En nuestra exposición sobre la nanotecnología hablamos de dos dispositivos que ayudaron a la expansión de esta ciencia tras su descubrimiento, dos tipos de microscopios a escala atómica. En este anexo pasaremos a explicar con más detalle el funcionamiento de ambos:
Microscopio de efecto túnel
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| Esquema "básico" del Microscopio de Efecto Túnel |
Un microscopio de efecto túnel (STM por sus siglas en inglés) es un instrumento para tomar imágenes de superficies a nivel atómico. Su desarrollo en 1981 hizo ganar a sus inventores, Gerd Binnig y Heinrich Rohrer, el Premio Nobel de Física en 1986.
Su funcionamiento se basa en el efecto túnel, un efecto cuántico. Para explicar este fenómeno usaremos un diagrama simplificado.
El diagrama compara el efecto de túnel con el movimiento clásico de un objeto. Por analogía con la gravedad, el objeto tiende a desplazarse en dirección al centro de la tierra. Clásicamente, para alcanzar el estado mínimo, debe proveerle con energía adicional. Bajo la ley de la mecánica cuántica, sin embargo, el objeto puede ocasionalmente "atravesar" el estado energético representado por las dos pendientes y la cresta hasta lograr un estado de mínimo de potencial energético. Nótese que se trata de un efecto válido en escalas extremadamente mínimas, generalmente sólo puede ser observado cuando existe un intercambio energético entre partículas de tamaño atómico o más reducidas.
La intensidad generada en este fenómeno se denomina intensidad de túnel y es el parámetro de control que nos permite realizar la topografía de superficie.
En una instalación cuyo fin es tomar medidas en escala atómica es necesario que el elemento que se usa como sonda de medida tenga una resolución de esa misma escala. En un microscopio de efecto túnel la sonda es una punta conductora, por ejemplo, de Wolframio. La punta se trata para eliminar los óxidos y para que sea lo más afilada posible. En condiciones ideales hay un solo átomo en el extremo de la sonda.
La instalación consiste en un circuito eléctrico en el que están incluidos la muestra y la punta de medida. El parámetro de medida es la intensidad de corriente túnel. Esta intensidad apenas alcanza los nanoamperios y, además, es muy sensible tanto a la distancia, como a la diferencia de tensión entre la punta y la muestra. Debido a esta sensibilidad todo el sistema debe estar controlado electrónicamente. Así, la toma de medidas y los movimientos de la punta (realizados mediante un dispositivo piezoeléctrico con precisiones que pueden llegar a los 0.05 nm) son controlados por el usuario, a través de las interfases correspondientes, por ejemplo: mediante un PC de sobremesa.
La punta no toca la muestra, sino que se queda a una distancia equivalente a un par de átomos (del orden de angstroms) de la superficie. El PC registra la trayectoria de la punta y entonces se puede desplegar la información como una imagen en escala de grises a manera de mapa de densidades o mapa topográfico. A la imagen se le puede agregar color sólo para mejorar el contraste y así observar mejor los cambios detectados.
Microscopio de Fuerza Atómica
El Microscopio de Fuerza Atómica (AFM) es un instrumento mecano-óptico capaz de detectar fuerzas del orden de los nanonewton. Al analizar una muestra, es capaz de registrar continuamente la altura sobre la superficie de una sonda o punta cristalina de forma piramidal. La sonda va acoplada a un listón microscópico, muy sensible al efecto de las fuerzas, de sólo unos 200 µm de longitud (cantilever, ver figura).
La fuerza atómica se puede detectar cuando la punta está muy próxima a la superficie de la muestra. Es posible entonces registrar la pequeña flexión del listón mediante un haz laser reflejado en su parte posterior. Un sistema auxiliar piezoeléctrico desplaza la muestra tridimensionalmente, mientras que la punta recorre ordenadamente la superficie. Todos los movimientos son controlados por una computadora.
La resolución del instrumento es de menos de 1 nm, y la pantalla de visualización permite distinguir detalles en la superficie de la muestra con una amplificación de varios millones de veces
Algunas imágenes obtenidas con el Microscopio de Fuerza Atómica son las siguientes:
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