Microscopio de fuerza atómica

De Wikipedia, la enciclopedia libre

Tabla de contenidos

1 Descripción
2 Micropalancas
3 Tipos de medidas, modos de operación y aplicaciones
- 3.1 Modos de operación en imagen
4 Sensores de flexión
5 Precisión
6 Enlaces externos
- 6.1 Fabricantes

[editar] Descripción

El Microscopio de fuerza atómica (AFM, de sus siglas en inglés) es un instrumento mecano-óptico capaz de detectar fuerzas del orden de los piconewton. Al rastrear una muestra, es capaz de registrar continuamente su topografía mediante una sonda o punta afilada de forma piramidal o cónica. La sonda va acoplada a un listón o palanca microscópica muy flexible de sólo unos 200 µm de longitud. En la figura de arriba aparece una imagen de fuerza atómica de la superficie de un cristal de cloruro de sodio (sal común). Se puede apreciar la disposición de los átomos y al menos dos vacantes (Cortesía del Profesor Ernst Meyer, Universidad de Basilea).

[editar] Micropalancas

Históricamente las primeras palancas tenían un tamaño de varios mm y solían fabricarse con metal, por ejemplo a partir de un hilo de tungsteno con un extremo afilado y doblado en angulo recto para producir la punta. Más tarde se hizo necesario, para mejorar la velocidad de barrido sin perder resolución, que las palancas tuvieran masas cada vez menores y simultaneamente frecuencias de resonancia mayores. La solución a este problema se halló en la microfabricación de las palancas. Las micropalancas se producen en la actualidad empleando métodos de microfabricación heredados inicialmente de la industria microelectrónica como litografía de superficie y grabados reactivos de plasma de iones (RIE y DRIE siglas en inglés de Reactive Ion Etching y Deep Reactive Ion Etching). Las puntas suelen fabricarse a partir de deposiciones de vapor de algún material idóneo sobre la palanca ya fabricada, en cuyo caso el resultado suele ser una punta cónica o más comúnmente cuando el silicio es el material de elección recurriendo a técnicas de grabado anisotrópico. El grabado anisotrópico involucra el uso de una solución grabadora que excava el material sólo o preferentemente en ciertas direcciones cristalográficas. De esta manera es posible producir puntas piramidales limitadas por planos cristalográficos del material.

[editar] Tipos de medidas, modos de operación y aplicaciones

El microscopio de AFM puede realizar dos tipos de medidas: imagen y fuerza. En el modo de imagen la superficie es barrida en el plano de la superficie (X-Y) por la punta. Durante el barrido la fuerza interatómica entre los átomos de la punta y los átomos en la superficie muestral provoca una flexión del listón. Esta flexión es registrada por un sensor adecuado (normalmente balanza óptica) y la señal obtenida se introduce en un circuito o lazo de realimentación. Este último controla un actuador piezoeléctrico que determina la altura (Z) de la punta sobre la muestra de forma que la flexión del listón se mantenga a un nivel constante (Normalmente introducido por el operador). Representando la altura de la punta (Z) frente a su posición sobre la muestra (X,Y) es posible trazar un mapa topográfico de la muestra Z=Z(X,Y). La fuerza interatómica se puede detectar cuando la punta está muy próxima a la superficie de la muestra. En medidas de fuerza la punta se hace oscilar verticalmente mientras se registra la flexión del liston. La medida se expresa entonces representando fuerza (F) frente a altura (Z) sobre la muestra. Las medidas de fuerza son utiles en estudios de fuerzas de adhesión y permiten estudiar a nivel de una sola molécula interacciones específicas entre moléculas (ej: interacción antígeno-anticuerpo, interacción entre hebras complementarias de ADN) o interacciones estructurales de las biomoléculas (plegado de proteínas) así como caracterizar la elasticidad de polímeros. También es util en estudios de indentación de materiales blandos (polimeros) que permitan caracterizar propiedades elásticas de la muestra como el módulo de elasticidad o viscoelásticas.

[editar] Modos de operación en imagen

Dentro de las medidas de imagen puede distinguirse dos categorías de modos de operación: modo de contacto y modos dinámicos o de vibración. En el modo de contacto (figura a.) se mantiene una fuerza constante sobre la muestra, mientras en los modos dinámicos se hace vibrar el listón a su frecuencia de resonancia valiéndose para ello del actuador piezoeléctrico. En estos últimos la interacción punta-superfcie modifica la amplitud, frequencia y fase de la resonancia , mientras el lazo de realimentación mantiene constante alguna de estas tres propiedades. Qué propiedad sea ésta es el criterio que determina el modo concreto de operación.

Se pueden distinguir principalmente dos modos dinámicos. A saber, modo de no contacto o de frecuencia modulada (FM-AFM) (figura b.) y modo de repiqueteo (del inglés "tapping mode") o de amplitud modulada (AM-AFM) (figura c.). En FM-AFM el lazo de realimentación mantiene constante el valor de la frecuencia de resonancia, mientras que en AM-AFM es la amplitud de ésta.

Originalmente el uso del modo de no contacto implicaba que la punta se encontraba siempre a distancia constante de la superficie, mientras que en el modo de repiqueteo la punta golpeaba intermitentemente la superficie. Posteriormente se ha demostrado que ambos modos puden ser operados tanto a distancia de la muestra como en contacto con ella.

La principal aplicación del FM-AFM es levantar topografías de superficies duras a escala atómica y operando en vacio extremo o UHV (de sus siglas en inglés Ultra High Vacuum), mientras que el AM-AFM se usa principalmente en medio líquido para obtener imágenes de muestras biológicas que sólo son estables en soluciones acuosas.

[editar] Sensores de flexión

Existen actualmente distintos sistemas para medir la flexión del listón. El más común en instrumentos comerciales es el llamado balanza óptica en éste la flexión del listón se registra mediante un haz láser que se refleja en la parte posterior de la palanca para luego alcanzar un fotodetector. A este efecto, la mayor parte de las micropalancas (listones) de AFM se fabrican actualmente con una capa de oro de unas decenas de nm de espesor en su parte posterior para optimizar su reflectancia al haz del laser. Sin embargo históricamente el primer sistema de detección usado fue un microscopio de STM (efecto túnel). En este sistema una punta de STM era ajustada al listón siendo la flexión de este medida a través de la variación en la corriente de túnel, ya que dicha corriente es sensible a cambios subnanometricos en la distancia entre punta de STM y listón. La razón de que se pensara inicialmente en este sistema es que en su origen el microscopio de AFM se concibió como modificación del microscopio de STM para ser usado con muestras electricamente aislantes ya que el microscopio de STM sólo funciona con conductores. Posteriormente se pasó a sustituir este sistema de detección por un interferómetro y finalmente se introdujo la balanza óptica. Más recientemente se han incorporado nuevos métodos de detección basados en piezorresistividad o en medidas de capacitancia. Sin embargo ninguno de estos métodos "electrónicos" alcanza los niveles de resolución tanto espacial como temporal de la balanza óptica.

[editar] Precisión

La resolución vertical del instrumento es de menos de 1 nm, y permite distinguir detalles tridimensionales en la superficie de la muestra con una amplificación de varios millones de veces.