2.1. Microscopio de efecto túnel (STM)

En la entrada titulada "Nanotecnología. Introducción " comenté que el desarrollo del microscopio de efecto túnel desempeñó un papel primordial en el avance de la nanotecnología, conozcamos un poco más de él, en qué consiste y cómo funciona.
El microscopio de efecto túnel (STM en inglés) fue desarrollado en 1981 por Gerd Binning y Heinrich Rohrer en los laboratorios de IBM en la ciudad suiza de Zurich, por el que fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1986.

Tanto el STM como el AFM (microscopio de fuerza atómica) quedan englobados dentro de los denominados microscopios de sonda de barrido, pero el primero de ellos es mucho más potente permitiendo posicionar y observar átomos individuales con una resolución más alta que el segundo.

El STM se emplea para obtener imágenes de superficies conductoras a una escala atómica aproximada de tan sólo 2 Å (2*10^-10 m). También, puede modificar la muestra analizada al manipular átomos individuales, desencadenar reacciones químicas y originar iones al reemplazar electrones de unos átomos a otros.

El microscopio de efecto túnel es un microscopio no óptico (no emplea la luz para trasladarnos al mundo de las nano-dimensiones) cuyo funcionamiento se basa en los principios de la mecánica cuántica. Se fundamenta en la utilización de una sonda sumamente precisa que se sitúa tan sólo a la distancia del diámetro de un átomo sobre la muestra sometida a estudio, aplicándose un voltaje entre ambas. Dependiendo de las características de ese voltaje los electrones pueden saltar mediante efecto túnel^[1] de un lado a otro dando como resultado una corriente eléctrica muy débil, conocida como corriente de “tunelización” de apenas unos pocos picoamperios      (1 pA = 10^-12 A).

La aguja de esta sonda es extremadamente puntiaguda, estando su punta constituida por un sólo átomo. Realiza un barrido de la superficie a una velocidad muy pausada, elevándose y descendiendo (mediante un mecanismo piezoeléctrico^[2] de control altura) con el fin de mantener una señal constante y conservar la distancia, lo que le permite inspeccionar hasta el más mínimo detalle de la superficie escaneada.
El registro del movimiento vertical de la aguja hace posible examinar la estructura superficial átomo por átomo, generándose mediante un ordenador un mapa de contorno de la misma.

Los materiales aislantes no pueden ser analizados mediante esta técnica, puesto que al no contar con electrones libres es imposible que produzcan la corriente de “tunelización” entre ellos y la punta de la sonda, con lo que no pueden originarse imágenes tridimensionales de la muestra.

Aunque estos instrumentos exhiben un funcionamiento óptimo en el análisis de materiales conductores, también es posible con ellos la observación de moléculas orgánicas como el ADN.

Este tipo de microscopio juega un papel muy importante en física, concretamente en el estudio superficial de semiconductores y en el campo de la microelectrónica. Asimismo resulta particularmente útil en química, en la investigación de reacciones superficiales como la catálisis o en laboratorios químicos que trabajan en la nanoescala, donde el estudio de defectos y la estructura física de compuestos químicos sintéticos es de vital importancia.

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[1] El efecto túnel consiste en aquellas partículas cuánticas (electrones en este caso) que consiguen penetrar y atravesar una zona que, en principio, estaría prohibida al no poseer suficiente energía cinética (energía asociada con la velocidad de un cuerpo) para atravesarla, debido a la existencia de un potencial eléctrico que impediría su paso.
[2] Son materiales que se deforman, expandiéndose o contrayéndose bajo la acción de un campo eléctrico.

Fuentes: http://education.mrsec.wisc.edu/130.htm
              http://www.nobelprize.org/educational/physics/microscopes/scanning/
              http://hoffman.physics.harvard.edu/research/STMintro.php
              http://www.uwec.edu/Matsci/center/instrumentation/