Immagine schematica del funzionamento di un microscopio AFM. Un fascio laser (coni rossi) viene focalizzato e riflesso dalla levetta della sonda di misura (componente arancione). Il campione (componente azzurro) viene movimentato da un attuatore piezoelettrico (componente verde) nelle tre direzioni dello spazio per realizzare i movimenti necessari per la misura. Un sensore a 4 quadranti (componente rosa) rileva i movimenti del fascio laser che saranno utilizzati per l’acquisizione dell’immagine.
Microscopio a forza atomica autocostruito presso ISC-CNR modificato da Barni permette il funzionamento anche in liquido.
Immagine della superficie di un DVD, ottenuta in aria con AFM modificato. Dimensioni della scansione 5 micron x 5 micron.
Immagine di cellula muscolare di ratto, ottenuta in liquido con AFM modificato. Dimensioni della scansione 50 micron x 50 micron.
Visualizzazione 3D dell'immagine di cellula muscolare di ratto, ottenuta in liquido con AFM modificato. Dimensioni della scansione 50 micron x 50 micron.
Immagine ottenuta con uno strumento AFM modificato nel quale si è sperimentato l'uso di un gel per sostenere la sonda di misura. Dimensioni della scansione 5 micron x 5 micron.
Confronto tra due scansioni successive di una cellula muscolare di ratto, ottenuta in aria con AFM modificato con l’uso sperimentale di un gel per sostenere la sonda di misura. Dimensioni della scansione (1) 25 micron x 25 micron, Dimensioni della scansione (2) 4 micron x 4 micron.
Accorgimenti meccanici permettono un accoppiamento stabile tra la parte inferiore e superiore dello strumento, per renderlo meno sensibile ai disturbi esterni. Lo strumento realizzato è equipaggiato con uno dei migliori attuatori piezoelettrici attualmente disponibili sul mercato.
In collaborazione con il gruppo Scienza Ludica di Firenze abbiamo provveduto all’ingegnerizzazione e allo sviluppo di un microscopio a forza atomica AFM realizzato con pezzi LEGO. Il lavoro si è incentrato sull’ottimizzazione dei componenti e sulla stabilità della struttura, per ridurre al massimo i disturbi durante la misurazione. Il Gruppo Shaefer, che si occupa della commercializzazione di strumenti industriali e tecnologie all’avanguardia, ha deciso di inserire questo articolo tra i suoi prodotti. Questo è un esempio che conferma l’efficacia del supporto LEGO Maindstorm per la realizzazione di esperimenti in ambito didattico.
L’ azienda Barni Lido collabora ormai da alcuni anni con l’Istituto dei Sistemi Complessi del Consiglio Nazionale delle Ricerche (ISC-CNR ) di Sesto Fiorentino www.fi.isc.cnr.it alla progettazione e realizzazione di microscopi a forza atomica AFM (Atomic Force Microscopy).
Iniziata attraverso il tirocinio e la successiva tesi universitaria in ingegneria meccanica di Barni Lorenzo, la collaborazione ha portato a realizzare varie modifiche agli strumenti già presenti in laboratorio e alla progettazione e realizzazione di nuovi strumenti nei quali sono state introdotte alcune soluzioni innovative.
Questa esperienza rappresenta un’ottima connessione tra mondo della ricerca e mondo del lavoro, creando un incontro tra esigenze teoriche e soluzioni pratiche in merito a materiali e tecnologie.
Nella microscopia AFM si sfruttano le deboli forze di interazione atomica tra una particolare sonda ed il campione per andare ad osservare dettagli dell’ordine di alcuni nanometri (10^-9 metri) lungo il piano XY e inferiore al nanometro in direzione verticale Z. La misura consiste nello scansionare il campione con un’opportuna sonda microscopica costituita da una punta acuminata (l'apice ha dimensioni di qualche nanometro) collocata alla estremità di una sottile striscia di materiale chiamata levetta. Quando la punta si avvicina al campione, le forze di attrazione o repulsione fanno piegare la levetta.
Misurando opportunamente la deflessione della levetta e elaborando i dati, si riesce a risalire alla forma del campione. Il microscopio AFM è impiegato in vari settori e in particolare in quello biologico perché permette di osservare proteine e DNA, sia in aria che in un liquido ad esempio una soluzione fisiologica.
Le migliorie progettate e realizzate da Barni hanno permesso di realizzare un nuovo strumento in grado di effettuare misurazioni in liquido, ottimizzando il percorso ottico del laser e sperimentando accorgimenti innovativi per la tenuta della sonda. Implementazioni successive hanno reso lo strumento molto più preciso in termini di risoluzione laterale, presentando tutta una serie di accortezze che aumentano in modo sensibile la stabilità, limitando i disturbi esterni normalmente presenti durante le misurazioni AFM: temperatura, cariche elettrostatiche, vibrazioni.
Grazie alla stretta e continua collaborazione con il ricercatore
Bruno Tiribilli, si continuano a studiare soluzioni meccaniche innovative per migliorare la facilità di uso dello strumento e spingersi sempre oltre nella qualità delle immagini microscopiche.
Tecnologie utilizzate
- Fresatura e tornitura CNC
- Trattamento superficiale alluminio e dell’acciaio
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