TEM presso il centro NUANCE. Il dottor Vinayak P. Dravid è il professore di scienza e ingegneria dei materiali Abraham Harris e direttore fondatore del Centro NUANCE.
