En la entrada titulada “Aproximación top-down y bottom-up” mencioné que, para poder realizar observaciones y manipular objetos en el mundo extremadamente pequeño de la nanoescala fue necesario el desarrollo de dispositivos que permitiesen la visualización de las muestras a escala atómica. Estos dispositivos son los denominados microscopios de sonda de barrido (SPMs), con los que se obtienen imágenes tridimensionales de las superficies estudiadas a muy alta resolución sin necesidad de dañar la muestra, a diferencia de lo que ocurre en muchas ocasiones con los microscopios electrónicos de transmisión (TEMs).
Estos microscopios de sonda de barrido se clasifican, básicamente, en dos tipos:
los microscopios de efecto túnel (STMs), que estudiamos en la entrada anterior de esta sección, y los de fuerza atómica, que abordamos a continuación.
los microscopios de efecto túnel (STMs), que estudiamos en la entrada anterior de esta sección, y los de fuerza atómica, que abordamos a continuación.
Los microscopios de fuerza atómica (en inglés, AFMs) se basan en el siguiente principio de funcionamiento:
La topografía de la muestra es rastreada por una micropalanca o listón de unos centenares de micrones (micrómetros), fabricado en silicio o nitruro de silicio, cuyo extremo posee una punta extremadamente aguda con un radio de curvatura del orden de unos pocos nanómetros.
Cuando esta punta se aproxima a la superficie de la muestra, las fuerzas que se establecen entre ambas producen la deflexión de la micropalanca siguiendo la ley de Hooke[1].
Dependiendo del tipo de interacción punta-muestra (si existe contacto o no), las fuerzas medidas por los AFMs son de muy diverso tipo: electrostáticas, magnéticas, de Van der Waals, fuerzas de capilaridad...
La flexión experimentada por la palanca es medida usando un haz láser enfocado sobre la superficie superior del listón y reflejado a un conjunto de fotodiodos que detectan el desplazamiento del punto láser.
La topografía de la muestra es rastreada por una micropalanca o listón de unos centenares de micrones (micrómetros), fabricado en silicio o nitruro de silicio, cuyo extremo posee una punta extremadamente aguda con un radio de curvatura del orden de unos pocos nanómetros.
Cuando esta punta se aproxima a la superficie de la muestra, las fuerzas que se establecen entre ambas producen la deflexión de la micropalanca siguiendo la ley de Hooke[1].
Dependiendo del tipo de interacción punta-muestra (si existe contacto o no), las fuerzas medidas por los AFMs son de muy diverso tipo: electrostáticas, magnéticas, de Van der Waals, fuerzas de capilaridad...
La flexión experimentada por la palanca es medida usando un haz láser enfocado sobre la superficie superior del listón y reflejado a un conjunto de fotodiodos que detectan el desplazamiento del punto láser.
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A diferencia de los STMs, los AFMs pueden emplearse en el estudio de aislantes eléctricos, y dependiendo del tipo de aplicación realizan dos tipos de mediciones: de imagen (que a su vez se divide en modo contacto y modo dinámico) y de fuerza.
Modo de contacto
En este modo de operación, la deflexión de la punta se mantiene invariable durante el escaneo de la superficie, al mantenerse constante la fuerza entre la muestra y la punta. Esta deflexión de la punta estática se utiliza como señal de retroalimentación.
Como principales ventajas presenta una velocidad de barrido relativamente rápida y la posibilidad de rastrear muestras irregulares. Por el contrario, su principal inconveniente es que puede dañar las muestras biológicas (blandas y delicadas), por lo que los especimenes deben encontrarse fuertemente adheridos a la superficie de observación.
Como principales ventajas presenta una velocidad de barrido relativamente rápida y la posibilidad de rastrear muestras irregulares. Por el contrario, su principal inconveniente es que puede dañar las muestras biológicas (blandas y delicadas), por lo que los especimenes deben encontrarse fuertemente adheridos a la superficie de observación.
Modo dinámico
En el modo dinámico, la punta de la micropalanca no entra en contacto con la superficie de la muestra. En su lugar el listón oscila a su frecuencia de resonancia o ligeramente por encima de ella mediante un actuador[2] piezoeléctrico que determina la altura de la punta sobre la muestra.
La interacción punta-muestra modifica la amplitud y la frecuencia de resonancia. Dependiendo de cuál de estas dos propiedades se mantenga constante durante el barrido de la superficie tenemos:
▣ El modo de no contacto donde se mantiene estable la frecuencia de resonancia. Está especialmente recomendado para el estudio de muestras biológicas blandas y películas orgánicas delgadas y además, al no producirse contacto pueden ser sometidas a innumerables análisis sin que sufran degradación.
Entre sus desventajas, encontramos que la resolución de las imágenes obtenidas no es muy alta y deben examinarse en ambientes de ultra alto vacío (UHV), ya que la posible presencia de contaminantes sobre la superficie de la muestra interferiría en la correcta oscilación de la palanca, y consecuentemente, en la obtención de imágenes de óptima calidad.
Entre sus desventajas, encontramos que la resolución de las imágenes obtenidas no es muy alta y deben examinarse en ambientes de ultra alto vacío (UHV), ya que la posible presencia de contaminantes sobre la superficie de la muestra interferiría en la correcta oscilación de la palanca, y consecuentemente, en la obtención de imágenes de óptima calidad.
▣ El modo de repiqueteo se produce cuando es la amplitud de resonancia la que no varía.
Este método permite captar imágenes de alta resolución en aquellas muestras que sean susceptibles de ser fácilmente dañadas o se adhieran débilmente a la superficie de análisis. Su principal desventaja es que el escaneo necesita efectuarse a velocidades más lentas.
Este método permite captar imágenes de alta resolución en aquellas muestras que sean susceptibles de ser fácilmente dañadas o se adhieran débilmente a la superficie de análisis. Su principal desventaja es que el escaneo necesita efectuarse a velocidades más lentas.
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Modo de fuerza
En las medidas de fuerza la punta oscila verticalmente mientras se registra la deflexión de la palanca.
Este método tiene como principales aplicaciones el examen de interacciones específicas entre moléculas (antígeno-anticuerpo o entre las hebras complementarias del DNA), interacciones estructurales (plegado de proteínas) o el estudio de la elasticidad de polímeros.
Este método tiene como principales aplicaciones el examen de interacciones específicas entre moléculas (antígeno-anticuerpo o entre las hebras complementarias del DNA), interacciones estructurales (plegado de proteínas) o el estudio de la elasticidad de polímeros.
[1] Esta ley establece que el alargamiento de un material es directamente proporcional a la fuerza aplicada sobre el mismo.
[2] Dispositivos mecánicos cuya función es proporcionar fuerza para mover otro dispositivo mecánico.
[2] Dispositivos mecánicos cuya función es proporcionar fuerza para mover otro dispositivo mecánico.
Fuentes: http://www.dme-spm.com/funktion.html
https://es.wikipedia.org/wiki/Microscopio_de_fuerza_at%C3%B3mica
http://www.phy.mtu.edu/nue/images/atomicforce/Nanoscope2.jpg
http://slideplayer.com/slide/6856881/
http://www.biozentrum.unibas.ch/research/groups-platforms/overview/unit/lim/
https://es.wikipedia.org/wiki/Microscopio_de_fuerza_at%C3%B3mica
http://www.phy.mtu.edu/nue/images/atomicforce/Nanoscope2.jpg
http://slideplayer.com/slide/6856881/
http://www.biozentrum.unibas.ch/research/groups-platforms/overview/unit/lim/
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