La microscopia elettronica stato dell arte e dove sta andando

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1 La microscopia elettronica stato dell arte e dove sta andando Center for Nanotechnology Innovation Mauro Gemmi mauro.gemmi@iit.it

2 L IIT intende promuovere lo sviluppo tecnologico e la formazione avanzata del paese, in accordo con le politiche nazionali a favore della scienza e della tecnologia, rafforzando così il sistema di produzione nazionale.

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6 Linee di ricerca Nanomedecine Graphene Advanced Microscopy CNR- Milano Cars Microscopy TEM

7 Microscopia elettronica Quando parliamo di microscopia elettronica parliamo di microscopi che usano gli elettroni come sorgente per «illuminare» il campione E una tecnica «quantistica» e «relativistica» ovvero: per capire le immagini dobbiamo trattare gli elettroni come onde Gli elettroni viaggiano a frazioni significative della velocità della luce TEM@IIT

8 Osservazione diretta degli atomi e della loro disposizione sopratutto allo stato solido D Come prima cosa dobbiamo renderci conto che un atomo ha un diametro di almeno 0.1 nm

9 La luce visibile non è un buon candidato 1000 volte più lunghe delle distanze tra gli atomi È come usare la mano del babbo per sentire le scabrosità sulla superficie di un capello...

10 Ecco il design per un microscopio che veda gli atomi Lampadina per super luce Lente per super luce Immagine ingrandita 10 milioni di volte con i dettagli giusti

11 Le onde elettromagnetiche andrebbero bene raggi x hanno lunghezza d onda di 0.1 nm Lampadina per super luce In questo caso Lente dobbiamo vedere gli atomi per super con la luce mente Perchè per raggi x non esistono lenti Immagine ingrandita 10 milioni di volte con i dettagli giusti

12 e - Gli elettroni sono perfetti come super luce Se accelerati arrivano ad avere lunghezze d onda di nm Sono carichi possono essere deflessi da campi magnetici

13 Interazione elettrone materia Elettroni retrodiffusi BSE (alta energia > 50eV) Elettroni secondari SE (bassa energia < 50eV) Emissione di raggi x Elettroni trasmessi

14 SEM TEM

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16 SEM da banco SEM top di gamma

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18 Microscopio elettronico a trasmissione TEM@IIT

19 Sample Image formation e - Objective Lens Back Focal Plane resolution Image Plane

20 100nm

21 In un TEM gli atomi si possono vedere con gli occhi

22 I microscopi elettronici Scansione (SEM) Tecnica di probe Immagini 3D Immagine Trasmissione (TEM) In trasparenza Immagini 2D Conduttivo Massivo Di solito attorno 1nm Attorno a Campione Risoluzione Costo Conduttivo Sottile (<500nm) Tra 0.16 e 0.35 nm Tra 1 e 6 milioni di TEM@IIT

23 Il TEM come un multi strumento costruito attorno ad un fascio elettronico Electron diffraction: Selected area (SAD) Convergent beam (CBED) Micro and nano diffraction High resolution electron imaging (HREM) EDS (X-ray maps, microanalysis with high spatial resolution) EELS electron energy loss spectroscopy STEM Scanning Transmission Electron microscopy: imaging with backscattered electrons high angle anular dark field (HAADF) imaging

24 16/10/2017

25 Diffrazione

26 La diffrazione ci dice in un sol colpo lo stato di aggrgazione della materia Amorphous Polycrystalline: nanoparticles Mono crystalline

27 Con un vetro? Che è un materiale amorfo

28 Con un vetro? Che è un materiale amorfo

29 Con un vetro? Che è un materiale amorfo Huang et al. Nanoletters 2012,

30 E se abbiamo un cristallo? E lo stato solido stabile della materia TEM@IIT

31 E se abbiamo un cristallo?

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33 Possiamo addirittura vedere gli errori nella struttura cristallina

34 Interazione elettrone materia Elettroni retrodiffusi BSE (alta energia > 50eV) Elettroni secondari SE (bassa energia < 50eV) Emissione di raggi x Elettroni trasmessi

35 Analisi chimica (Microanalisi) Microanalysis on a nanometric scale (FEG) Problems with light elements X maps (STEM)

36 SPECTROMETER Digits Zero loss Al Atlas (1) 8.0* *10 7 I n t e n s i t y 4.0*10 7 Plasmon loss 2.0* Energy Loss ev Digits O Atlas (2) Ionization edges I n t e n s i t y O Ka Energy Loss ev

37 200nm Surrounded by an organic shell Fe C O 1 Fe 3 O 4 nanoparticle (vertical view)

38 Ultime novità e futuro Correttori di aberrazione (il microscopio con gli occhiali) correttore di aberrazione sferica: immagini ad elevatissima risoluzione in trasmissione <0.1 nm nm correttore di probe: immagini ad elevatissima risoluzione in scansione <0.1 monocromatore: elevatissima risoluzione in energia (spettroscopie) < 1eV Diffrazione in 3D Nuovi detector ultrasensibili TEM@IIT

39 Un microscopio con gli occhiali

40 CdS Autori Rosaria Brescia Giovanni Bertoni IIT Genova

41 Autori Rosaria Brescia Giovanni Bertoni IIT Genova

42 Autori Rosaria Brescia Giovanni Bertoni IIT Genova

43 Le telecamere ultrasensibili (single electron detection camera) Hanno rivoluzionato lo studio della struttura delle proteine Si possono fare immagini con pochissimi elettroni quindi non si danneggia il campione

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46 Si può conoscere la struttura cristallina su scale nano Mg 6 Al (OH) 7 (SiO 4 ) 2 TEM@IIT

47 Detector sensibile al singolo elettrone CCD Detector a singolo elettrone

48 Vetrifichiamo la soluzione!!!!! Proteine in vuoto

49 Lisozima

50 Lisozima

51 Grazie