Il nano-attrito sulla punta del microscopio

Rappresentazione grafica del “sistema” studiato da Pellegrini, Santoro, Tosatti (fonte Sissa)

Frutto della collaborazione fra un gruppo di fisici teorici della Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) di Trieste e un gruppo di fisici sperimentali dell’Università di Basilea, ecco svelati i segreti del nano-­‐attrito che si crea quando un microscopio a forza atomica osserva la superficie di alcuni materiali.

I microscopi a forza atomica riescono a riprodurre delle immagini spettacolari, alla scala dei singoli atomi. Ciò si ottiene grazie all’oscillazione di una punta sottilissima sopra la superficie osservata. La punta non tocca mai la superficie ma si avvicina, su distanze nella scala del miliardesimo di metro, al punto di “sentire” la forza dovuta alle interazioni con gli atomi del materiale che “osserva”. Si tratta di forze piccolissime, dell’ordine dei nano-­‐Newton (per intenderci, un miliardesimo del peso di una mela). Dalla misura di questa forza si ricostruisce l’immagine del materiale. Un gruppo di ricerca, che ha unito fisici sperimentali dell’Università di Basilea e fisici teorici della SISSA, ha osservato e spiegato un particolare effetto, fonte di “attrito” in questo tipo di osservazioni nanoscopiche.
Quando la punta del microscopio oscilla sopra alcune superfici particolari, in questo caso si tratta di NbSe2 (diseleniuro di niobio), si registrano dei picchi di “dissipazione” (ossia perdita di energia) a certe particolari distanze dalla superficie, come se la punta venisse trattenuta da una forza d’attrito. Questo effetto, legato a una proprietà della superficie nota con il nome di onde di densità di carica (charge density waves, o CDW), è stato osservato sperimentalmente dai fisici di Basilea e spiegato per la prima volta da Franco Pellegrini, Giuseppe Santoro ed Erio Tosatti, della SISSA, tramite un modello teorico, analizzato con l’impiego di simulazioni numeriche.
“Il nostro modello descrive nel dettaglio l’interazione fra la punta del microscopio a forza atomica e le CDW,” spiega Pellegrini. “Il modello riproduce – e prevede -­ i dati osservati sperimentalmente”.
“La conoscenza dell’attrito a livello nanoscopico oggi come oggi è importante. La miniaturizzazione progressiva dei dispositivi elettronici infatti rende fondamentale conoscere i meccanismi alla base delle perdite di energia” continua Pellegrini. “Grazie al nostro lavoro inoltre ora abbiamo una descrizione più accurata delle onde di densità di carica”.

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