Come nessun altro strumento prima, l’invenzione di Binnig e Rohrer ha permesso agli scienziati di visualizzare il mondo fino alle sue molecole e atomi. L’STM ha vinto il premio Nobel per la fisica nel 1986 ed è ampiamente considerato come lo strumento che ha aperto la porta alla nanotecnologia e a una vasta gamma di esplorazioni in campi diversi come l’elettrochimica, la scienza dei semiconduttori e la biologia molecolare.
L’STM è nato da una collaborazione tra due scienziati che volevano spingere i confini della scoperta. Lavorando insieme al laboratorio di ricerca IBM di Zurigo alla fine degli anni ’70, Binnig e Rohrer avevano entrambi un background in superconduttività ed erano affascinati dallo studio delle superfici atomiche – un argomento di estrema complessità che lasciava perplessi gli scienziati a causa delle caratteristiche distinte delle superfici. Ma erano limitati nelle loro esplorazioni dallo stato degli strumenti esistenti. Nessuna tecnologia esistente permetteva agli scienziati di esplorare direttamente la struttura elettronica e le imperfezioni di una superficie.
Un microscopio ordinario, che impiega lenti ottiche, poteva vedere oggetti più piccoli della lunghezza d’onda della luce. Un microscopio elettronico poteva vedere cose più piccole con maggiore chiarezza di un microscopio ottico, ma ancora non poteva vedere chiaramente i singoli atomi.
Così Binnig e Rohrer decisero di costruire il loro strumento – qualcosa di nuovo che sarebbe stato in grado di vedere e manipolare gli atomi a livello di nanoscala. Per farlo, hanno iniziato a sperimentare il tunneling, un fenomeno quantistico in cui gli atomi sfuggono alla superficie di un solido per formare una sorta di nuvola che si libra sopra la superficie; quando un’altra superficie si avvicina, la sua nuvola atomica si sovrappone e avviene uno scambio atomico.
Muovendo una punta metallica conduttrice affilata sulla superficie di un campione ad una distanza estremamente piccola, Binnig e Rohrer hanno scoperto che la quantità di corrente elettrica che scorre tra la punta e la superficie potrebbe essere misurata. Le variazioni di questa corrente potevano fornire informazioni sulla struttura interna e sull’altezza-rilievo della superficie. E da queste informazioni, si potrebbe costruire una mappa tridimensionale su scala atomica della superficie del campione.
Nel gennaio 1979, Binnig e Rohrer presentarono la loro prima rivelazione di brevetto sull’STM. Poco dopo, con l’aiuto del collega ricercatore Christoph Gerber, iniziarono la progettazione e la costruzione del microscopio stesso.
Durante i primi mesi di lavoro sull’STM, i due inventori dovettero fare una serie di aggiustamenti al loro progetto originale per produrre accuratamente misure su una scala così minuscola. Queste modifiche hanno portato alla riduzione delle vibrazioni e del rumore, a un controllo più preciso della posizione e del movimento della punta di scansione e a una migliore nitidezza della punta della sonda stessa.
Il loro primo esperimento ha coinvolto la struttura superficiale di un cristallo d’oro. Le immagini risultanti hanno mostrato file di atomi spaziati con precisione e ampie terrazze separate da gradini di un atomo di altezza. “Non potevo smettere di guardare le immagini”, ha detto Binnig nella sua conferenza del Nobel su quei primi esperimenti. “Stava entrando in un nuovo mondo”
Altri perfezionamenti del microscopio migliorarono la precisione del design meccanico e portarono a immagini sempre più chiare. E presto l’importanza dell’invenzione di Binnig e Rohrer cominciò a raggiungere gli scienziati di tutto il mondo, che improvvisamente avevano accesso per la prima volta al mondo in nanoscala dei singoli atomi e molecole.
Poiché l’STM poteva anche essere usato per spingere e tirare i singoli atomi, segnò anche la prima volta che gli esseri umani potevano manipolare oggetti così piccoli.
Assegnando a Binnig e Rohrer il premio Nobel per la fisica solo cinque anni dopo la costruzione del primo STM, il comitato del Nobel ha detto che l’invenzione ha aperto “campi completamente nuovi… per lo studio della struttura della materia.”
L’invenzione rivoluzionaria di Binnig e Rohrer è stata il punto di partenza per la ricerca nella nanotecnologia, un campo che IBM ha continuato a esplorare. E grazie al suo potere di imaging ad alta risoluzione e alla sua ampia applicabilità, l’STM ha trovato importanti applicazioni nei campi della fisica, della chimica, dell’ingegneria e della scienza dei materiali.
Il microscopio a forza atomica (AFM), un figlio dell’STM che è stato sviluppato da Binnig nel 1986, ha iniziato un nuovo campo della microscopia rendendo possibile l’immagine di materiali che non erano elettricamente conduttivi. Oltre all’AFM, il microscopio a scansione a tunnel di Binnig e Rohrer ha dato origine a tutta una famiglia di strumenti e tecniche correlate che hanno rivoluzionato la nostra capacità di vedere, esplorare e manipolare superfici e materiali che non erano precedentemente osservabili.