Microscopio de fuerza atómica/ principios básicos-componentes-modo de operación

Desde la invención del microscopio óptico se han desarrollado muchas técnicas para poder observar objetos más pequeños que el ojo humano no tiene la capacidad de captar, la invención de este microscopio fue un avance científico mu grande ya que a través de este instrumento podíamos observar objetos muy cercanos con luz visible a través de sus lentes. A medida que la ciencia progresaba y se crearon más diversos materiales, el hombre decidió inventar otros tipos de microscopios, ya que con el óptico no se podían apreciar objetos muy pequeños, es decir, menor que 1 nanómetro, por esta razón y debido a la curiosidad del hombre en sus estudios despertó la necesidad de inventar instrumentos donde se pudiese observar objetos a una longitud de onda visible, escalas muy pequeñas de hasta 500 nanómetros.

La creación de microscopio de transmisión y luego de barrido trajo numerosa aplicaciones entre ellas la creación de método de caracterización de materiales usando el microscopio por sonda de barrido, el primero de ellos es el microscopio de fuerza atómica que es el tema a continuación y luego el microscopio de efecto túnel.

El AFM es un instrumento con una capacidad poderosa de detectar materiales a escalas nanómetricas. Y se ha convertido en una técnica líder a nivel mundial, gracias a la caracterización a escalas nanómetricas es muy usado en la industria de los semiconductores y recientemente en polímeros

^{Imagen 1. Microscopio de fuerza atómica Imagen libre de derechos de autor fuente Flickr autor: Hans Splinter}

Es un microscopio utilizado para observar átomos o superficies de diferentes materiales, a través de esta técnica se pueden obtener imágenes de materiales a diferentes escalas y tamaños, en general esta en el AFM se puede obtener la disposición superficial de las moléculas en el campo de la biología, también observar superficies materiales en el campo de la física de materiales. Este instrumento mecano-óptico tiene la capacidad de capturar imágenes con fuerzas nanométricas a gran escala.

En realidad el AFM puede realizar los mismo estudios que el microscopio electrónico de barrido, pero a diferencia que este no necesita de un sistema de vació, tiene la particularidad o la facilidad de que puede trabajar en el agua o en el aire del medio ambiente, lo que significa que es especializado para estudiar células vivas en el campo de la biología.

Genial!!! no?? ahora vamos a lo siguiente...

En que consiste la técnica AFM?

Cuando colocamos el objeto o la muestra que deseamos observar, este dispositivo registra la altura de la superficie del objeto por medio de un cable o sonda, que tiene como característica una punta de cristal en forma de pirámide como se puede ver en la foto real del microscopio a continuación.

^{Imagen 2. Microscopio de fuerza atómica Imagen de dominio publico autor: Limojoe}

Esta sonda está conectada a un cable muy pequeño y, a su vez, es muy sensible para detectar cierta fuerza, tiene una longitud de aproximadamente 200 micrómetros en su longitud, aunque esto varía según la configuración que deseemos usar.

Básicamente, esta fuerza atómica cuando se detecta la punta del cristal que se acerca a la muestra, puede registrar una pequeña flexión del cable del microscópico a través de un rayo láser que se refleja en el lado posterior de la misma. Un sistema auxiliar acoplado eléctricamente desplaza la muestra del material analizado en forma tridimensional, mientras que la punta del cristal viaja por la superficie de la muestra.

El principio de medir las fuerzas envueltas en este mecanismo se podría decir que es muy sencillo, lo primero que se debe hacer es de medir la deflexión de un resorte. Si un muelle con una constante elástica k es comprimido por una fuerza Fz , la compresión deltaz del muelle es una medida indirecta de la fuerza aplicada, ya que según la ley de Hooke: Fz = k deltaz . El "resorte" utilizado para mediciones con el AFM , que debe ser ultrasensible, es una microlever flexible, microfleje o Cantilever en voladizo de constante elástica del orden de 1 a 10nN /nm.

Componentes del AFM

^{Figura 3. Esquema de los componentes del AFM Imagen de dominio publico autor: Angel Herraez quien realiza la modificacion de la imagen original de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Atomic_force_microscope_block_diagram_v2.svg por Twist}

El microscopio de fuerza atómica esta conformado por varias piezas importantes que llevan a cabo su funcionamiento (ver figura 3), a continuación les mostrare:

• El tubo piezoeléctrico o escaner, tiene la forma de un tubo como su nombre lo indica y permite el desplazamiento de la muestra en las direcciones del eje x,y y z, con respecto al vértice de la punta. A través de este dispositivo podemos obtener la señal de salida del piezoeléctrico cerámico en los ejes del AFM. La etapa de escaneo juega un papel importante en el posicionamiento de la muestra, es por ello que este componente a través de sensores puede detectar y compensar activamente en un tiempo real durante el barrido de la muestra.

• La punta o sonda de barrido, si a la hora de realizar el barrido queremos obtener una imagen nítida con alta resolución es aquí donde la punta juega un papel sumamente importante, eta debe tener la capacidad de detectar, percibir e identificar cualquier material. La punta se debe utilizar dependiendo del tipo de medida, ya sea en modo contacto, intermitente (más adelante explicare los modos de operación). La más usadas son las puntas de silicio y nitruro de silicio, la primera se usa en modo intermitente y la segunda en modo contacto.

• Voladizo, generalmente es un material duro, rígido, como una especie de viga que va anclado a un soporte que sostiene la punta del AFM, la fuerza entre la punta y la superficie de la muestra hace que el voladizo se flexione.

Durante el barrido existes varios aspectos o etapas fundamentales para obtener las imágenes que son: comprensión de la punta, ensanchamiento de la misma, movimiento del radio y las interacciones de la punta con la muestra.

Hay que tener en cuenta que en la actualidad existen diversos tipos de punta con diferentes recubrimientos, tamaños, frecuencias, elongamientos de fuerza, entre otros aspectos significativos, dependiendo de la necesidad del comprador.

• Fotodetector, sensor fabricado con un material semiconductor genera una señal que luego mide la desviación generada por el tubo y la convierte en una señal eléctrica. El detector mide la delfexión generada que ocurre en la punta cuando barre la superficie y con ello emite una señal que muestra por medio de un mapa topográfico la intensidad que proporciona el movimiento del voladizo como se muestra en la figura 3.

• Diodo- Láser, como todos ya conocemos el láser emite una señal de luz que luego incide sobre la muestra, generando el barrido a través del bombardeo de electrones. Y le diodo es un material semiconductor que genera un función muy simple y la circulación de la corriente eléctrica por todo el equipo AFM.

Modos de operación de imagen

Modo contacto

En este sistema la punta que sostiene el voladizo barre la superficie de la muestra (ver figura 4) empelando una fuerza constate F, manteniendo una constante de deflexión, un punto importante es que no se debe levantar la punta de la superficie de la muestra es por ello que este modo recibe su nombre.

En este modo de operación se aplica la siguiente ecuación,

F= K.D.... donde,

K= es la constante de fuerza del voladizo.
D= la deflexión ejercida.

^{Figura 4. Esquema del modo de operación Contacto.}

Modo contacto intermitente

También conocida como modo de operación Tapping en esta se genera una señal sinusoidal donde la punta del voladizo debe oscilar a la frecuencia de su propia resonancia, en este modo se genera una amplitud de oscilación constante luego del barrido denominada setpoint. Al momento del barrido el fotoescaner realiza un una lectura en Z para poder mantener la amplitud constante, es decir a medida que la punta toca la muestra los contactos debe realizaren intervalos de tiempo iguales, el movimiento del tubo piezoeléctrico o escaner proporciona una imagen topografía donde podemos observar los resultados finales del barrido de la muestra.

^{Figura 5. Esquema del modo de operacion "Tapping"}

Cabe destacar que en el modo Tapping se produce un efecto que trae como consecuencia un cambio en la fase de la onda sinusoidal, esto es debido a la interacción de la punta con la muestra, a este cambio de fase se le conoce en el mundo de la física como "desfase", a través de ello podemos obtener la imagen de la desfase del material como se puede observar en la figura 5.

Pero quizás ustedes se preguntaran porque ocurre este cambio de fase?...La respuesta es simple, esto es consecuencia de las propiedades que posee el material que se va a caracterizar, más que todo es debido a las propiedades mecánicas y viscoelásticas que presente dicho material.

Este tipo de modo de operación es utilizado principalmente en los polímeros, debido a la capacidad que tiene de poder obtener estos tipos de cambios de fase.

Modo No-Contacto

Y por ultimo este modo de operación es básicamente lo contrario al que explique inicialmente, aunque presenta una pequeña similitud que respecto al tapping y es que a pesar que de en este modo la punta no llega a tocar la superficie del material, en este se aplica de igual forma una onda sinusoidal, aunque es un poco más complejo que los otros otros modos de operación debido a que presenta una pequeña capa de contaminación de liquido que recubre el material y por ende podría llegar a tocar la muestra, es por ello que este método es muy limitado y poco usado hoy en día.

^{Figura 6. Esquema de modo de operación No-Contacto}

Ventajas de los modos de operación del AFM

El modo contacto presenta una alta velocidad de barrido, gran resolución y nitidez a la hora de obtener la imagen, puedes a su vez detectar cambios bruscos en la topografía de la imagen en la muestra analizada.

El modo Tapping a su vez presenta una buena resolución lateral que puede ir de 1 a 5 nanómetros. Posee fuerzas menos fuertes que los otros modos lo que trae como gran beneficio un daño mucho menor a la muestras.

Y por ultimo el modo No-Contacto tiene una gran ausencia de las fuerzas envueltas en el AFM.

Desventajas

Modo contacto su fuerzas laterales no son buenas lo que ocasiona gran distorsión en las imágenes, también tiene la posibilidad de que aparezcan fuerzas fuertes y la combinación entre ambas fuerzas puede traer como consecuencia la disminución de la resolución y pude dañar las muestras.

Modo Tapping su gran desventaja es que no presenta una buena velocidad de barrido, es un poco lento en comparación con el modo contacto.

y el modo No-Contacto, presenta menor resolución, menor velocidad, es un método poco usado.

Beneficios del AFM

Como mencione en la introducción esta técnica de sonda de barrido es muy usada en el análisis de dispositivos eléctricos, semiconductores, polímeros. Esta técnica complementa otras técnicas en la ciencia de los materiales como por ejemplo la difraccion de rayos X, estudios de morfología de materiales y a su vez tiene amplia utilización en los nanomateriales, su principal ventaja es que no necesita de un sistema de vació para poder operar, las muestras no requieren una molesta y sofisticada preparación, luego de su posterior crecimiento se puede colocar en el portaobjetos como tal.

De igual forma su estudios se pueden llevar a cabo con muestras solidas, polvos, películas, muestras biológicas, planas, homogéneas, con imperfecciones, etc.

Gracias por tu lectura hasta un próximo post

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Para más información

Microscopio de fuerza atómica/Wikipedia

Microscopio de fuerza atómica/Wikipedia (ENG)

Instrumentos físicos AFM

Microscopia de fuerza atómica/Andrea Bragas

Microscopia de fuerza atómica/Pablo Levy

Microscopio de fuerza atómica/ PDF

Principios básicos del AFM/ Ana Peña

Microscopia de barrido por sonda

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