Il primo caso di imaging a raggi X è stata la celebre mano di Bertha Röntgen, moglie dello scopritore dei preziosi raggi; da allora le frontiere sono molto avanzate e siamo al punto di parlare di immagini di atomi 3D e presto di Xray movie.
Di questo racconta con entusiasmo Francesco Sette, direttore dell’ESRF, il laboratorio europeo di luce di sincrotrone a Grenoble (Francia). Per spiegare cos’è l’ESRF, Sette – intervenendo al workshop “Passion for Light” organizzato dalla European Physical Society e dalla Società Italiana di Fisica a Varenna (16/9) – ripercorre le tappe della fisica del 900 a partire proprio da Röntgen e dalla dimostrazione, dovuta Von Laue ed altri a partire dal 1911, che i raggi X vengono diffratti dalla materia condensata, il che ha posto le basi per lo sviluppo della cristallografia.
Sette spiega che per determinare la disposizione degli atomi nello spazio e in generale per indagare la struttura della materia a una scala paragonabile con la dimensione degli atomi, è necessario utilizzare una radiazione elettromagnetica con lunghezze d’onda di circa un decimo di nanometro, quindi i raggi X.
Poi negli anni sessanta è arrivato il laser, che ha messo a disposizione dei ricercatori una sorgente straordinariamente efficiente di radiazione elettromagnetica in una regione dello spettro che va dal medio infrarosso al vicino ultravioletto, con particolare efficienza nella regione visibile. Il fatto è che la luce laser é strettamente monocromatica e se si vuole disporre di una sorgente elettromagnetica di lunghezza d’onda qualsiasi in un intervallo più ampio comprendente anche l’ultravioletto e i raggi X, bisogna ricorrere alla “luce di sincrotrone”.
La scoperta di questa singolare radiazione è stata effettuata da un gruppo di ricercatori della General Electrics nel 1947, ma i meccanismi fisici alla base del fenomeno erano ben noti. La luce di sincrotrone è la radiazione elettromagnetica emessa da un pacchetto di elettroni in moto a velocità relativistiche (cioè prossime a quella della luce) quando viene deflesso dalla sua traiettoria rettilinea tramite un campo elettromagnetico esterno. La deviazione dalla traiettoria rettilinea implica una accelerazione degli elettroni e si sapeva che una carica elettrica accelerata emette onde elettromagnetiche. Un fenomeno del genere si verifica anche naturalmente nello spazio, come si può vedere nelle immagini spettacolari della nebulosa del Granchio, dove lo sfondo bluastro diffuso è prodotto dalla luce di sincrotrone attivata dal campo magnetico della stella di neutroni centrale.
Con la luce di sincrotrone, osserva Sette, «si può fare un uso rivoluzionario dei raggi X». Ed è quello che è avvenuto a partire dalle prime apparecchiature negli anni 60, come la sorgente ADA realizzata in Italia a Frascati, seguita da una serie di impianti realizzati con i tipici anelli di accumulazione. Da quelle prime installazioni si è passati per le successive “generazioni” di eleganti “macchine” circolari. L’ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) è stato il primo della terza generazione ed è tra i quattro anelli più grandi – quindi più efficienti nei raggi X – con una circonferenza di circa un chilometro e gli elettroni che circolano a una energia di 6 GeV; gli altri tre sono a Chicago (APS a 7 GeV), a Tsukuba in Giappone (SpRing8 a 8 GeV) e ad Amburgo (PETRA III, 6 GeV). Ma non si può non citare il sincrotrone Elettra di Trieste; e Sette sottolinea anche l’intensa attività di Paesi come Cina, India, Brasile dove si stanno realizzando nuovi tipi di impianti.
E siamo ormai alla quarta generazione, che sta abbandonando l’uso degli anelli di accumulazione: «In queste nuove macchine si cerca di realizzare una emissione coerente da parte dei vari elettroni costituenti il singolo pacchetto, non come in quelle di generazione inferiore, dove ogni elettrone emette indipendentemente (incoerentemente) dagli altri. Si comprende perché ci si riferisce a queste sorgenti rivoluzionarie come a dei Laser a Elettroni Liberi nei raggi X (X-ray Free Electron Laser o XFEL) in quanto l’emissione di luce è legata in modo coerente sia al numero elettroni che al numero di fotoni presenti nella “cavità” che in questo caso è l’ondulatore». Sette fa notare che il riferimento esplicito al laser è leggermente improprio, in quanto non si produce – come nei veri Laser – una inversione di popolazione di livelli, ma può essere accettato per il fatto che, come nei laser, c’è un processo di emissione coerente di luce: in questo caso, luce di sincrotrone.
Ma dove sta l’importanza scientifica e applicativa della luce di sincrotrone? Sette fa riferimento ai settori tecnologici più avanzati e sottolinea che «la sfida del futuro è capire la funzionalità dei materiali e progettarne di nuovi con funzionalità specifiche e predefinite».
Le applicazioni si prospettano numerose, per ricerche in: archeologia, biologia, chimica, scienza dei materiali, medicina, paleontologia, fisica e molte altre ancora. Un impiego interessante e trasversale a molti campi è quello che ci riporta alla mano della signora Rongten: è l’X-Ray Imaging, con le sue varianti che comprendono la microscopia a spettroscopia di fluorescenza e la microscopia di diffrazione, le immagini tridimensionali che impiegano metodi tomografici e lo sfruttamento della coerenza. L’uso dei raggi X nell’imaging ha molti vantaggi specifici: le tecniche sono non distruttive e possono essere selettive per diverse proprietà, con sensibilità molto elevata.
Con un ulteriore possibile passo avanti all’orizzonte, che il direttore dell’ESRF lascia solo intravvedere: l’evoluzione dal X-ray imaging alle X-ray movies, che potenzierà la nostra conoscenza dei fenomeni a livello atomico, consentendoci di indagare processi in evoluzione quali propagazione di fratture, trasformazioni di fase e processi nano-biologici.