Come mai possiamo osservare galassie distanti miliardi di anni luce ma non riusciamo a vedere chiaramente un atomo? Questa domanda sorge spontanea quando si confrontano i traguardi dell’astronomia moderna con le difficoltà della microscopia. Gli scienziati hanno infatti scrutato la luce proveniente dalla galassia JADES-GS-z14-0, a 13,5 miliardi di anni luce di distanza, grazie a telescopi avanzati, ma osservare direttamente un atomo risulta enormemente più complesso.
Il motivo principale risiede nella lunghezza d’onda della luce visibile, che misura tra 400 e 700 nanometri, mentre la dimensione media di un atomo si aggira tra 0,1 e 0,3 nanometri. Questa sproporzione impedisce alla luce visibile di rilevare oggetti tanto minuscoli. La Purdue University sottolinea che per distinguere un oggetto, questo deve essere almeno grande la metà della lunghezza d’onda utilizzata. Dunque, un atomo risulta troppo piccolo perché la luce visibile riesca a rivelarlo.
Per superare questo limite, i fisici si sono affidati a strumenti che sfruttano radiazioni con lunghezze d’onda più corte. I raggi X, che variano tra 0,01 e 10 nanometri, hanno permesso di ottenere immagini indirette degli atomi tramite la diffrazione a raggi X. Quando raggi X colpiscono un cristallo, gli elettroni degli atomi deviano le radiazioni, generando pattern specifici. Tali schemi di diffrazione vengono elaborati per risalire alla disposizione degli atomi all’interno del materiale.
Tuttavia, il salto qualitativo decisivo nell’osservazione diretta degli atomi è stato possibile grazie all’uso degli elettroni. Questi particelle subatomiche, oltre ad avere dimensioni ridotte, presentano anche proprietà ondulatorie. Tale caratteristica, nota come dualità onda-particella, è il fondamento della microscopia elettronica.
Nella microscopia elettronica a trasmissione e in quella a scansione, un fascio di elettroni viene sparato contro un campione. Gli elettroni interagiscono con gli atomi producendo segnali, come elettroni retrodiffusi e raggi X secondari, che vengono analizzati per costruire immagini ad altissima risoluzione. Questo approccio permette di ottenere dettagli che nessun microscopio ottico potrà mai rivelare.
Negli ultimi anni, un’innovativa tecnica ha spinto i limiti dell’osservazione ancora oltre. Un team di ricercatori della Cornell University, utilizzando una combinazione di microscopia elettronica a scansione e ptycography, ha generato la migliore immagine mai ottenuta di singoli atomi. Il soggetto della fotografia è stato un cristallo di ortoscandato di praseodimio (PrScO3), ingrandito 100 milioni di volte.
La ptycography consiste nello scansionare il campione raccogliendo pattern di diffrazione sovrapposti, per poi ricostruire, tramite calcoli avanzati, una rappresentazione precisa della disposizione degli atomi. Il professore David Muller, del Dipartimento di Ingegneria della Cornell, dichiarò nel 2021 che questa immagine rappresenta il limite ultimo per la risoluzione. Le sue parole sottolineano l’importanza di questo risultato: “Abbiamo raggiunto un regime in cui possiamo identificare la posizione degli atomi con estrema chiarezza, aprendo nuovi orizzonti per l’analisi dei materiali”.
Questo risultato ha anche risolto una problematica teorica risalente a quasi un secolo fa, descritta dal fisico Hans Bethe nel 1928. Il fenomeno della diffrazione multipla, che distorceva i dati raccolti dai microscopi elettronici, ha rappresentato a lungo un ostacolo. Grazie a nuove tecniche di calcolo, il problema è stato finalmente aggirato, consentendo immagini più nitide e fedeli alla struttura reale degli atomi.
Va sottolineato che esistono particelle ancora più piccole degli elettroni, come i neutrini, ma la loro debole interazione con la materia li rende inutilizzabili per l’imaging atomico. Per ora, la microscopia elettronica combinata con la ptychography rappresenta il punto più avanzato mai raggiunto dall’uomo nella visualizzazione diretta degli atomi.
Questo successo scientifico non è solo un primato tecnico: ha aperto prospettive entusiasmanti per lo studio dei materiali, la nanoingegneria e la fisica quantistica. La capacità di identificare singoli atomi e la loro posizione esatta nei cristalli permetterà di progettare strutture nanometriche con precisione mai vista prima.
