2.2. Microscopio de fuerza atómica (AFM)

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 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.

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.

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.

▣      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.

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.

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[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.

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/

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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/

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1.3. Ciencia básica y aplicada

Durante bastante tiempo, y todavía hoy en día, se ha debatido sobre el valor de los diferentes tipos de ciencia, la cual en función de sus objetivos se divide en dos categorías:

▣      Ciencia básica o ciencia pura: encargada de la búsqueda de conocimiento, independientemente de sus posibles aplicaciones a corto plazo. Su objetivo inmediato es el conocimiento por el conocimiento sin importar que posea o no, en última instancia, utilidades prácticas.

▣      Ciencia aplicada o tecnología: cuyo objetivo, por el contrario, es hacer posible la resolución de problemas de la vida cotidiana, los cuales, por regla general, son definidos por el investigador.

Hay quienes definen las ciencias aplicadas como “útiles” y las básicas, por el contrario, como “inútiles” a las que hay que prestar menos atención y en su lugar centrarse, casi de manera exclusiva, en la resolución de los problemas existentes. Sin embargo, si echamos un vistazo a la historia de la ciencia nos encontraremos que el conocimiento básico ha permitido, posteriormente, el desarrollo de aplicaciones muy destacables de gran valor.

Así, por ejemplo, los descubrimientos llevados a cabo en el famoso CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) que en un principio pueden parecer puramente teóricos, al contrario de lo que mucha gente piensa, tienen aplicaciones tan cotidianas y fundamentales como Internet, ya que el primer sitio web fue concebido para los laboratorios de este centro. Continuando en el mundo de la informática, el CERN ha permitido el desarrollo del GRID, un sistema de computación distribuida que posibilita la distribución y acceso de centros de investigación en todo el mundo a los 15 millones de GB de datos que genera al año.

En el ámbito de la medicina, las aplicaciones prácticas que ha supuesto el desarrollo de aceleradores de partículas como el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) del CERN ha facilitado el surgimiento de técnicas para el tratamiento de ciertas enfermedades como el cáncer; es el caso de la hadronterapia, cuya acción mediante el bombardeo de protones sobre el tumor favorece que esta terapia sea más precisa reduciendo los efectos secundarios. También se ha logrado el progreso en técnicas de diagnóstico por imagen no invasivas, como el PET (Tomografía por Emisión de Positrones), que permite medir la actividad metabólica del cuerpo humano.

También el campo medioambiental se beneficia de los avances del CERN puesto que los complejos sistemas electrónicos empleados en los aceleradores para la detección de partículas pueden aplicarse a otros entornos sometidos a radiación como las centrales nucleares.
El acelerador anterior al LHC, el LEP, se construyó empleando plásticos carentes de agentes halógenos o sulfurosos, los cuales, en caso de incendio, no generaban gases de alta toxicidad. Estos plásticos han sido adoptados, en la actualidad, de manera extendida por el sector industrial.

Como puedes comprobar las cantidades invertidas en este tipo de proyectos no son despilfarros en los que se derrocha el dinero por puro capricho, a pesar de lo que algunos en su desconocimiento quieren hacer creer, sino que permiten el avance hacia un futuro mejor en muchos y diversos aspectos de nuestra vida cotidiana.

En conclusión, si bien es cierto que algunos problemas requieren de atención inmediata, muchas soluciones no podrían ser halladas sin un amplio conocimiento teórico generado por la ciencia básica.

Fuentes: OpenStax College, Biology. OpenStax College. 30 May 2013.
               http://elgrancolisionadordehadroneshoy.blogspot.com.es/2014/06/aplicaciones-practicas-posibles-riesgos.html
               http://cern123.galeon.com/Beneficios.html

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1.2. El método científico

El proceso científico, normalmente, comienza con una observación (a menudo un problema que necesita solución) la cual conduce al planteamiento de una pregunta. Partiendo de esta pregunta se siguen los siguientes pasos:

▣         Proposición de una hipótesis

Recordemos que una hipótesis se trata de una explicación propuesta que puede ser comprobada. Por supuesto, pueden proponerse varias hipótesis para intentar resolver un único problema, ya que diferentes respuestas pueden ser capaces de responder a la misma pregunta.
Una vez elegida la hipótesis, se pasa a formular una predicción, similar a la hipótesis, pero con la estructura:
“Si . . . entonces . . .”

▣         Verificación de la hipótesis

Para comprobar las hipótesis planteadas (dado que, los fenómenos naturales no siempre ocurren con suficiente variación y flexibilidad) no basta únicamente con la observación, sino que el investigador también debe recurrir a la experimentación, diseñando uno o más experimentos con el fin de desechar una o más de estas hipótesis iniciales.
Cada uno de estos experimentos constará de:

▶      Una o más variables que se definen como cada una de las partes del experimento que puede variar o cambiar a lo largo del mismo.

▶      Uno o más grupos de control, los cuales contienen las características del grupo experimental, excepto que no se le aplica la hipótesis estudiada. De este modo, si los resultados del grupo experimental difieren del de control dicha diferencia más que a factores externos ha de achacarse a la aplicación de la hipótesis sometida a comprobación.

Podemos, sin pecar de injustos, conceder a Galileo el honor de haber introducido de manera sistemática la experimentación en el mundo de las ciencias naturales. Sin la experimentación, la ciencia moderna nunca habría alcanzado los avances que ha obtenido, y ésa es la razón por la que, hoy en día, los laboratorios son tan esenciales para los investigadores científicos.

A diferencia del pensamiento general la ciencia no busca probar nada, debido a que el entendimiento científico siempre está sujeto a modificaciones como consecuencia de la adquisición de nuevos conocimientos con el paso del tiempo. El objetivo, por tanto, es la comprobación de que las hipótesis planteadas sean refutadas o desaprobadas, lo que se conoce comúnmente con el término de “hipótesis falsable”.

Los diferentes pasos del método científico, de manera esquemática, se pueden representar de la siguiente manera:

Para aclarar estos conceptos  pondré un ejemplo muy simple que puede surgir en nuestra vida cotidiana:

Imagínate que te sientas para ver la televisión (de lo poco que pueda merecer la pena), pero ésta no se enciende (observación), te preguntas, por tanto, porqué no lo hace (pregunta). 

La primera hipótesis que te podrías plantear es que se haya producido un corte eléctrico en tu domicilio, para comrobarlo realizas el siguiente “experimento”: enciendes la lámpara que tienes en la misma habitación, pero ésta funciona (análisis del resultado), por tanto, la hipótesis es incorrecta.
Posteriormente, formulas una segunda posibilidad y piensas que el monitor está desenchufado (segunda hipótesis), echas una ojeada y compruebas si está enchufado o no (experimento), efectivamente lo está (análisis del resultado), hipótesis nuevamente incorrecta.
La tercera idea que se te ocurre es cerciorarte acerca del estado de las pilas del mando a distancia (tercera hipótesis), decides cambiárselas y finalmente el televisor se enciende (análisis del resultado), en consecuencia esta última suposición es la correcta.

Sin duda, se trata de un ejemplo muy elemental, pero a través de su exposición te puedes llegar a hacer una idea aproximada de cómo la ciencia trata de resolver cuestiones muchísimo más importantes y de enorme complejidad.

Fuente: OpenStax College, Biology. OpenStax College. 30 May 2013.

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1.1. ¿Qué es la ciencia? Cómo funciona

El término ciencia procede del latín “scientia” (conocimiento), se puede definir como el conocimiento que cubre verdades generales o el funcionamiento de leyes generales, especialmente desarrolladas y examinadas a través del método científico. Este método desempeña, como consecuencia, un papel fundamental en la ciencia, basándose en una serie de pasos bien definidos entre los que se encuentra la observación y la experimentación. 

Uno de los aspectos más importantes del método científico es la comprobación, mediante experimentos repetibles, de las hipótesis planteadas, entendiendo por hipótesis una posible explicación de un hecho que puede ser comprobada. Las hipótesis, a su vez, pueden convertirse en teorías verificadas, las cuales son explicaciones examinadas y confirmadas mediante observaciones o fenómenos. Hay que destacar el hecho de que una hipótesis esté bien propuesta no implica necesariamente su validez, ya que podría darse el caso que dicha hipótesis resultase ser falsa.

Imaginemos, que de modo similar como supuestamente Galileo hizo en la torre de Pisa, nos encontramos en la azotea de un edificio con la intención de medir cuánto tiempo tarda una pelota en llegar al suelo, entre las hipótesis que podríamos formular se encuentran las siguientes:

▣         Ese tiempo dependerá del material del que esté hecho la pelota.

▣         Ese intervalo variará en función de la altura del edificio.

▣         Dicho lapso de tiempo depende de la masa de la pelota.

▣         Por último, ese intervalo temporal está determinado por la apariencia estética de la pelota.

Tanto la primera hipótesis, como la segunda y la tercera podrán ser verdaderas o falsas, pero siempre serán verificadas a través de diversos experimentos. Por ejemplo, podemos emplear pelotas de diversos materiales (hierro, madera, plástico...) con distintas masas (50 g, 150 g, 250 g...), o podemos lanzarla desde edificios con diferentes alturas. Sin embargo, la última hipótesis indicada no es válida, puesto que la estética no se puede medir y por tanto, no se puede examinar mediante la realización de experimentos.

El objetivo común de todas las ciencias es conocer, los científicos buscan el entendimiento del mundo y la manera en la que éste funciona, para hacerlo emplean dos métodos de razonamiento lógico:

▣      Razonamiento inductivo: aquella forma de razonamiento lógico que utiliza observaciones relacionadas entre ellas con el fin de alcanzar una conclusión general. A partir de muchas observaciones, datos en bruto (cualitativos y/o cuantitativos) y un profundo análisis infieren conclusiones (inducciones) basándose en evidencias.

▣      Razonamiento deductivo: en este tipo de argumento se emplean principios generales o leyes para predecir resultados específicos. Por tanto, se trata de un patrón de razonamiento que se mueve en dirección opuesta al anterior. Partiendo de unos principios generales, el científico puede extrapolar y pronosticar efectos concretos que serán válidos siempre y cuando dichos principios también lo sean.

Ambos tipos de razonamiento se van a aplicar conjuntamente para permitir el avance del conocimiento científico.

Fuente: OpenStax College, Biology. OpenStax College. 30 May 2013.

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