Aprire la “scatola nera” dei microscopi a scansione di sonda per la prossima generazione di ricercatori Le tecniche basate sui microscopi a scansione di sonda (Scanning Probe Microscope, SPM) si sono evolute rispetto ai metodi di immaginografia e di manipolazione con risoluzione a singolo atomo, fino al livello submolecolare e subatomico. Tuttavia, dal momento che questo successo tende a oscurare la reale comprensione del processo, il progetto ACRITAS, finanziato dall’UE, ha puntato a ristabilire i giusti equilibri. Ricerca di base © Rost9, Shutterstock Sin dall’invenzione del microscopio a scansione a effetto tunnel, avvenuta nel 1981, che molti fanno coincidere con la nascita delle nanoscienze, si è assistito allo sviluppo di un fiorente mercato per la strumentazione a scansione di sonda. Questi dispositivi consentono di raggiungere numerosi risultati a livello nanoscopico. Tra questi, la risoluzione di singoli legami chimici, la misurazione delle relative proprietà e lo sfruttamento della loro simmetria spaziale. Tuttavia, secondo il prof. Philip Moriarty, coordinatore del progetto ACRITAS, finanziato dall’UE, l’ampia disponibilità di strumenti commerciali fa sì che “La microscopia a scansione di sonda (SPM) sia stata vittima del suo stesso successo”. A detta dell’esperto, la SPM viene spesso messa sullo stesso piano dell’immaginografia e della caratterizzazione di routine e da ciò è scaturito il fatto che questa tecnica venisse trattata come una “scatola nera”, i cui utenti hanno solo una vaga idea dei principi operativi e teorici, nonché delle limitazioni. L’iniziativa ACRITAS mirava ad aprire questa “scatola nera” attraverso percorsi formativi e di innovazione interdisciplinari rivolti ai giovani ricercatori. Ridefinire lo stato dell’arte della microscopia a scansione di sonda Nel delineare gli obiettivi della ricerca ACRITAS, il prof. Moriarty spiega che “La tecnica a scansione di sonda è pronta a realizzare numerosi artefatti e ad accettare una serie di sfide a livello sperimentale. Tuttavia, il fatto di non sapere cosa accade “dietro le quinte” spinge solitamente ad accettare questi dati senza porsi domande. Uno dei principali obiettivi della rete ACRITAS consisteva nella creazione di una nuova generazione di ricercatori specializzati nella SPM con una profonda conoscenza dei capricci di questa tecnica”. Per creare un ambiente formativo stimolante e coinvolgente nell’ambito della SPM, ACRITAS ha riunito comunità precedentemente separate di esperti e teorici della microscopia a scansione di sonda. L’iniziativa vedeva schierati, da un lato, scienziati operanti nel settore della fisica che conducevano attività di ricerca in condizioni estreme (vuoto ultra alto e temperature criogeniche) e, dall’altro, team di scienziati specializzati in scienze della vita interessati principalmente a interazioni e controlli in ambienti biologicamente rilevanti. Nonostante l’adozione delle stesse tecniche sperimentali, la comunicazione tra i due gruppi risultava tradizionalmente limitata. Nella sua spiegazione del valore di questa strategia di collaborazione, il prof. Moriarty afferma che “Adottare il punto di vista di un esperto di microscopia a scansione di sonda che basa la sua ricerca sul vuoto ultra alto (Ultrahigh Vacuum, UHV) e su condizioni di basse temperature ci consente di acquisire un gran numero di informazioni dai nostri colleghi che lavorano in ambienti molto meno controllati e indulgenti”. La comunicazione tra queste comunità si è tradotta in un maggiore apprezzamento delle sfide future in termini di analisi strumentale e di dati nel campo della SPM. Riassumendo, il prof. Moriarty, afferma che “L’avvicinamento dei due gruppi ha condotto alla creazione di un programma di formazione unico in un campo che fornisce le basi per una grossa fetta di sapere scientifico del XXI secolo”. I vantaggi del progetto al microscopio Uno dei principali limiti della tecnica SPM è rappresentato dalla sua dipendenza dallo stato dell’apice della sonda, dove gli ultimi pochi atomi presenti sulla punta dello strumento determinano il funzionamento del microscopio. Il progetto ACRITAS ha già prodotto numerose conoscenze su come controllare, definire e ridefinire ulteriormente la sonda. Tuttavia, per rendere il processo più affidabile, il gruppo di lavoro ha posto le basi per una sua effettiva automazione. Attraverso l’adozione di tecniche di apprendimento automatico, è stata prevista la possibilità di avere un sistema di controllo di un microscopio a scansione di sonda in grado di distinguere immagini buone da immagini non buone senza l’intervento di un operatore umano. Inoltre, le importanti scoperte del progetto relative ai meccanismi di ripiegamento delle proteine e alle interazioni sonda-cellula rappresentano argomenti interessanti per il settore della biomedicina e della farmacia. Guardando ancora più lontano, osserva il prof. Moriarty, “Alla fine verrebbe da chiedersi se fosse possibile avere una tecnologia simile alla stampa tridimensionale con gli atomi”. Nonostante questi vantaggi di natura pratica, il prof. Moriarty è incline a sostenere il valore della ricerca scientifica di base in quanto tale, allo scopo di estendere i confini della conoscenza. Per concludere, l’esperto afferma che “Esistono numerosi motivi che dovrebbero spingere a occuparsi di scienza oltre gli interessi commerciali e industriali. La natura interdisciplinare di ACRITAS ha reso i confini tra scienze della vita e scienze fisiche poco chiari ed è proprio questo lo spazio in cui avvengono le vere innovazioni”. Parole chiave ACRITAS, nanoscienze, microscopia a scansione di sonda, submolecolare subatomico, atomo, microscopio
