Il Centro Ricerche Ibm di Zurigo non è nuovo ai grandi risultati in campo scientifico che hanno portato già due volte i suoi ricercatori a Stoccolma a ritirare il massimo riconoscimento del premio Nobel. In particolare il Centro ha svolto un’azione pionieristica nelle nanoscienze e nelle nanotecnologie e uno dei Nobel è andato proprio a Gerd Binnig e Heinrich Rohrer, IBM Fellows, che a Zurigo nel 1981 inventarono il microscopio a effetto tunnel (STM), rendendo possibile l’acquisizione dell’immagine di singoli atomi e la loro successiva manipolazione. L’STM è lo strumento che ha aperto le porte al mondo delle nanoscienze. Cinque anni più tardi lo stesso Binnig inventò il microscopio a forza atomica (AFM) senza contatto, che si può considerare un discendente del microscopio a effetto tunnel e con questo strumento nei mesi scorsi gli scienziati del centro di Zurigo sono riusciti ad acquisire l’immagine della struttura chimica di una molecola – si potrebbe dire della sua “anatomia” interna – e questo con una risoluzione, cioè con una capacità di distinguere i dettagli, senza precedenti.
I risultati sono stati pubblicati su Science a fine agosto (The Chemical Structure of a Molecule Resolved by Atomic Force Microscopy, di L. Gross, F. Mohn, N. Moll, P. Liljeroth e G. Meyer) ma seguono di due mesi la pubblicazione, sulla stessa rivista, del resoconto di un altro esperimento nel quale gli scienziati IBM hanno misurato gli stati di carica degli atomi utilizzando sempre un microscopio AFM.
L’AFM con una sensibilità a livello di carica del singolo elettrone è uno strumento potente per esplorare il trasferimento di carica in complessi molecolari; inoltre, a differenza dell’STM, che può essere utilizzato solo su materiali conduttivi, è indipendente dalla conduttività e può essere impiegato per studiare materiali di tutti i tipi, soprattutto gli isolanti. Nell’elettronica molecolare, che punta a utilizzare le molecole come elementi funzionali per i futuri dispositivi di calcolo e per dispositivi a singolo elettrone, è necessario un substrato isolante che eviti la dispersione degli elettroni. Ciò rende il microscopio AFM senza contatto lo strumento ideale per le sperimentazioni.
In quest’ultima performance i ricercatori hanno utilizzato un microscopio a forza atomica in ultravuoto e bassissime temperature (-268 °C) per acquisire le immagini della struttura chimica di singole molecole di pentacene. Il pentacene è una molecola organica oblunga, composta da 22 atomi di carbonio e 14 atomi di idrogeno e lunga 1,4 nanometri. Lo spazio tra gli atomi di carbonio adiacenti è di appena 0,14 nanometri – circa un milione di volte più piccolo del diametro di un granello di sabbia. Il microscopio AFM utilizza una punta di metallo affilata per misurare le minuscole forze tra la punta e il campione, come ad esempio una molecola, per creare un’immagine. Per ottenere l’immagine della struttura chimica di una molecola è però necessario intervenire in strettissima prossimità alla molecola: infatti l’intervallo in cui le interazioni chimiche danno un contributo significativo alle forze è inferiore a un nanometro. Per raggiungere questo obiettivo, si è dovuta aumentare la sensibilità della punta e superare un’importante limitazione dovuta al fatto che le molecole possono essere facilmente spostate dalla punta o aderire ad essa quando la punta si avvicina troppo, rendendo impossibile qualsiasi ulteriore misurazione. Le singole molecole sono state scelte con un’attenta selezione e una punta terminata da una molecola di monossido di carbonio ha prodotto il contrasto ottimale a un’altezza della punta di circa mezzo nanometro sopra la molecola oggetto di indagine: in tal modo ha agito come una potente lente di ingrandimento riuscendo a definire i singoli atomi all’interno della molecola di pentacene e rivelandone l’esatta struttura chimica su scala atomica.
Nell’immagine sperimentale ottenuta, le forme esagonali dei cinque anelli di carbonio e gli atomi di carbonio nella molecola sono chiaramente definiti; dall’immagine possono essere dedotte perfino le posizioni degli atomi di idrogeno. Per la prima volta quindi gli scienziati sono riusciti a guardare attraverso la nuvola di elettroni e vedere l’ossatura atomica di una singola molecola. Anche se non si tratta di un confronto tecnologico diretto, ciò ricorda le radiografie che passano attraverso il tessuto molle per consentire di acquisire immagini chiare delle ossa.
Oltre all’indubbio valore scientifico, questi risultati possono aprire nuove possibilità nell’elettronica applicata. Permettono infatti di studiare la trasmissione della carica attraverso le molecole o le reti molecolari e quindi di comprendere la distribuzione della carica su scala atomica: ciò è fondamentale per costruire componenti di calcolo più piccoli, più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai processori e ai dispositivi di memoria di oggi.
Ma il centro nanotech Ibm non si ferma qui: una nuova struttura per la ricerca collaborativa su nanoscala di altissimo livello, il Nanoscale Exploratory Technology Laboratory, sarà inaugurato nel 2011 all’interno di una partnership strategica nelle nanotecnologie con l’ETH di Zurigo, uno dei più prestigiosi politecnici europei.