Microscopio de fuerza atómica para niños

El microscopio de fuerza atómica (conocido como AFM por sus siglas en inglés) es una herramienta especial que nos permite ver y estudiar objetos muy, muy pequeños. Es tan sensible que puede detectar fuerzas diminutas, como las que hay entre los átomos.

Este microscopio funciona con una punta muy fina, como una aguja diminuta, que va escaneando la superficie de una muestra. Al moverse, la punta detecta los relieves y las formas de la superficie, creando un mapa detallado de cómo es. Esta punta está unida a una pequeña palanca flexible, de unos 200 micrómetros (que es como el grosor de dos cabellos).

El AFM ha sido clave para el desarrollo de la nanotecnología, que es el estudio y la creación de cosas a una escala increíblemente pequeña, ¡tan pequeña como los nanómetros! Un nanómetro es una milmillonésima parte de un metro (10^–9 m).

¿Cómo surgió el microscopio de fuerza atómica?

En 1986, dos científicos, Gerd Binnig y Heinrich Rohrer, ganaron el Premio Nobel de Física. Lo recibieron por inventar una técnica llamada microscopía de efecto túnel (STM). Esta técnica les permitía ver superficies a escalas muy pequeñas, desde micras hasta nanómetros, e incluso átomos individuales.

El STM funciona pasando una punta conductora muy afilada sobre una superficie conductora o semiconductora. Detecta una pequeña corriente eléctrica que "salta" entre la punta y la superficie, lo que permite crear una imagen de su forma. Binnig y Rohrer compartieron el premio con Ernst Ruska, quien diseñó el primer microscopio electrónico.

¿En qué se diferencia el AFM de otros microscopios?

Existen varios tipos de microscopios, cada uno con sus propias capacidades:

Microscopio óptico

El microscopio óptico es muy útil para ver muestras orgánicas e inorgánicas. Sin embargo, su límite de resolución (lo más pequeño que puede ver con claridad) va desde 1 milímetro hasta 1 micra.

Microscopio electrónico

El microscopio electrónico puede ver cosas mucho más pequeñas, con una resolución entre 1 milímetro y 1 nanómetro. Es ideal para estudiar estructuras a nivel molecular y atómico.

Microscopio electrónico de transmisión (TEM)

El TEM puede ver estructuras en dos dimensiones con una resolución atómica.

Microscopio electrónico de barrido (SEM)

El SEM también tiene resolución atómica y es bueno para ver las características de la superficie. A menudo necesita un ambiente de vacío y, a veces, la muestra debe cubrirse con una capa especial.

Microscopio de efecto túnel (STM)

El STM permite ver zonas con más o menos electrones en la superficie, lo que ayuda a saber dónde están los átomos o moléculas. Es más económico que los microscopios electrónicos y se usa mucho en laboratorios.

Microscopía de barrido por sondeo (SPM)

El STM y el AFM forman parte de una familia de técnicas llamadas microscopía de barrido por sondeo (SPM). Estas técnicas se usan en muchas áreas de la ciencia, desde la biología hasta la física del estado sólido.

¿Qué limitaciones tiene el AFM?

Aunque el AFM es muy potente, tiene algunas consideraciones importantes:

• Algunas superficies pueden parecer muy lisas al STM, y para ver átomos individuales, la distancia entre la punta y la muestra debe ser extremadamente constante. Por eso, el microscopio debe estar muy aislado de cualquier vibración.
• Las imágenes que obtenemos no son como fotografías de los átomos. Lo que vemos es una representación de cómo se distribuyen los electrones alrededor de los átomos.
• Las imágenes también dependen de cómo interactúa la punta con la muestra, algo que aún se está investigando.
• Aunque no necesita un vacío total para funcionar, es mejor usar una cámara de vacío para evitar la contaminación y las vibraciones externas.

Recientemente, en 2007, un equipo del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) mejoró la técnica del AFM. Esta nueva técnica, llamada "Phase Imaging AFM", permite hacer mediciones tanto en el aire como en líquidos, lo que es muy útil para la biomedicina, la nanotecnología y el estudio de materiales.

¿Cómo está construido un AFM?

Un microscopio de fuerza atómica tiene varios componentes clave:

• Diodo láser: Emite un rayo de luz.
• Micropalanca: La pequeña palanca con la punta.
• Fotodiodo: Un sensor que detecta la luz del láser.
• Tubo piezoeléctrico: Un dispositivo que puede moverse con mucha precisión para controlar la posición de la punta.

Micropalancas

Las micropalancas son el corazón del AFM. Al principio, eran más grandes y se hacían de metal. Pero para poder escanear más rápido y con mayor detalle, se necesitaban palancas más pequeñas y ligeras.

Hoy en día, las micropalancas se fabrican usando técnicas de microfabricación que vienen de la industria microelectrónica. Las puntas suelen hacerse de silicio y tienen una forma piramidal muy afilada.

La fuerza que ejerce la micropalanca se calcula con la ley de Hooke, que describe cómo se estiran o doblan los resortes.

Sensores de flexión

Para saber cuánto se dobla la micropalanca, se usan diferentes sistemas. El más común es el sistema óptico: un rayo láser se refleja en la parte trasera de la micropalanca y llega a un fotodetector. Si la palanca se dobla, el rayo se mueve y el fotodetector lo registra.

Al principio, se usaba un microscopio STM para medir la flexión de la palanca. Luego se pasó a otros métodos, pero el sistema óptico es el que ofrece la mejor resolución.

La punta

La punta es crucial para la calidad de las imágenes del AFM. Cuanto más afilada sea la punta, mejor será la imagen. Las mejores puntas tienen un radio de curvatura de unos 5 nanómetros.

La forma en que la punta interactúa con la muestra puede verse afectada por:

• El tamaño de la punta.
• La compresión de la muestra.
• Las fuerzas entre la punta y la muestra, como las fuerzas electrostáticas, magnéticas, de Van der Waals o de capilaridad.

¿Qué tan preciso es el AFM?

El AFM es increíblemente preciso. Puede distinguir detalles tridimensionales en la superficie de una muestra con una resolución vertical de menos de 1 nanómetro. Esto significa que puede ampliar la imagen millones de veces.

Tipos de mediciones y modos de operación

El AFM puede hacer dos tipos principales de mediciones: crear imágenes y medir fuerzas.

• En el modo de imagen, la punta se mueve sobre la superficie de la muestra. Cuando la punta interactúa con los átomos de la superficie, la micropalanca se dobla. Un sensor detecta esta flexión y un sistema especial ajusta la altura de la punta para mantener la flexión constante. Así, se crea un mapa de la forma de la superficie.

• En las medidas de fuerza, la punta se mueve verticalmente hacia la muestra y se registra cómo se dobla la palanca. Esto permite estudiar la elasticidad de los materiales, las fuerzas de adhesión y cómo interactúan las moléculas, por ejemplo, en proteínas o ADN.

Modos de operación comunes

Hay diferentes maneras de operar el AFM:

Modo de contacto

En el modo de contacto (figura a), la punta toca la superficie de la muestra y la fuerza entre ellas se mantiene constante. Este modo es bueno para muestras que están bien adheridas a la superficie. Sin embargo, puede dañar muestras biológicas que son blandas o delicadas.

Modos dinámicos

En los modos dinámicos, la micropalanca vibra a su frecuencia natural. La interacción con la superficie cambia esta vibración, y el sistema ajusta la altura para mantener la vibración constante.

• En el modo de no contacto (FM-AFM) (figura b), la punta se mantiene muy cerca de la superficie, pero sin tocarla. Se usa para ver superficies duras a escala atómica, a menudo en un ambiente de vacío.
• En el modo de repiqueteo (AM-AFM) (figura c), la punta golpea la superficie de forma intermitente. Este modo es muy útil para obtener imágenes de muestras biológicas en líquidos.

Modos dinámicos en líquido

Operar el AFM en líquido tiene sus propios desafíos y ventajas. Permite estudiar proteínas y otras biomoléculas en su entorno natural.

Modos de operación elásticos

Para combinar la medición de fuerzas con la creación de imágenes de alta resolución, se han desarrollado varios métodos:

Mapeo de curvas de fuerza

Este método consiste en tomar muchas mediciones de fuerza en diferentes puntos de la superficie. Así se pueden crear mapas de la forma, la elasticidad y la adhesión de la muestra. Es un método preciso, pero puede ser lento.

Imagen cuantitativa

Este método es más rápido que el anterior y permite obtener imágenes de mayor resolución en menos tiempo. La punta se mueve lateralmente solo al final de cada medición, asegurando datos precisos.

Pico de Fuerza Intermitente

Este método, creado en 2009, también evita el movimiento lateral de la punta durante la medición de fuerza. La punta se mueve de forma sinusoidal y es útil para estudiar muestras con cierta elasticidad.

Modos bimodales

En los modos bimodales, la micropalanca vibra en dos frecuencias diferentes al mismo tiempo. Esto permite obtener la topografía de la muestra con una vibración y, con la otra, medir propiedades como la elasticidad o las propiedades eléctricas o magnéticas del material.

A continuación, se muestra una tabla con algunos modos bimodales comunes:

Galería de imágenes

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  Diagrama de un microscopio de fuerza atómica.

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  Diagrama de un microscopio de fuerza atómica.

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  Micropalanca

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  Ampliación a 3000x de una palanca usada de AFM.

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  Modos de operación: a. Modo contacto, b. Modo de no contacto, c. Modo de repiqueteo

Véase también

En inglés: Atomic force microscope Facts for Kids