Microscopio Elettronico e La Materia

13 Agosto 2023 di Daniele Frulla


Di cosa e’ fatta la materia? Questa e’ la domanda che tanti si sono posti a causa della curiosita’ dell’uomo di conoscere il mondo.

La risposta data dalle ultime teorie scientifiche e’ che siamo costituiti di atomi. Sono stati studiati, analizzati e categorizzati per numero di elettroni ed elementi. La tavola periodica degli elementi l’abbiamo vista tutti almeno una volta nella vita!

Tavola Periodica degli Elementi

Come si possono vedere gli atomi?

I nostri occhi possono visualizzare solo le frequenze elettromagnetiche del visibile: la lunghezza d’onda della luce visibile nell’aria va indicativamente dai 390 ai 700 nm. In termini di frequenze, lo spettro visibile varia tra i 430 (rosso scuro) ed i 770 (violetto) THz.

In altre parole gli occhi percepiscono le frequenze dei fotoni che rimbalzano sugli oggetti che visualizziamo.

Possiamo vedere un atomo solamente attraverso delle elaborazioni sofisticate al computer che calcola l’energia in ogni istante. Avremmo la sensazione di inquadrare una nuvola senza colore che circonda i nucleo dell’atomo (protoni e neutroni).

Microscopi Ottici

Il primo microscopio usava proprio la luce per ingrandire gli oggetti. Le lenti raccolgono la luce riflessa o trasmessa dall’oggetto e la fanno passare attraverso l’oculare che permette di vedere l’immagine ingrandita con delle lenti. Il microscopio che usa la luce ha diversi vantaggi: è facile da usare, è economico, è portatile e non richiede preparazioni complicate dei campioni.

Tuttavia, ha anche dei limiti: non può ingrandire oltre un certo punto, perché la risoluzione dipende dalla lunghezza d’onda della luce (400-700nm), e non può mostrare i dettagli interni delle strutture cellulari, perché la luce viene assorbita o riflessa dalla membrana.

Per superare questi limiti, si possono usare altri tipi di microscopi, come quelli elettronici o a fluorescenza.

Microscopio elettronico

Il microscopio elettronico funziona usando un fascio di elettroni invece della luce visibile. Gli elettroni hanno una lunghezza d’onda molto più corta della luce (0,024 nm), quindi possono risolvere dettagli molto più fini. Il microscopio elettronico può raggiungere ingrandimenti di milioni di volte, mentre il microscopio ottico si ferma a qualche migliaio. Il microscopio elettronico è stato inventato negli anni ’30 del secolo scorso da due fisici tedeschi, Ernst Ruska e Max Knoll. Da allora, ha avuto un ruolo fondamentale in molte scoperte scientifiche, come la struttura del DNA, la forma dei virus o la composizione dei materiali. Il microscopio elettronico è uno strumento molto complesso e costoso, che richiede una preparazione speciale dei campioni e un ambiente controllato.

Altri tipi di microscopi

I successori del microscopio elettronici sono:

  • microscopio a forza atomica (AFM) ed è in grado di visualizzare la superficie di materiali e molecole con una risoluzione nanometrica. Questo significa che può mostrare dettagli dell’ordine di un miliardesimo di metro, ovvero la dimensione degli atomi. Per fare un confronto, il microscopio elettronico più potente ha una risoluzione di circa 0,1 nanometri, mentre l’AFM può arrivare fino a 0,01 nanometri.
  • Il microscopio a effetto tunnel (STM), che è un altro tipo di SPM (scansione di sonda) che sfrutta il fenomeno dell’effetto tunnel tra una punta metallica e un campione conduttore, misurando la corrente elettrica che scorre tra i due.
  • Il microscopio elettronico a scansione (SEM), che è un tipo di microscopio elettronico che utilizza un fascio di elettroni per bombardare il campione, raccogliendo i segnali secondari generati dall’interazione tra gli elettroni e il campione, come gli elettroni retrodiffusi o i raggi X.

Microscopio AFM

L’AFM funziona grazie a una sonda molto sottile e flessibile, chiamata cantilever, che viene avvicinata alla superficie da esaminare. Il cantilever ha una punta molto appuntita, che interagisce con le forze atomiche presenti tra la superficie e la punta stessa. Queste forze fanno piegare il cantilever, che viene rilevato da un sensore ottico. In questo modo si ottiene una mappa tridimensionale della superficie, con una precisione incredibile.

Filamenti di DNA al microscopio AFM

L’AFM ha molti vantaggi rispetto al microscopio elettronico. Innanzitutto, non richiede il vuoto o la preparazione dei campioni, quindi può operare in condizioni ambientali normali. Inoltre, può analizzare materiali isolanti o biologici, che non sono compatibili con il fascio di elettroni. Infine, può misurare anche le proprietà meccaniche, elettriche o magnetiche dei materiali, oltre alla loro morfologia.

L’AFM è uno strumento molto utile per la ricerca scientifica e tecnologica, in campi come la nanotecnologia, la biologia molecolare, la chimica dei materiali e la fisica dei solidi. Grazie all’AFM possiamo studiare le strutture atomiche e molecolari dei materiali e capire come influenzano le loro proprietà e funzioni. L’AFM ci permette di vedere il mondo invisibile con una chiarezza mai raggiunta prima.


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