From London to Morse via Binnig, Quate, and Gerber

Immaginate un mondo in cui potete vedere e toccare i singoli atomi, i minuscoli mattoni che compongono tutto ciò che ci circonda. Per decenni, gli scienziati hanno utilizzato un tipo speciale di microscopio, chiamato microscopio a forza atomica, proprio per fare questo. Invece di usare la luce, che è troppo grande per vedere gli atomi, questo strumento utilizza un ago così affilato da terminare con un singolo atomo. Mentre questo ago fluttua sopra una superficie, percepisce le forze invisibili che tirano o spingono tra se stesso e gli atomi sottostanti. Queste forze vanno dai tiri molto deboli e delicati che tengono insieme la polvere, ai legami incredibilmente forti che tengono insieme le molecole. La grande domanda per i ricercatori è sempre stata: questo ago è solo un osservatore passivo, che registra silenziosamente ciò che c'è, o è un partecipante attivo che cambia ciò che vede?

Un team di ricercatori dell'Università di Nottingham e di altre istituzioni ha trascorso vent'anni a rispondere a questa domanda. Hanno intrapreso un viaggio attraverso i diversi tipi di forze che esistono alla scala atomica, partendo dalle più deboli e procedendo verso le più forti. Il loro lavoro dimostra che l'ago non è mai un semplice osservatore passivo; esso interagisce sempre con la superficie, a volte delicatamente e a volte così fortemente da spostare gli atomi. Comprendendo esattamente come si comporta l'ago, hanno imparato come costruire strutture minuscole atomo per atomo, e ora stanno insegnando ai computer come aiutarli a farlo ancora meglio.

La storia inizia con le forze più deboli, quelle che tengono insieme le nanoparticelle in uno strato sottile su una superficie. I ricercatori hanno osservato un film di piccole particelle d'oro, larghe solo circa due nanometri, appoggiate su una superficie di silicio. Quando hanno scansionato questa superficie con il loro ago atomico, è successo qualcosa di sorprendente. Le particelle, che inizialmente erano sparse in un modello disordinato e labirintico, hanno iniziato a riorganizzarsi in ammassi più grandi e lisci. Questo non è accaduto a causa del calore o dell'invecchiamento naturale; è accaduto perché l'ago stesso spingeva e tirava le particelle mentre scansionava avanti e indietro. L'ago agiva come una minuscola fonte di energia locale, dando piccoli colpi alle particelle finché non trovavano una disposizione più stabile. Questo processo, chiamato coalescenza, ha dimostrato che anche il tocco più gentile del microscopio poteva rimodellare una superficie, provando che lo strumento stesso stava guidando il cambiamento.

Salendo nella scala della forza, il team ha esaminato come due molecole a forma di pallone da calcio, note come fullereni, interagiscono tra loro. Sono riusciti a raccogliere una di queste molecole e ad attaccarla proprio sulla punta del loro ago. Poi, hanno avvicinato questa punta a un altro fullerene appoggiato sulla superficie. Misurando la forza tra di essi, hanno mappato esattamente come le due molecole si attrassero e si respingessero. Hanno scoperto che il modo in cui le molecole sono orientate l'una rispetto all'altra conta moltissimo. Anche se la forza complessiva era attrattiva, la forma specifica delle molecole faceva sì che le forze repulsive tra i loro atomi fossero ciò che determinava effettivamente come si assestassero insieme. Questa mappatura dettagliata ha mostrato che l'interazione era molto più complessa di una semplice attrazione; era un delicato equilibrio di forze che dipendeva interamente da come le molecole erano ruotate.

I ricercatori hanno poi rivolto la loro attenzione a un tipo comune di connessione chimica chiamata legame a idrogeno, che è fondamentale per tenere insieme molte molecole biologiche. In passato, alcuni scienziati avevano sostenuto di vedere questi legami direttamente nelle immagini al microscopio come linee luminose che collegano le molecole. Tuttavia, il team di Nottingham ha scoperto che queste linee luminose erano spesso illusioni. Quando hanno scansionato una superficie in cui le molecole erano tenute insieme da legami a idrogeno, hanno visto linee luminose esattamente dove dovrebbero esserci i legami. Ma quando hanno analizzato i dati con cura, si sono resi conto che quelle linee non erano i legami stessi. Erano invece causate dalla punta flessibile del microscopio che si fletteva leggermente mentre si muoveva sulla superficie, creando un'immagine che sembrava un legame anche quando non c'era nulla. Questa scoperta è stata una importante correzione nel campo, mostrando che ciò che sembra un legame chimico in un'immagine al microscopio potrebbe essere solo un artefatto del movimento dello strumento stesso.

Per andare oltre queste illusioni, il team si è concentrato sulle forze più forti di tutte: i legami covalenti, che sono i collegamenti rigidi che tengono uniti gli atomi in una struttura solida. Si sono concentrati su una superficie di silicio dove coppie di atomi, chiamati dimeri, erano bloccati insieme ma potevano oscillare avanti e indietro come un interruttore. Premendo l'ago con la giusta quantità di forza, sono stati in grado di invertire questi interruttori atomici, cambiando l'orientamento degli atomi su comando. Tuttavia, hanno scoperto che non potevano invertire un solo atomo isolatamente; l'azione influenzava sempre i suoi vicini. Questo ha insegnato loro che l'ambiente locale è critico; gli atomi sono così strettamente connessi che cambiare uno inevitabilmente cambia gli altri. Questo livello di controllo è essenziale per costruire futuri dispositivi su scala atomica, ma richiede una profonda comprensione di come l'intero gruppo di atomi reagisca alla sonda.

L'obiettivo ultimo di questo lavoro è costruire strutture dal basso verso l'alto, posizionando gli atomi uno alla volta per creare nuovi materiali. Il team ha dimostrato questo raccogliendo singoli atomi di rame da una superficie e depositandoli in un modello specifico. Hanno imparato che non potevano limitarsi a spingere gli atomi lateralmente; a volte dovevano sollevarli dalla superficie e lasciarli cadere in un nuovo punto. Questa manipolazione verticale ha permesso loro di costruire cluster di atomi che non potevano essere realizzati semplicemente facendoli scivolare lateralmente. Ad esempio, sono riusciti a creare un cluster triangolare stretto di tre atomi di rame, una forma impossibile da formare usando solo movimenti laterali. Questa capacità di muovere gli atomi su e giù, oltre che a destra e sinistra, ha aperto nuove strade per costruire forme complesse e tridimensionali a livello atomico.

In tutti questi esperimenti, i ricercatori si sono resi conto che la forma del loro ago era la variabile più importante. Una punta perfetta, a singolo atomo, è un ideale che raramente esiste nella realtà. Le punte dei loro microscopi erano spesso disordinate, con molteplici atomi che sporgevano, il che cambiava il modo in cui interagivano con la superficie. A volte questa disordine aiutava a vedere cose che non si potevano vedere con una punta perfetta, ma altre volte creava immagini confuse. Per risolvere questo, hanno iniziato a utilizzare l'intelligenza artificiale per aiutarli. Hanno addestrato programmi informatici per riconoscere la forma della punta e per decidere il modo migliore per muoverla. Questi programmi potevano imparare da migliaste di tentativi per trovare la sequenza perfetta di movimenti per raccogliere e posizionare gli atomi, automatizzando efficacemento il processo di costruzione con la materia.

Il lavoro di questo team evidenzia una verità fondamentale riguardo all'osservazione del mondo atomico: lo strumento che si usa è parte dell'esperimento. Non si possono semplicemente osservare gli atomi; si sta sempre interagendo con essi. Che si tratti di dare un leggero colpetto a una particella, di invertire un interruttore o di costruire una nuova struttura, il microscopio è un partecipante attivo. Comprendendo i limiti e le capacità dei loro strumenti, e utilizzando computer intelligenti per guidarli, questi scienziati si stanno avvicinando a un futuro in cui potremo progettare e costruire materiali atomo per atomo, creando cose che non sono mai esistite prima.