Carica e scarica gli atomi per "sintonizzare" i materiali

Progettare materiali alla lettera è sempre più vicino a diventare realtà. Sebbene la strada da percorrere sia ancora lunga, la capacità di manipolare gli atomi a piacimento per costruire strutture nanoscopiche percepibili con i nostri sensi sta cominciando a prendere forma. Usando la punta di un microscopio a forza atomica come una gru, i singoli atomi potrebbero essere spostati verticalmente da un punto all’altro su una superficie, come i mattoni nella costruzione di un edificio. Recenti ricerche hanno dimostrato computazionalmente come avverrebbe questo processo.

Ma a che cosa servirebbe essere in grado di produrre materiali su richiesta?

Questo tipo di manipolazione atomica, una volta ottenuta sperimentalmente, introdurrà una nuova strategia per la fabbricazione di nanostrutture atomo per atomo. Ciò consentirebbe di regolare con precisione atomica le proprietà di queste nanostrutture, con enormi potenzialità per la creazione di nanosensori, nanoantenne, template atomici per la sintesi di metamateriali, nuovi catalizzatori, una costruzione di circuiti di pochi atomi governati dalle leggi della meccanica quantistica.

Finora i singoli atomi possono essere spinti o attratti sulla superficie dove risiedono con l’aiuto della punta del microscopio, oppure essere scambiati tra la punta e la superficie. Queste operazioni o si effettuano solo per scorrimento degli atomi, oppure comportano la modifica del punto originario, impedendone la ripetizione ciclica. Inoltre, di solito sono limitati a un singolo tipo di atomi.

La nuova proposta di manipolazione verticale consentirebbe di raccogliere e rilasciare atomi di diversa natura in modo reversibile, senza modificare la punta originale, sfruttando solo le interazioni che esistono naturalmente tra gli atomi.

Come bloccare in un mondo senza morsetti

Se pensiamo in termini macroscopici, raccogliere e rilasciare oggetti è un problema facilmente risolvibile tramite la presa. Questo non è possibile quando vogliamo manipolare i singoli atomi, perché il clampaggio su questa scala non è possibile. Devi capire come eseguire queste operazioni fondamentali su scala atomica.

La forza attrattiva o repulsiva totale avvertita da un atomo è la somma di tutte le forze dovute alle interazioni con il resto degli atomi nel sistema. Questo è importante per capire cosa succede quando la punta del microscopio a forza atomica si avvicina a un atomo appoggiato su una superficie. Quando la punta è lontana dalla superficie, l’atomo non sente le forze della punta e interagisce solo in modo attraente con la superficie.

Quando la punta si avvicina all’atomo, anche l’atomo inizia a sentire le forze della punta. Le forze dipendono direttamente dalla distanza tra gli atomi, quindi se a una data distanza le forze di attrazione tra la punta e l’atomo sono più forti di quelle tra l’atomo e la superficie, quell’atomo si sposterà verso la punta. Quando la punta è ritirata l’atomo rimarrà sulla punta invece che sulla superficie. Zap! Abbiamo preso un atomo senza fare un morsetto!

Ma come lo lasciamo andare se l’atomo sente un’interazione più forte con la punta che con la superficie?

Questo è noto come il problema del dito appiccicoso.

Il problema delle dita appiccicose

Per lasciare andare l’atomo che abbiamo afferrato, dobbiamo trovare un punto particolare sulla superficie in cui l’equilibrio di forze tra la superficie e l’atomo è ora più attraente che tra l’atomo e la punta.

I microscopi a forza atomica hanno una precisione incredibile e possono spostare la punta a distanze molto ridotte per trovare quelle posizioni particolari. È possibile effettuare un leggero spostamento laterale della punta in modo che non coincida con la posizione iniziale. In questa nuova posizione laterale possiamo avvicinare ancora una volta la punta con l’atomo attaccato alla superficie, raggiungendo distanze leggermente diverse tra gli atomi.

Poiché le forze dipendono dalla distanza, giocando con queste distanze possiamo trovare posizioni laterali in cui l’atomo salta dalla punta alla superficie. In questo modo saremo in grado di rilasciare l’atomo.

In questo modo possiamo ripetere le stesse operazioni tutte le volte che vogliamo. Inoltre, poiché si ripetono posizioni equivalenti sulle superfici su cui agiamo, possiamo caricare un atomo in una posizione, spostarci in un’altra posizione equivalente diversa ed eseguire l’operazione di scarico.

Una gru atomica funzionante

Nella ricerca sopra citata, questo processo è stato simulato su una superficie di arseniuro di gallio ed è stato visto che con un unico punto, anche arseniuro di gallio, è possibile manipolare atomi di diversa natura come oro, gallio, arsenico e alluminio.

Se abbiamo un insieme di questi atomi distribuito casualmente sulla superficie, potremmo prima scansionarlo per determinare le posizioni iniziali degli atomi. Una volta che sappiamo dove si trovano, potremmo riposizionarli a nostro piacimento e quindi costruire nanoparticelle atomo per atomo, purché le strutture che formiamo siano chimicamente stabili. Si tratta di eseguire un processo meccanochimico.

Anche se può sembrare semplice messo così, è estremamente complesso da eseguire sperimentalmente e ci sono molte difficoltà tecniche da superare. Tuttavia, i progressi tecnici stanno gradualmente superando queste difficoltà. Una buona sinergia tra gruppi teorici e sperimentali è senza dubbio la strada da percorrere. I risultati delle indagini che abbiamo mostrato sono il risultato di questo tipo di collaborazione.

È così che possono essere generati protocolli realistici per eseguire processi di messa a punto che consentirebbero la tanto attesa progettazione à la carte dei materiali.