Nuove tecniche per la nanofotografia ultra-veloce

Riusciti a registrare immagini atomi e nanostrutture in tempo reale

I processi a livello atomico non sono solo minuscoli; essi spesso sono anche estremamente rapidi e quindi difficili da cogliere in azione. Ma ora, nella rivista Nature, scienziati tedeschi assieme a colleghi dagli Stati Uniti presentano delle tecniche che ci fanno fare un grande passo verso la produzione di un "film atomico".

Nello specifico, essi sono riusciti a registrare immagini a intervalli di tempo talmente brevi che è possibile osservare atomi e nanostrutture in tempo reale. Il "film atomico" che mostra come gli atomi si comportano nel momento cruciale di una reazione chimica ci aiuterà a comprendere dei processi che durano solo un femtosecondo (un femtosecondo è un milionesimo di miliardesimo di secondo).

La UE ha supportato questo lavoro mediante il progetto X-RAY PUMP-PROBE ("X-ray pump-probe spectroscopies - New tools to study ultrafast surface dynamics"), che ha ricevuto una sovvenzione internazionale Marie Curie per un soggiorno all'estero del valore di quasi 160.000 euro nell'ambito del Settimo programma quadro.

I tradizionali microscopi ottici che sono comunemente usati per mettere a fuoco piccoli oggetti hanno un problema fondamentale quando si tratta di osservare oggetti piccoli come un atomo.

Il meglio che questo tipo di microscopio può fare è ottenere una risoluzione per oggetti grandi circa 200 nm, quasi tre ordini di grandezza più grandi rispetto al diametro di un atomo. Allo scopo di avvicinarsi alla produzione di immagini su scale di lunghezza atomiche, è necessario un approccio radicalmente differente, il cui primo passo è quello di ridurre la lunghezza d'onda della luce.

La lunghezza d'onda di un fotone di luce visibile è immenso su scala atomica. La luce visibile si estende da circa 400 nanometri (nm) a 750 nm, e c'è un limite fondamentale, il cosiddetto limite di diffrazione, che determina con precisione la risoluzione minima di un oggetto ottenibile usando fotoni con queste lunghezze d'onda.

I raggi-X sono necessari per ottenere una risoluzione nanometrica e sub-nanometrica, e ci sono stati radicali e importanti passi in avanti nel potere di risoluzione dei microscopi a raggi-X negli ultimi anni. Gli scienziati dell'Università di Kiel hanno usato dei lampi di luce ultra brevi nella regione spettrale dei raggi-X morbidi generati con un sistema laser.

Il professor Michael Bauer dell'Università di Kiel spiega che: "le tecniche che abbiamo sviluppato ci permettono di registrare filmati di processi estremamente rapidi in modo molto più completo rispetto a ciò che era possibile fare in precedenza con tecniche simili".

"Noi siamo in grado di seguire direttamente le transizioni di fase in solidi o in reazioni catalitiche su superfici," ha aggiunto il professor Bauer. Queste avvengono quando, ad esempio, atomi e molecole reagiscono gli uni con gli altri o quando gli stati dei componenti elettronici mutano. Questi processi si svolgono su scale temporali dei femtosecondi.

"La quantità di informazioni ottenuta riguardando le nostre immagini al rallentatore è immensa," ha concluso il professor Bauer. "Noi otterremo conoscenze completamente nuove sulle più rilevanti proprietà elettroniche di solidi che sono importanti per una serie di tecnologie attuali e future, come ad esempio nelle telecomunicazioni."

Redazione (25/03/2011)
Pubblicato in Analisi e Commenti
Tag: atomi, nano, imaging

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