¿Qué es un Microscopio de Sonda de Barrido?
Un microscopio de sonda de barrido (SPM, por sus siglas en inglés) es un tipo de microscopio que utiliza una sonda afilada, como una aguja, para examinar las irregularidades de la superficie de una muestra a nivel nanométrico. Este tipo de microscopio es ampliamente utilizado en la investigación y caracterización de materiales a escala atómica y molecular.
El SPM se utiliza comúnmente en entornos de alto vacío para lograr una alta resolución y limpiar la superficie de la muestra. Sin embargo, también existen microscopios de sonda de barrido que pueden operar en aire y, más recientemente, se han desarrollado algunos modelos que pueden utilizarse en líquidos, lo que amplía sus aplicaciones en campos como la biología y la química.
Entre los diferentes tipos de microscopios de sonda de barrido se encuentran el microscopio de barrido en túnel (STM) y el microscopio de fuerza atómica (AFM). El STM es capaz de capturar imágenes de átomos individuales mediante la medición de la corriente eléctrica que fluye a través de un pequeño espacio entre la sonda y la muestra. Por su destacada contribución al avance de la ciencia y la tecnología de las nanoestructuras, el inventor del STM fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1986.
Estos microscopios de sonda de barrido han revolucionado nuestra capacidad para visualizar y manipular la materia a nivel atómico, abriendo nuevas posibilidades en la investigación de materiales, la nanotecnología y otras áreas relacionadas. Su alta resolución y capacidad para explorar superficies con gran detalle los convierten en herramientas indispensables en la ciencia y la tecnología de los materiales a escala nanométrica.
Usos de los Microscopios de Sonda de Barrido
Los microscopios de sonda de barrido son herramientas fundamentales para observar y medir las características de la superficie de diversos materiales. Su capacidad para examinar superficies a nivel nanométrico los convierte en instrumentos indispensables en numerosos campos científicos y tecnológicos.
Estos microscopios son especialmente útiles para analizar semiconductores, vidrio, cristales líquidos y otros materiales donde la precisión en la medición de la rugosidad de la superficie es crucial. Pueden revelar detalles estructurales y morfológicos a nivel atómico, permitiendo la observación de la disposición atómica en monocristales de silicio y grupos fenilo en compuestos orgánicos.
Además, los microscopios de sonda de barrido encuentran aplicaciones en la investigación biológica, donde pueden ser utilizados para la observación y manipulación del ADN en muestras biológicas como microorganismos, bacterias y membranas biológicas.
Estos microscopios han experimentado un rápido desarrollo desde su introducción en la década de 1980. Se han logrado avances significativos en las técnicas de observación a nivel atómico, y se han desarrollado modelos capaces de medir parámetros adicionales, como la fricción, la viscoelasticidad y el potencial de superficie. Además, la capacidad de operar en líquidos ha ampliado su campo de aplicación en áreas como la electroquímica y la bioquímica, permitiendo mediciones más cercanas a las condiciones reales del entorno.
Principios de los Microscopios de Sonda de Barrido
Las imágenes y la información posicional se adquieren mediante la punta de una sonda fina en forma de aguja que explora la superficie de la muestra. La sonda es delgada y escanea a nivel atómico, por lo que no es adecuada para medir muestras con demasiada irregularidad.
1. Microscopía de Barrido en Túnel (STM)
El microscopio de barrido de túnel (STM, por sus siglas en inglés) aprovecha el fenómeno del efecto túnel para realizar mediciones a nivel atómico de la superficie de una muestra. Se basa en la intensidad de corriente que se genera cuando se establece un efecto túnel entre la punta de una sonda metálica y la muestra, la cual está separada por una fina capa de aislante, generalmente vacío.
El STM es capaz de medir con alta precisión la altura local de la superficie de la muestra, permitiendo discernir entre átomos vecinos y obtener una resolución espacial muy alta. Esto se logra mediante el movimiento de barrido de la sonda sobre la superficie de la muestra. La sonda, fabricada con materiales como tungsteno o platino, presenta una punta puntiaguda.
Cuando la sonda y la muestra se acercan lo suficiente, se establece un solapamiento de sus nubes de electrones y se aplica una pequeña tensión de polarización. Esto da lugar a una corriente de efecto túnel que fluye entre la sonda y la muestra. En el STM, se mantiene constante esta corriente de tunelización al mover la sonda horizontalmente (en las direcciones X e Y) sobre la superficie de la muestra y mediante el control de retroalimentación de la distancia entre la sonda y la muestra (en la dirección Z).
El movimiento vertical de la sonda se logra mediante el uso de elementos piezoeléctricos, los cuales pueden controlar la distancia con una precisión menor al tamaño de un átomo. Esto permite detectar interacciones entre átomos individuales y lograr una resolución atómica en tres dimensiones. Los elementos piezoeléctricos son dispositivos pasivos que aprovechan el efecto piezoeléctrico, que genera un voltaje cuando se aplica presión sobre ellos.
2. Microscopía de Fuerza Atómica (AFM)
La AFM mide y escanea las diferencias en las fuerzas interatómicas microscópicas (fuerzas de cohesión débiles entre átomos que no están unidos químicamente) entre la sonda y la superficie de la muestra para observar la superficie. Se ha desarrollado una amplia gama de aplicaciones que utilizan la tecnología AFM para medir las fuerzas de fricción, la viscoelasticidad, la constante dieléctrica y el potencial superficial.
Una sonda unida al extremo de un voladizo (cantilever) se pone en contacto con la superficie de la muestra mediante una pequeña fuerza. La distancia (Z) entre la sonda y la muestra se controla por realimentación para garantizar que la fuerza (deflexión) que actúa sobre el cantilever sea constante, mientras se explora horizontalmente (X, Y) para producir una imagen de la topografía de la superficie.
Más Información sobre los Microscopios de Sonda de Barrido
Tipos de Sondas
El AFM y el SPM, que son ejemplos típicos de microscopios de sonda de barrido, utilizan sondas, pero de distintos tipos. Además, existen muchos tipos diferentes de AFM solo, en términos de material, longitud, etc., y es importante seleccionar el adecuado para el objeto que se va a medir.
Además del modo de contacto descrito en el principio, los AFM también tienen un modo de golpeteo, que se utiliza cuando se miden muestras orgánicas frágiles y utiliza una sonda específica. Las sondas son consumibles y deben ser sustituidas por el usuario.