Laboratorio di sostenibilità

Caratterizzazione alla nanoscala di materiali per la transizione ecologica

I materiali per la transizione ecologica sviluppati in IMEM sono il risultato della sinergia tra diversi gruppi di ricerca che si occupano della loro progettazione, caratterizzazione e realizzazione. In particolare, data la stretta relazione tra le loro proprietà funzionali e quelle morfologiche, strutturali e chimiche su scala nanometrica, la realizzazione di questi nuovi materiali non può prescindere da una loro caratterizzazione attraverso sofisticate tecniche di analisi.   
Questo Laboratorio si propone di mostrare il funzionamento di potenti strumenti presenti in IMEM e di come si utilizzano i risultati ottenuti dalle varie analisi per ottimizzare le proprietà funzionali dei materiali che le studentesse e gli studenti hanno visto negli altri quattro Laboratori. Questi strumenti sono: Microscopio Elettronico a Scansione (SEM), Microscopio a Forza Atomica (AFM), Microscopio Elettronico in Trasmissione (TEM) e Microscopio a Fascio Ionico Focalizzato (FIB).   
Il SEM e l’AFM si utilizzano per studiare la morfologia dei materiali. Nei SEM, un fascio di elettroni focalizzato scansiona la superficie: gli elettroni secondari, originati a seguito dell’interazione, vengono rivelati da opportuni rivelatori che permettono di ricostruire un'immagine tridimensionale della superficie con una risoluzione di qualche nanometro. Negli AFM, una punta sottilissima scorre sulla superficie del materiale, sentendone e registrandone la corrugazione riga per riga, proprio come si fa nella lettura Braille dove la punta del dito è la sonda.   
Con il TEM si studia la struttura dei materiali fino alla scala atomica. In questo microscopio un fascio di elettroni accelerati, che possiedono una lunghezza d’onda cinque ordini di grandezza più piccola di quella della luce, attraversa un campione molto sottile. Grazie alla natura ondulatoria dell’elettrone, si ottengono immagini la cui risoluzione raggiunge la dimensione degli atomi, fornendoci informazioni sulla fase e l’orientazione delle strutture in esame.    
Sfruttando i prodotti dell’interazione tra il fascio elettronico e il materiale in studio, è inoltre possibile studiarne altre importanti proprietà, oltre a quelle morfologiche e strutturali. In particolare, rivelando i raggi-X prodotti possiamo risalire agli elementi chimici presenti nel campione in esame fino alla nanoscala.    
Infine, utilizziamo il FIB associato al SEM per modificare le strutture in posizioni ben definite. Il fascio di ioni focalizzato sul campione con elevata corrente ed accelerazione consente infatti di scavare e scolpire i materiali su scala micro e nanometrica. È così possibile creare nuove morfologie, indagare le interfacce sepolte ma anche realizzare contatti elettrici per nano-dispositivi.