Gruppo di ricerca Fluidi complessi ed interfasi

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Clemente Di Giacomo
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1 Gruppo di ricerca Fluidi complessi ed interfasi Lab Dipartimento di Fisica Sviluppo di microscopia a scansione di sonda su film di idratazione Proteine e stati aggregati in soluzione Ricercatori strutturati: Marcello Carla' Cecilia Gambi Leonardo Lanzi (in congedo) Ricercatori precari: Stefania Marchetti David Dolci Federico Bacci Fonti di finanziamento ( ) Miur 60% (10.42 k ) Ente Cassa di Risparmio di Firenze 2007 (39 k ) Ente Cassa di Risparmio di Firenze 2008 (20 k ) Prevista richiesta di un assegno cofinanziato per il

2 Gruppo di ricerca Fluidi complessi ed interfasi Collaborazioni: Dip. Di Chimica Universita' di Firenze Istituto Sistemi Complessi CNR Firenze Consorzio Interuniversitario Nazionale per la Scienza e Tecnologia dei Materiali Centro per lo Studio delle Dinamiche Complesse (CSDC) Dip. Anatomia, Istologia e Medicina Legale Universita' di Firenze Dip. Di Fisica, Universita' di Roma La Sapienza Dip. Di Fisisca Universita' di Messina Dip. Di Fisica Universita' di Trento Laboratorio Lèon Brillouin, Saclay

3 Le Microscopie a Scansione di Sonda nascono negli anni 80:

Le microscopie a scansione di sonda si basano sulla possibilita' di controllare con finezza nanometrica la distanza e la posizione di una sonda esploratrice estremamente appuntita rispetto ad una

4 Le microscopie a scansione di sonda si basano sulla possibilita' di controllare con finezza nanometrica la distanza e la posizione di una sonda esploratrice estremamente appuntita rispetto ad una superficie di supporto su cui sono deposti i campioni in esame. Durante la scansione xy della sonda sulla superficie un anello di reazione negativa mantiene costante il valore della interazione tra sonda e superficie/campione facendo variare la distanza.

5 Le microscopie a scansione di sonda diventano rapidamente una famiglia molto numerosa. Le varie tecniche differiscono per il parametro di interazione, che determina il meccanismo del contrasto e quindi il contenuto di informazione dell'immagine: STM Scanning Tunneling Microscopy (corrente tunnel) AFM Atomic Force Microscopy (interazione van der Waals) SNOM Scanning Near field Optical Microscopy (onda evanescente) SECM Scanning Electrochemical Microscopy (corrente faradica) HSPM Hydration (layer) Scanning Probe Microscopy (corrente faradica)

6 STM Scanning Tunneling Microscopy i 1 na SECM Scanning Electro Chemical Microscopy i na... A insulator HSPM Hydration layer Scanning Probe Microscopy i 0.1 pa gap probe tip sample Probe tip sample Electrolyte probe tip sample Hydration layer metal surface The current flows across an air or vacuum gap by electronic tunneling between probe tip and sample. electrode The current flows from probe tip to substrate electrode through electrolytic solution. mica sheet The current flows along a thin hydration layer that wraps the mica substrate and the sample.

Perche' la microscopia HSPM: HSPM e' complementare ad AFM per lo studio di macromolecole organiche. Utilizza le stesse tecniche di preparazione dei campioni (es.

7 Perche' la microscopia HSPM: HSPM e' complementare ad AFM per lo studio di macromolecole organiche. Utilizza le stesse tecniche di preparazione dei campioni (es., immobilizzazione per adsorbimento su superficie di mica). Consente l'imaging di molecole organiche in ambiente simile al naturale. Offre una risoluzione spaziale confrontabile con AFM. Consente lo di studio delle proprieta' dielettriche locali dei campioni.

8 Il lavoro gia' svolto: Development of an ultralow current amplifier for scanning tunneling microscopy Rev. Sci. Instr. 75 (2004) Electronic linearization of piezoelectric actuators and noise budget in scanning probe microscopy Rev. Sci. Instr. 77 (2006) A study of the ionic conduction of mica surface by admittance spectroscopy J. Chem. Phys. 127 (2007) Implementation on a desktop computer of the real time feedback control loop of a scanning probe microscope Rev. Sci. Instr. 79 (2008) Sviluppo di microscopia tunnel ad alta sensibilita' per superfici scarsamente conduttrici tesi di laurea di E. Pallecchi, a.a Microscopia a scansione di sonda per lo studio di strutture organiche nanometriche tesi di laurea di D. Dolci, a.a Realizzazione di un sistema di controllo digitale per microscopia a scansione di sonda tesi di laurea di F. Bacci, a.a Microscopia a scansione di sonda a correnti inferiori al pa tesi di dottorato di D. Dolci, 2008.

9 Microscopio HSPM in funzione presso il Dipartimento di Fisica (meccanica realizzata presso l'officina del Dipartimento) preamplificatore fa movimento verticale (Z) campione movimenti orizzontali (XY) campana per isolamento ambientale supporto antivibrante

10 Immagine di filamento di DNA di plasmide pbr322 su mica. Corrente di sonda: 80 fa Umidita' (RH): 46 % Temperatura: 22 ºC Velocita' di scansione 260 nm/s

11 I problemi ancora aperti: Il film di idratazione su mica e' saltuariamente stabile e consente di ottenere buone immagini. La corrente dipende dalla distanza in maniera graduale

12 Molto piu' spesso e' instabile e provoca la formazione di un menisco tra sonda esploratrice e superficie di supporto, rendendo impossibile il controllo della corrente.

13 La grande superficie di contatto tra sonda e superficie liquida rende impossibile il controllo della corrente. Le condizioni di formazione del menisco non sono ne' chiare ne' riproducibili.

Scansione con e senza formazione e rottura del menisco Il problema del menisco puo' essere eliminato sovrapponendo una oscillazione ad alta frequenza al movimento verticale della

14 Scansione con e senza formazione e rottura del menisco Il problema del menisco puo' essere eliminato sovrapponendo una oscillazione ad alta frequenza al movimento verticale della sonda (metodo tapping): la sonda tocca la superficie liquida e si ritrae rapidamente, il menisco non ha tempo sufficiente a saltar su e bagnare la punta della sonda esploratrice.

15 ampiezza picco picco della oscillazione della sonda 2 khz posizione media della sonda esploratrice 15 nm piano di contatto tra sonda e campione 12 khz 8 nm Riducendo l'ampiezza di oscillazione della sonda si instaura il meccanismo di formazione e rottura del mensico. Oscillazioni di frequenza piu' alta sono piu' efficienti.

16 Immagine di DNA su mica ottenuta con microscopia HSPM a contatto intermittente. Corrente di sonda: 60 fa Umidita' (RH): 54 % Polarizzazione: 2.5 V Oscillazione Z: frequenza 11.1 khz ampiezza 6 nm

17 Il segnale della sonda ha uno spettro utile di 1.6 khz. Con una oscillazione a 11 khz (frequenza di Nyquist: 5.5 khz) non si ha perdita di informazione rispetto al contatto continuo. Sviluppi futuri Studio dei meccanismi di contrasto in microscopia HSPM: Analisi delle caratteristiche spettrali della corrente di sonda in scansioni HSPM (Hydration Scanning Probe Microscopy) in presenza di macromolecole organiche (assegno post doc).

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