Avete mai sentito dire la frase "gli atomi esistono, ma nessuno li ha mai visti"? La realtà, invece, è che qualcuno ci è riuscito.
Quelle sfere impaccate visibili nella foto sono proprio loro! L'immagine è la prima foto con risoluzione atomica - datata 1982 - di un piccolo agglomerato di atomi di oro, con una grandezza di circa 2.5 nanometri (un nanometro equivale a un miliardesimo di metro). Giusto per rendere meglio l'idea pensate che lungo il diametro di un capello si potrebbero allineare più di 2000 di queste nanoparticelle, mentre la grandezza di un atomo è nell'ordine degli Ångström (pari a 0.1 nanometro). Sono stati realizzati addirittura filmati di processi su scala atomica, ad esempio il movimento di atomi su una superficie come nel video qui sotto.
Ma com'è stato possibile arrivare a ottenere queste immagini?
La risposta può sembrare difficile, ma non è altro che utilizzando un microscopio, o meglio un microscopio elettronico.
Esistono tre modi attraverso i quali si può ottenere l'ingrandimento di un immagine:
- La proiezione, il principio del cinema, nella quale un'immagine viene posta davanti a una sorgente luminosa e la sua, appunto, proiezione viene raccolta su di uno schermo.
- L'uso di lenti, che è invece il principio del classico microscopio ottico, dove il loro uso permette di ottenere un ingrandimento seguendo le leggi dell'ottica classica.
- Infine un metodo di scansione, nel quale una punta stimola una risposta dal materiale e si procede facendo una scansione - pixel dopo pixel - per ottenere l'immagine.
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| Alta risoluzione |
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| Bassa risoluzione |
Un altro aspetto da tenere conto è poi la risoluzione, fisicamente definita come la minima distanza per cui due punti possono essere distinti come due entità diverse nell'immagine. Per rendere meglio l'idea prendiamo ad esempio due foto (qui a fianco), che nell'era digitale sono composte da pixel - semplicemente dei quadrati - e sono tali per cui maggiore è il numero dei pixel, maggiore è la risoluzione. Quelle qui a fianco sono due foto dello stesso oggetto: la foto a destra però contiene un numero di pixel centinaia di volte maggiore dell'altra. Soltanto aumentando il numero dei pixel si può vedere che in realtà, più che essere un confuso miscuglio grigio, l'oggetto è composto da diversi quadrati. Questi quadrati poi non sono altro che altre nanoparticelle ma, confrontandoli con la prima foto, sono rappresentati ad una risoluzione non ancora sufficiente a distinguere il singolo atomo. L'unico modo per andare a vedere gli atomi è allora continuare in questo senso aumentando la risoluzione; non volendo mettere equazioni per spiegarlo, sappiate che è determinata dalla lunghezza d'onda della sonda che stiamo usando per creare l'immagine (qui trovate il perché).
Nel microscopio ottico noi usiamo la luce visibile - che ha lunghezza d'onda compresa tra i 400 e i 700 nanometri - la quale non permette di risolvere punti più vicini di qualche centinaio di nanometri, dunque troppo per anche solo poter vedere le particelle che abbiamo fin qui descritto, ma più che sufficiente per poter osservare la singola cellula. L'idea è quindi di avere una sonda con lunghezza d'onda ancor più piccola e per questo sono stati scelti gli elettroni, la cui applicazione in un microscopio è iniziata nel lontano 1918. In base alla loro energia, che dal dualismo onda-particella della meccanica quantistica è legata alla lunghezza d'onda, si potrebbe arrivare a risoluzioni addirittura subatomiche che purtroppo non si riescono ancora a raggiungere a causa delle aberrazioni. Queste sono semplicemente una serie di fenomeni che anche gli appassionati di fotografia conoscono e che, soprattutto, sono la causa di quei problemi di astigmatismo e miopia che affliggono gli occhi (spero non anche i vostri...). È stato solo grazie ad una continua ricerca e innovazione tecnologica che nel giro di qualche decennio siamo arrivati a poter vedere quello che sin dagli antichi greci è stato teorizzato, ma mai visto con occhio umano.
La risoluzione atomica è raggiunta principalmente usando il cosiddetto microscopio elettronico a trasmissione (TEM) nel quale un fascio di elettroni penetra un sottile strato di materiale per ottenere un'immagine dall'altra parte del campione. Simili risoluzioni si possono raggiungere anche con il terzo metodo che abbiamo descritto sopra, ed è comunemente usato in due altri microscopi: il microscopio a scansione tunnel, e il microscopio a forza atomica.
In questi due strumenti una sottilissima punta, che idealmente dovrebbe terminare con un singolo atomo, misura, rispettivamente, una corrente o una forza che si instaura tra la punta e il materiale che vogliamo vedere. Incredibilmente si è riusciti a spingersi fino alla possibilità di isolare e vedere le singole molecole. Questo grandioso risultato è stato raggiunto dalla Università della California, Berkeley pochi anni fa. I ricercatori di Berkeley per primi sono riusciti a vedere ed isolare una molecola prima e dopo una reazione chimica, in un certo senso dando ai pionieri da chimica della fine dell'ottocento la conferma che le rappresentazioni che vediamo raffigurate su ogni libro di chimica, dedotte in un tempo che era tecnologicamente la preistoria per quello che abbiamo oggi, sono la reale interpretazione di come gli atomi si dispongano per formare molecole.
Fonte immagine [1] [2], video [1]