Controluce - Figure per descrivere
guardare vicino
autore:
Cecilia Blasetti
affiliazione:
L'immagine
Struttura a terrazze di un cristallo di ceria
L’immagine rivela i difetti nanoscopici sulla faccia superiore di un cristallo di ceria. La superficie inquadrata misura 100 nm di lato.
Ceria è la denominazione comunemente adottata in scienza dei materiali per indicare il biossido di cerio. Il cerio (Ce), elemento che nella tavola periodica fa parte del gruppo delle terre rare, è un metallo notevolmente reattivo (in particolare, si ossida molto rapidamente). Proprio grazie alle sue capacità di rilasciare/immagazzinare ossigeno e di promuovere l’attività e la dispersione di altri metalli (nobili), la ceria è studiata con molto interesse per la catalisi dei processi di ossidazione ed è già utilizzata a livello industriale per la produzione di marmitte catalitiche.
L’immagine proviene da una ricerca sul rapporto tra queste proprietà chimico-fisiche della ceria e i difetti osservati sulla superficie del cristallo. I gradini che determinano la struttura a terrazze e i crateri che appaiono chiaramente nell’immagine sono infatti da ricollegare alla cessione di ioni di ossigeno atomico.
Il cristallo è stato preparato con bombardamenti di argon e successivi riscaldamenti in ambiente di ultra-alto-vuoto (UHV). Nonostante ciò, il campione richiede di essere ripulito quasi ogni giorno per ridurre il numero e il tipo di contaminanti presenti sulla superficie costituiti dai gas residui presenti nella camera a vuoto.
Ceria è la denominazione comunemente adottata in scienza dei materiali per indicare il biossido di cerio. Il cerio (Ce), elemento che nella tavola periodica fa parte del gruppo delle terre rare, è un metallo notevolmente reattivo (in particolare, si ossida molto rapidamente). Proprio grazie alle sue capacità di rilasciare/immagazzinare ossigeno e di promuovere l’attività e la dispersione di altri metalli (nobili), la ceria è studiata con molto interesse per la catalisi dei processi di ossidazione ed è già utilizzata a livello industriale per la produzione di marmitte catalitiche.
L’immagine proviene da una ricerca sul rapporto tra queste proprietà chimico-fisiche della ceria e i difetti osservati sulla superficie del cristallo. I gradini che determinano la struttura a terrazze e i crateri che appaiono chiaramente nell’immagine sono infatti da ricollegare alla cessione di ioni di ossigeno atomico.
Il cristallo è stato preparato con bombardamenti di argon e successivi riscaldamenti in ambiente di ultra-alto-vuoto (UHV). Nonostante ciò, il campione richiede di essere ripulito quasi ogni giorno per ridurre il numero e il tipo di contaminanti presenti sulla superficie costituiti dai gas residui presenti nella camera a vuoto.
La tecnica
Microscopio a effetto tunnel (STM)
Inventato nel 1981 da Gerd Binnig e Heinrich Rohrer (insigniti per questo del Nobel per la fisica del 1986), il microscopio a effetto tunnel (STM, Scanning Tunneling Microscope) è il capostipite dei microscopi a sonda di scansione (SPM, Scanning Probe Microscope), di cui fanno parte il microscopio a forza atomica (AFM, Atomic Force Microscope) e il microscopio a campo prossimo (SNOM, Scanning Nearfield Optical Microscope).Il fenomeno fisico che sta alla base del funzionamento di tutti questi microscopi è la piezoelettricità, la proprietà cioè che hanno alcune ceramiche di elettrizzarsi quando vengono deformate elasticamente e, viceversa, di deformarsi se assoggettate a un campo elettrico. Questa correlazione è molto precisa e permette, grazie a un meccanismo di retroazione (su cui si basa un dispositivo chiamato attuatore piezoelettrico), di guidare la sonda - la cui punta ha dimensioni idealmente monoatomiche - lungo le gibbosità della superficie scansionata, restituendone la topografia a una risoluzione nanometrica.
L’STM compie la sua scansione misurando la corrente di tunneling che passa tra la punta e il campione (si tratta di un fenomeno quantistico basato sull'effetto tunnel, l'effetto per cui gli elettroni possono oltrepassare seppure in minima quantità le "barriere di potenziale", come la barriera costituita dall'aria): l’intensità di questa corrente dipende infatti strettamente dalla distanza. Siccome si è in grado di misurare con estrema precisione questa intensità, si possono rilevare rugosità anche inferiori ai decimi nanometro.
Il microscopio è in grado di acquisire una fitta griglia di dati: questi dati, suscettibili anche di elaborazione matematica, possono poi venire visualizzati come immagini bidimensionali in toni di grigio (come mostra una delle immagini associate) oppure, utilizzando un programma di grafica 3D, come viste prospettiche in diversi colori. La colorazione della superficie del metallo nelle immagini presentate non ha quindi niente a che vedere con il colore naturale dell'oggetto rappresentato: è stata scelta per delle ragioni puramente estetiche.
Le immagini sono state realizzate presso il Laboratorio Nazional TASC INFM - CNR con un microscopio Omicron VT-STM (VariableTemperature-STM). Questo strumento è in grado di lavorare tra 130K e 800K, prestazione essenziale nel caso della ceria: peravere una conducibilità sufficiente a ottenere una buona risoluzione, bisogna infatti mantenere il campione a circa 300°C.
La maggior parte delle misure che utilizzano un STM devono venire effettuate in un ambiente estremamente pulito e isolato, perché le superfici della maggior parte dei materiali sono molto reattive e si ricoprono velocemente di contaminanti. Di solito, lo strumento viene per questo inserito in una camera di misura a tenuta stagna e tutta l’aria viene espulsa utilizzando delle speciali pompe a vuoto, fino a raggiungere pressioni tipiche di circa 10-10mbar (diecimila miliardi di volte inferiori alla pressione atmosferica).
L’STM compie la sua scansione misurando la corrente di tunneling che passa tra la punta e il campione (si tratta di un fenomeno quantistico basato sull'effetto tunnel, l'effetto per cui gli elettroni possono oltrepassare seppure in minima quantità le "barriere di potenziale", come la barriera costituita dall'aria): l’intensità di questa corrente dipende infatti strettamente dalla distanza. Siccome si è in grado di misurare con estrema precisione questa intensità, si possono rilevare rugosità anche inferiori ai decimi nanometro.
Il microscopio è in grado di acquisire una fitta griglia di dati: questi dati, suscettibili anche di elaborazione matematica, possono poi venire visualizzati come immagini bidimensionali in toni di grigio (come mostra una delle immagini associate) oppure, utilizzando un programma di grafica 3D, come viste prospettiche in diversi colori. La colorazione della superficie del metallo nelle immagini presentate non ha quindi niente a che vedere con il colore naturale dell'oggetto rappresentato: è stata scelta per delle ragioni puramente estetiche.
Le immagini sono state realizzate presso il Laboratorio Nazional TASC INFM - CNR con un microscopio Omicron VT-STM (VariableTemperature-STM). Questo strumento è in grado di lavorare tra 130K e 800K, prestazione essenziale nel caso della ceria: peravere una conducibilità sufficiente a ottenere una buona risoluzione, bisogna infatti mantenere il campione a circa 300°C.
La maggior parte delle misure che utilizzano un STM devono venire effettuate in un ambiente estremamente pulito e isolato, perché le superfici della maggior parte dei materiali sono molto reattive e si ricoprono velocemente di contaminanti. Di solito, lo strumento viene per questo inserito in una camera di misura a tenuta stagna e tutta l’aria viene espulsa utilizzando delle speciali pompe a vuoto, fino a raggiungere pressioni tipiche di circa 10-10mbar (diecimila miliardi di volte inferiori alla pressione atmosferica).
Cos'e' controluce
Controluce è una raccolta di immagini scientifiche provenienti dai laboratori di ricerca.
La scienza procede per modelli e anche per immagini. L'osservazione dei fenomeni, gli esperimenti di laboratorio, l'intuizione matematica, le simulazioni al computer utilizzano in molti casi la sintesi e la capacità evocativa di un'immagine. Sopratutto, le immagini sono un irrinunciablile ingrediente della comunicazione della scienza, sia interna che esterna a una certa disciplina.
Le immagini di Controluce vengono scelte e descritte da Ulisse con un lavoro di confronto e di dialogo con gli scienziati che le hanno prodotte. Si tratta di immagini che nascono direttamente dall'attività di ricerca, ma che hanno un alto potenziale comunicativo anche per un pubblico più ampio.
