RECORD: L’IMMAGINE CHE MOSTRA GLI ATOMI AD ALTISSIMA RISOLUZIONE

Nell’immagine d’anteprima si può osservare il reticolo cristallino di praseodimio ortoscandato, PrScO3, costituito da atomi rappresentati con dei pallini colorati, ingrandito cento milioni di volte, che ha permesso di raggiungere un’accuratezza pari al doppio rispetto al record precedente, finito nel Guinness dei primati, risalente al 2018.
Per ottenere questo incredibile risultato è stata usata una tecnica recentissima chiamata “pittografia elettronica”. Chiaramente stiamo parlando di microscopi elettronici. Diversamente dai microscopi ottici, che per osservare un campione lo colpiscono con un fascio di luce, i microscopi elettronici gli sparano addosso un fascio di elettroni. Sebbene più sia alta l’energia degli elettroni sparati e migliore è la risoluzione dell’immagine che si ottiene, un’energia degli elettroni troppo elevata produce un’alterazione dei campioni da osservare, fino addirittura a provocarne un danneggiamento. Questo problema è risolto grazie appunto alla pittografia elettronica, che consente di incrementare la risoluzione delle immagini senza aumentare l’energia degli elettroni.

Vediamo sinteticamente come funziona questa tecnica facendo il seguente paragone:
supponiamo di trovarsi in una stanza prima di luce contenente un oggetto sconosciuto di cui siamo interessati a scoprirne la forma. Un’idea potrebbe essere quella di lanciare contro l’oggetto delle palline e queste se colpiscono l’oggetto rimbalzano sulle pareti dotate di sensori. Continuando a lanciare le palline da angolazioni leggermente diverse, il pattern di rimbalzo sulle pareti cambia ad ogni angolazione. Ecco spiegato sinteticamente come funziona la pittografia elettronica consistente nel ricostruire la forma dell’oggetto a partire dall’analisi di questi pattern.

La pittografia elettronica è quindi una nuova tecnologia che permette di estrarre ulteriori informazioni sulla disposizione spaziale degli atomi senza utilizzare fasci di elettroni a più alto contenuto energetico ma osservando come gli elettroni “rimbalzano” sul campione.

La pittografia elettronica, dato che utilizza un rivelatore a matrice di pixel al microscopio elettronico (EMPAD) integrato con sofisticati algoritmi di ricostruzione 3D, necessita di calcolatori dotati di una potenza di calcolo elevatissima. Si pensi che finora la tecnica era stata utilizzata soltanto per ottenere immagini di materiali a due dimensioni, ovvero a un solo strato di atomi. Adesso, invece, la pittografia è stata applicata per la prima volta al fine di osservare un cristallo tridimensionale. Questo fatto ha uno straordinario impatto sulle possibili applicazioni pratiche, ad esempio, nel campo delle energie rinnovabili, si pensi allo sviluppo di batterie più efficienti, nella progettazione di semiconduttori più performanti da integrare nei chip di prossima generazione, e tanto altro.