Piccolo molto grande

All'inizio degli anni '80, i fisici Gerd Binnig e Heinrich Rohrer svilupparono il microscopio a scansione a tunnel (STM) - e gettarono così le basi per la microscopia a scansione a sonda (SPM). Il suo funzionamento può essere facilmente paragonato a quello di un giradischi: Simile a una puntina su un disco, una sonda scansiona la superficie di un campione, raccogliendo informazioni sulla sua natura. La microscopia a scansione sfrutta le interazioni tra la sonda e il campione, permettendo così risoluzioni fino alla gamma subatomica. Il risultato sono immagini molto accurate delle strutture più piccole, che non sarebbero possibili con metodi ottici o elettro-ottici come i microscopi a luce o a scansione elettronica. Questo ha aperto possibilità completamente nuove per l'analisi, la ricerca e il trattamento delle superfici - l'avanzata trionfale della nanoscienza e della nanotecnologia ha fatto il suo corso.

Premio Nobel svizzero come pioniere

Nel 1986, i due scienziati hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica per la loro invenzione. Nello stesso anno, Gerd Binning, Calvin Quate e Christoph Gerber hanno sviluppato il microscopio a forza atomica (AFM), che - a differenza del microscopio a scansione a tunnel - può essere utilizzato anche per studiare materiali non conduttori. L'AFM sfrutta le forze atomiche che si verificano tra la sonda e il campione (comprese le forze di Van der Waals e capillari) ed è oggi il tipo di SPM più utilizzato grazie alle sue numerose applicazioni possibili.

Provato sia sulla Terra che su Marte

Uno dei principali produttori è la società svizzera di alta tecnologia Nanosurf. L'azienda svizzera è specializzata nello sviluppo di microscopi a sonda di scansione e offre AFM e STM compatti, sistemi all'avanguardia di microscopi a forza atomica per applicazioni scientifiche, nonché soluzioni individuali per esigenze specifiche. In tutto il mondo, i clienti dell'industria, della ricerca e dell'istruzione apprezzano l'approccio innovativo, la modularità e la facilità di utilizzo dei prodotti. Nel 2007, un AFM di Nanosurf era anche a bordo della sonda spaziale della NASA "Phoenix" per Marte e ha aiutato a cercare la vita sul pianeta rosso. Inutile dire che questo non era un modello "off the shelf". Capire le esigenze, rispondere ad esse e sviluppare una soluzione esattamente adatta - questo è uno dei punti di forza di Nanosurf. La creatività degli ingegneri svizzeri è stata richiesta anche nello sviluppo di due soluzioni specifiche per il cliente per l'esame di substrati di vetro particolarmente grandi. I grandi tavoli di pietra necessari per muovere e tenere l'AFM di Nanosurf sono stati costruiti da Steinmeyer Mechatronik.

Da Dresda al mondo intero

Da più di 145 anni, il nome Steinmeyer Mechatronik è sinonimo di qualità e precisione. Oltre ai prodotti standard, lo sviluppo di progetti speciali individuali in particolare è una delle competenze principali degli specialisti di Dresda per i sistemi di posizionamento di alta precisione. Insieme al cliente, l'azienda sviluppa concetti innovativi perfettamente adattati alla rispettiva applicazione. È proprio questa competenza di soluzione che Nanosurf apprezza particolarmente dei sassoni. "Con Steinmeyer Mechatronik, abbiamo un partner competente al nostro fianco, la cui flessibilità e ricchezza di idee ci permettono di realizzare anche prodotti unici molto complessi", afferma il responsabile marketing di Nanosurf, il Dr. Björn Pietzak. Un altro punto a favore è che l'azienda di Dresda gestisce anche la logistica. Quando la tavola di posizionamento è pronta, gli ingegneri della Nanosurf vengono alla Steinmeyer Mechatronik, installano insieme l'AFM ed eseguono i test necessari sul posto. Da Dresda, il sistema finito viene poi inviato direttamente al cliente. "Questo è un grande vantaggio per noi", ci dice il dottor Pietzak. "Perché non saremmo nemmeno in grado di far passare dalla porta tavoli così grandi come in questo caso. Ecco perché Steinmeyer Mechatronik entra sempre in gioco per noi quando i campioni sono particolarmente grandi e pesanti".

Servito

Dopo tutto, il più grande dei due tavoli ha dimensioni di 1,45 m × 2,2 m e pesa 2,25 tonnellate. Si possono esaminare campioni fino a una larghezza di 54 cm, una lunghezza di 1,5 m e un'altezza di 21 cm. Il peso massimo del campione è di 500 kg. Poiché il campione è saldamente fissato sulla piattaforma, il sistema XYZ ottiene punti per la sua compattezza e gestisce distanze di viaggio di 55 cm, 1,55 m e 5 cm. Una trasmissione a cinghia e un motore passo-passo forniscono il movimento e raggiungono velocità fino a 30 mm/s. In contrasto con questo, il suo fratello minore appare quasi snello, sebbene abbia anche dimensioni impressionanti. Con una dimensione di 53 × 59 cm e un'altezza di 47 cm, è anche estremamente compatto. Lo stadio XYZ ha una corsa di 15 × 27,5 cm sul piano orizzontale e 5 cm sul piano verticale e può contenere campioni con una dimensione massima di 25 × 70 × 17,5 cm. Per confronto, un campione AFM "normale" è tipicamente 1 × 1 cm di dimensione e 1 mm di altezza. Il sistema è azionato da un mandrino e da un motore passo-passo. Il tavolo da 130 kg può contenere campioni con un peso massimo di 150 kg.

Entrambi i sistemi a portale sono fatti di granito pesante per sopportare il grande peso dei campioni. Sopra una piattaforma campione a forma di U c'è una traversa mobile che tiene il microscopio a forza atomica di Nanosurf. Questo permette allo strumento di misura dell'AFM - il cosiddetto cantilever, una molla a balestra elastica con una punta nanoscopicamente piccola all'estremità - di essere allineato con precisione e spostato in qualsiasi punto della forma a U. Quando il cantilever attraversa il rilievo della superficie di un campione, le forze attrattive e repulsive che si verificano tra il cantilever e il campione portano a una deflessione della molla a balestra. Questo viene rilevato e registrato con l'aiuto di un raggio laser. Questo si traduce in un'immagine molto accurata. Una risoluzione di 1 μm e una precisione di posizionamento di +/-5 μm, come fornito dai due sistemi XYZ motorizzati, sono essenziali per questo.

Nel silenzio c'è il potere

La particolarità del design: la traversa si muove su cuscinetti ad aria appositamente sviluppati. Galleggia virtualmente su un traferro di circa 5 μm e funziona quindi praticamente senza contatto e senza usura. Questo garantisce una durata di vita molto lunga. Un ulteriore vantaggio è che l'estrema rigidità può essere raggiunta con l'aiuto dei cuscinetti ad aria. Non appena la testa di misura viene portata in posizione, l'aria viene rilasciata dai cuscinetti e il sistema viene fissato dal suo precarico interno. L'intera massa dell'asse trasversale poggia quindi anche direttamente sul granito di base, garantendo così la massima stabilità. "Questo è enormemente importante. Perché quando l'AFM è fermo, non deve muoversi. Dopo tutto, le differenze di altezza di un nanometro o meno dovrebbero essere misurate in modo riproducibile", spiega il dottor Pietzak. "Per questo, l'AFM deve essere atomicamente stabile. Se dovesse oscillare, i risultati delle misurazioni sarebbero inutilizzabili". Nel caso del tavolo grande, sei piedi sono stati montati anche sotto il granito come smorzatori di vibrazioni extra per proteggere ulteriormente il sistema dalle vibrazioni dell'edificio.

Questa eccezionale rigidità non era un fatto quotidiano nemmeno per Steinmeyer Mechatronik. "Noi stessi non avremmo avuto la possibilità di provare se le nostre tavole soddisfano anche i requisiti di alta rigidità richiesti", riferisce Reinhard Weihmann di Steinmeyer Mechatronik. Ma grazie all'intensa collaborazione con Nanosurf e agli anni di esperienza comune con tali pesi massimi, gli specialisti di posizionamento di Dresda hanno risolto questa sfida. "Ci completiamo a vicenda", dice il dottor Pietzak. "Noi facciamo i calcoli e Steinmeyer Mechatronik ci fornisce il prodotto finito di alta qualità. È un adattamento eccellente.