Un nuovo studio sulla nanoscienza condotto da un ricercatore presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia offre uno sguardo d'insieme su come gli scienziati studiano i materiali su scala più piccola.
L'articolo, pubblicato su Science Advances , esamina i principali lavori nel campo della nanometrologia del sottosuolo, la scienza della misurazione interna a livello di nanoscala, e suggerisce che il rilevamento quantistico potrebbe diventare la base per la prossima era di scoperte nel settore. Le potenziali applicazioni potrebbero spaziare dalla mappatura delle strutture intracellulari per la somministrazione mirata di farmaci alla caratterizzazione di materiali quantistici e nanostrutture per il progresso dell'informatica quantistica.
"Il nostro obiettivo era definire lo stato dell'arte e considerare cosa è stato fatto e dove dobbiamo andare", ha affermato Ali Passian, ricercatore senior dell'ORNL e autore senior dello studio.
"Tutti vogliono sapere cosa c'è sotto la superficie dei materiali, ma scoprire cosa c'è veramente tende a essere incredibilmente impegnativo su qualsiasi scala. Speriamo di ispirare una nuova generazione di scienziati ad affrontare questa sfida sfruttando i fenomeni quantistici o qualunque sia l'opportunità più promettente può essere, in modo da poter ampliare i confini della scienza del rilevamento e dell'imaging verso maggiori scoperte e comprensioni."
Le particelle su scala nanometrica fungono da elementi costitutivi della scienza quantistica:abbastanza piccole da consentire agli scienziati di modificare le principali proprietà dei materiali con la massima precisione. Un nanometro equivale a un miliardesimo di metro, un milionesimo di millimetro e un millesimo di micrometro. Il foglio di carta medio, ad esempio, ha uno spessore di circa 100.000 nanometri.
Passian e il coautore Amir Payam dell'Università di Ulster suggeriscono che il livello su scala nanometrica potrebbe essere non solo il luogo in cui si formano intricati complessi molecolari di sistemi biologici come le membrane cellulari, ma anche il luogo in cui si allineano le dimensioni dei materiali emergenti come le metasuperfici e i materiali quantistici. Finora si tratta di un'opportunità sottoesplorata, concludono.
Strumenti innovativi come il microscopio a scansione, che utilizza una sonda a punta affilata per ispezionare i campioni a livello atomico, hanno contribuito ad accelerare i progressi nella nanometrologia delle superfici. Gli studi sul sottosuolo hanno ottenuto meno risultati comparabili, notano gli autori.
"Tutti i nostri sensi sono orientati verso le superfici", ha detto Passian. "Sebbene sia ancora difficile, abbiamo esteso la nostra portata alla nanoscala disturbando in qualche modo il materiale usando luce, suono, elettroni e minuscoli aghi. Ma una volta lì, misurare ciò che c'è sotto rimane estremamente impegnativo. Abbiamo bisogno di nuovi metodi che ci permettano di scrutare all'interno di questi materiali lasciandoli intatti. La scienza quantistica può offrire opportunità in questo caso, in particolare il rilevamento quantistico, dove, ad esempio, si potrebbero sfruttare gli stati quantistici della sonda, della luce e del campione."
Gli autori suggeriscono che le tecniche di rilevamento quantistico ora nelle prime fasi di sviluppo potrebbero essere la chiave per i progressi nell’esplorazione del sottosuolo. Le sonde quantistiche, ad esempio, potrebbero utilizzare gli skyrmion, quasiparticelle subatomiche create da interruzioni nei campi magnetici e già allo studio per altre applicazioni quantistiche, per sondare più a fondo di quanto consentito da qualsiasi tecnica attuale.
"Le persone stanno lavorando duramente per superare i limiti di rilevamento e creare nuove modalità di misurazione", ha affermato Passian. "Penso che i prossimi anni saranno entusiasmanti in termini di materializzazione e implementazione user-friendly di queste tecniche verso il raggiungimento della nanometrologia quantistica delle superfici e delle regioni del sottosuolo."
Ulteriori informazioni: Amir Farokh Payam et al, Imaging oltre la regione della superficie:sondare materiali nascosti tramite microscopia a forza atomica, Progressi scientifici (2023). DOI:10.1126/sciadv.adg8292
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
Fornito da Oak Ridge National Laboratory
