¿Qué es un Microscopio de Fuerza Atómica?
El microscopio de fuerza atómica (AFM) es un instrumento utilizado para visualizar la estructura superficial de una muestra a nivel nanométrico. Funciona detectando y escaneando la fuerza que actúa entre una sonda llamada cantilever y los átomos de la superficie de la muestra. El AFM se caracteriza por su capacidad para medir una amplia gama de objetos, no sólo muestras conductoras, sino también aislantes y muestras biológicas.
Usos del AFM
El AFM se utiliza principalmente en la industria con fines de inspección, ya que puede revelar irregularidades superficiales a nivel de nanoescala (1 nm = 10-9 m) a angstrom (0,1 nm).
Por ejemplo, se utiliza para medir la uniformidad y rugosidad del tratamiento superficial de sustratos semiconductores y para inspeccionar la corrosión y degradación del chapado de electrodos utilizando metales como el oro y el cobre. En aplicaciones de investigación, también se utiliza para observar de forma mínimamente invasiva reacciones y cambios estructurales en biomoléculas como las proteínas.
Existen diferentes modos de operación del AFM:
- Modo de contacto: En este modo, se manipula la superficie de la muestra mientras se mantiene una fuerza repulsiva constante entre el cantilever y la muestra mediante retroalimentación. Es el modo de medición más estándar en el AFM.
- Modo sin contacto/modo dinámico: En este modo, el cantilever se hace vibrar cerca de su frecuencia de resonancia. La amplitud de la vibración cambia a medida que la punta del cantilever se acerca a la muestra. Este cambio en la amplitud se utiliza para mantener constante la amplitud y obtener información sobre el desplazamiento en la dirección vertical.
Principios del AFM
El AFM se basa en la detección del desplazamiento de un cantilever debido a las fuerzas atómicas que actúan entre el cantilever y la superficie de la muestra. El método más común de detección del desplazamiento es mediante un fotodiodo que detecta el desplazamiento del cantilever.
Se irradia luz sobre el plano situado detrás del voladizo y se controla la luz reflejada. Cuando el voladizo es atraído hacia la superficie de la muestra por las fuerzas interatómicas, el ángulo de la luz reflejada cambia, lo que se detecta y se aplica retroalimentación para corregir de nuevo el ángulo del voladizo. El patrón de control en este momento se visualiza como la forma de las irregularidades de la superficie. Este método de detección se denomina método de palanca óptica.
El otro método utiliza un elemento piezoeléctrico para hacer vibrar el voladizo hacia arriba y hacia abajo y controla la amplitud, la fase y la frecuencia de esta vibración. La medición se realiza explorando el voladizo con retroalimentación para que éstas permanezcan constantes.
Otro método consiste en medir directamente la fuerza aplicada midiendo la flexión del voladizo. Esto se utiliza especialmente para observar muestras biológicas como las células, pero en este caso se utiliza para medir la localización de proteínas de membrana o la especificación mecánica de las células, en lugar de la medición de la topografía de la superficie.
Usos del AFM
Entre las fuerzas que pueden detectarse utilizando el AFM se incluyen las de atracción, repulsión, adhesión y enlace entre la punta terminal y la superficie del material. El AFM también se utiliza en el campo de la catálisis. A continuación se enumeran algunos ejemplos de aplicaciones.
- Observación atómica de zeolitas monocristalinas y minerales arcillosos estratificados: El AFM es utilizado para estudiar la estructura de superficies de zeolitas y minerales arcillosos a nivel atómico, permitiendo investigar propiedades y características de estos materiales.
- Observación de partículas de paladio en superficies de clivaje de mica: El AFM se utiliza para visualizar partículas de paladio depositadas sobre superficies de mica, las cuales pueden ser extremadamente lisas a nivel atómico. Esto permite estudiar y caracterizar catalizadores de paladio en detalle.
- Compatibilidad con diferentes entornos: El AFM se puede utilizar en una amplia variedad de entornos, como el aire y los líquidos. Esto brinda la capacidad de estudiar fenómenos de adsorción y procesos de reacción química en superficies en condiciones específicas. Por ejemplo, se pueden realizar mediciones de adsorción de compuestos orgánicos en superficies. Además, al modificar químicamente la punta, se pueden medir selectivamente diferentes fuerzas, lo que amplía las posibilidades de investigación.
Curvas de la Fuerza AFM
La curva de fuerza se se utilizan para medir las fuerzas de interacción, la cual se logra haciendo girar la punta, acercándola y alejándola repetidamente del material que se está midiendo. Este movimiento recíproco mide la curva de fuerza en función de la fuerza y la distancia entre la punta y la superficie del material.
La curva de fuerza puede no seguir la curva de fuerza original debido a la inestabilidad del voladizo, provocando la distorsión de la curva de fuerza real. Para evitar este problema, debe seleccionarse un cantilever adecuado para la orientación de la fuerza.
Las mediciones de curvas de fuerza en el aire miden las fuerzas de Van der Waals de contacto, así como las fuerzas de adhesión y menisco basadas en la tensión superficial. Las mediciones de curvas de fuerza se han aplicado en algunos casos a la evaluación del comportamiento ácido-base de superficies sólidas.
Diferencias entre AFM y STM
Aunque el AFM comparte algunos principios con el STM (Microscopio de Efecto Túnel), presenta diferencias significativas. El STM ofrece alta resolución atómica en vacío ultraalto, pero se ve limitado por la medición de materiales no conductores y la contaminación superficial de los materiales en el aire. En cambio, el AFM detecta la fuerza entre la sonda y el material, lo que permite medir materiales no conductores y realizar mediciones en diferentes entornos, incluyendo el aire.