Microscopio de forza atómica: Diferenzas entre revisións

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O '''microscopio de forza atómica''' ('''AFM''', nas súas siglas en inglés, de '''''A'''tomic '''F'''orce '''M'''icroscope'') é un instrumento mecano-óptico con capacidade para detectar forzas da orde dos [[newton (unidade)|nanonewtons]]. Ao escanear unha mostra, este microscopio pode rexistrar continuamente a súa [[topografía]] por medio dunha sonda de punta afiada de forma piramidal ou cónica. A sonda vai acoplada a unha panca microscópica moi flexible de só uns 200 [[Micrómetro|µm]]. O microscopio de forza atómica foi esencial para o desenvolvemento da [[nanotecnoloxía]], para a caracterización e visualización de mostras a dimensións nanométricas (10<sup>-9</sup> m = 1 nm).
O '''microscopio de forza atómica''' ('''AFM''', nas súas siglas en inglés, de '''''A'''tomic '''F'''orce '''M'''icroscope'') é un instrumento mecano-óptico con capacidade para detectar forzas da orde dos [[newton (unidade)|nanonewtons]]. Ao escanear unha mostra, este microscopio pode rexistrar continuamente a súa [[topografía]] por medio dunha sonda de punta afiada de forma piramidal ou cónica. A sonda vai acoplada a unha panca microscópica moi flexible de só uns 200 [[Micrómetro|µm]]. O microscopio de forza atómica foi esencial para o desenvolvemento da [[nanotecnoloxía]], para a caracterización e visualización de mostras a dimensións nanométricas (10<sup>-9</sup> m = 1 nm).

O AFM é un tipo de microscopía de varrido por sondaxe (SPM: Scanning probing microscopy), que inclúe tamén ao STM ([[microscopio de efecto túnel]]). O STM permite visualizar rexións de alta ou baixa densidade electrónica superficial, e de aí inferir a posición de átomos individuais ou moléculas na superficie dunha rede.<ref>http://www.icmm.csic.es/fis/espa/afm.html</ref> A microscopia de varrido por sondaxe utilízase en áreas da ciencia que van desde a bioloxía ata a física do estado sólido.


== Historia ==
== Historia ==
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[[Gerd Binnig]] e [[Heinrich Rohrer]] foron galardoados co [[Premio Nobel de Física]] de 1986 polo seu traballo en microscopia de varrido de túnel. Binnig e Rohrer foron recoñecidos polo desenvolvemento da poderosa técnica de microscopia que pode formar unha imaxe de cada un dos átomos sobre unha superficie de metal ou de semicondutores por medio do escaneo realizado pola punta dunha agulla sobre a superficie a unha altitude de só uns poucos diámetros atómicos. Compartiron o premio co científico alemán [[Ernst Ruska]], o deseñador do primeiro [[microscopio electrónico]].<ref>[http://inventors.about.com/library/inventors/blstm.htm]</ref>
[[Gerd Binnig]] e [[Heinrich Rohrer]] foron galardoados co [[Premio Nobel de Física]] de 1986 polo seu traballo en microscopia de varrido de túnel. Binnig e Rohrer foron recoñecidos polo desenvolvemento da poderosa técnica de microscopia que pode formar unha imaxe de cada un dos átomos sobre unha superficie de metal ou de semicondutores por medio do escaneo realizado pola punta dunha agulla sobre a superficie a unha altitude de só uns poucos diámetros atómicos. Compartiron o premio co científico alemán [[Ernst Ruska]], o deseñador do primeiro [[microscopio electrónico]].<ref>[http://inventors.about.com/library/inventors/blstm.htm]</ref>


En 2007 un equipo liderado polo Consello Superior de Investigacións Científicas ([[CSIC]]) español perfeccionou a técnica empregada polos microscopios atómicos. A nova técnica, denominada [[Phase Imaging AFM]], está baseada na microscopía de fuerzas, e permite realizar medidas tanto en aire coma en medios líquidos ou fisiolóxicos. O desenvolvemento desta técnica podería ter aplicacións en áreas diferenciadas, como a biomedicina, a nanotecnoloxía, a ciencia de materiais ou estudos medioambientais.
== Principales restricciones y observaciones en su uso ==

* Algunas superficies parecen demasiado lisas al STM, la altura aparente o corrugación es de 1/100 a 1/10 diámetros atómicos.
* Entonces, para resolver átomos individuales la distancia entre punta y muestra debe mantenerse constante a menos de 1/100 de diámetro atómico o hasta 0.002 nm., por ello el STM debe aislarse de las vibraciones.
* Debe tomarse en cuenta que el resultado es una visualización que permite conocer características de la muestra.
* No es una fotografía de los átomos en la superficie. Los átomos parecen tener superficies sólidas en las imágenes de STM, pero en realidad no las tienen.
* Sabemos que el núcleo de un átomo está rodeado de electrones en constante movimiento. Lo que parece una superficie sólida es en realidad una imagen de un conjunto de electrones.
* Las imágenes también dependen de ciertos mecanismos de interacción punta-muestra que no se entienden bien hasta la fecha.
* Aun cuando no necesita alto vacío para su operación, es deseable para eliminar contaminación y además una cámara de vacío aísla de vibraciones externas.

Recientemente (4 de junio de 2007) un equipo liderado por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas ([[CSIC]]) ha perfeccionado la técnica empleada por los microscopios atómicos. La nueva técnica, denominada [[Phase Imaging AFM]], está basada en la microscopía de fuerzas, y permite realizar medidas tanto en aire como en medios líquidos o fisiológicos. El desarrollo de esta técnica podría tener aplicaciones en áreas diferenciadas, como la biomedicina, la nanotecnología, la ciencia de materiales o estudios medioambientales.


== Instrumentación ==
== Instrumentación ==
[[Archivo:AFMsetup.jpg|thumb|left|Diagrama de un microscopio de fuerza atómica]]
[[Ficheiro:AFMsetup.jpg|miniatura|esquerda|Diagrama dun microscopio de forza atómica.]]
Los componentes de un AFM son:
Os compoñentes dun AFM son:
* [[Diodo]] [[láser]]: Fuerza normal, F''n''=A+B-(C+D), y Fuerza lateral, F''l''=A+C-(B+D).
* [[Diodo]] [[láser]]: Forza normal, F''n''=A+B-(C+D), e Fuerza lateral, F''l''=A+C-(B+D).
* Micropanca
* Micropalanca
* [[Fotodiodo]]
* [[Fotodiodo]]
* Tubo piezoeléctrico
* Tubo piezoeléctrico


=== Micropalancas ===
=== Micropancas ===


[[Archivo:micropalancaAFM.svg|thumb|250px|Micropalanca]]
[[Ficheiro:micropalancaAFM.svg|miniatura|250px|Micropanca.]]


Históricamente las primeras palancas tenían un tamaño de varios mm y solían fabricarse con metal, por ejemplo a partir de un hilo de [[Wolframio|tungsteno]] con un extremo afilado y doblado en ángulo 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 simultáneamente frecuencias de [[resonancia]] mayores. La solución a este problema se halló en la [[microfabricación]] de las palancas.
Historicamente as primeiras pancas tiñan un tamaño de varios mm e adoitaban fabricarse de metal, por exemplo a partir dun fío de [[volframio]] cun extremo afiado e dobrado en ángulo recto para formar a punta. Máis tarde foi necesario, para mellorar a velocidade de varrido sen perder resolución, que as pancas tiveran masas cada vez menores e simultaneamente frecuencias de [[resonancia]] maiores. A solución a este problema atopouse na [[microfabricación]] das pancas.


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 anisótropo]]. El grabado anisótropo involucra el uso de una solución grabadora que excava el material sólo o preferentemente en ciertas [[Redes de Bravais|direcciones cristalográficas]]. De esta manera, es posible producir puntas piramidales limitadas por planos cristalográficos del material.
As micropancas prodúcense na actualidade empregando métodos de microfabricación herdados inicialmente da industria microelectrónica, como [[litografía]] de superficie e gravados reactivos de plasma de ións (RIE e DRIE, siglas en inglés de ''Reactive Ion Etching'' e ''Deep Reactive Ion Etching''). As '''puntas''' adoitan fabricarse a partir de deposicións de vapor dalgún material axeitado sobre a panca xa fabricada, e nese caso o resultado adoita ser unha punta cónica ou máis comunmente, cando o [[silicio]] foi o material elixido, recorrendo a técnicas de [[gravado anisótropo]]. O grabado anisótropo implica o uso dunha solución gravadora que escava o material ou preferentemente en certas [[Redes de Bravais|direccións cristalográficas]]. Desta maneira, é posible producir puntas piramidais limitadas por planos cristalográficos do material.


La fuerza de la micropalanca viene dada por el fabricante y se determina por la [[ley de Hooke]]. En este caso, la ley de Hooke se representa por la ecuación del resorte, donde se relaciona la fuerza ''F'' ejercida por el resorte con la distancia adicional ''x'' producida por alargamiento, del siguiente modo:
A forza da micropanca vén dada polo fabricante e determínase pola [[lei de Hooke]]. Neste caso, a lei de Hooke represéntase pola ecuación do resorte, onde se relaciona a forza ''F'' exercida polo resorte coa distancia adicional ''x'' producida por alongamento, do seguinte modo:


:<math>F = -k\Delta x \, </math>, siendo <math> k = \frac{AE}{L}</math>
:<math>F = -k\Delta x \, </math>, onde <math> k = \frac{AE}{L}</math>


El [[ruido de Johnson-Nyquist]], también conocido como ruido térmico, es un factor importante en la calibración de la micropalanca, pues está a su frecuencia de resonancia por la temperatura.
O [[ruído de Johnson-Nyquist]], tamén coñecido como ruído térmico, é un factor importante na calibración da micropanca, porque está á súa frecuencia de resonancia pola temperatura.


=== Sensores de flexión ===
=== Sensores de flexión ===


Existen actualmente distintos sistemas para medir la flexión del listón. El más común en instrumentos comerciales es el llamado '''óptica''' en éste la flexión del listón se registra mediante un haz láser que se refleja en la parte posterior de la micropalanca 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 láser. 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 subnanométricos 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 eléctricamente 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 palanca 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 palanca óptica.
Existen actualmente distintos sistemas para medir a flexión da panca. O máis común en instrumentos comerciais é o chamado '''óptica''', neste a flexión da panca rexístrase mediante un feixe láser que se reflicte na parte posterior da micropanca para logo acadar un fotodetector. A este efecto, a maior parte das micropancas de AFM fabrícanse actualmente cunha capa de ouro dunhas decenas de nm de grosor na súa parte posterior para optimizar a súa reflectancia ao feixe do láser. Porén, historicamente o primeiro sistema de detección usado foi un microscopio de STM ([[efecto túnel]]). Neste sistema unha punta de STM era axustada á panca, e a flexión desta era medida por medio da variación na '''corrente de túnel''', xa que dita corrente é sensible a cambios subnanométricos na distancia entre punta de STM e panca. A razón de que se pensara inicialmente neste sistema é que na súa orixe o microscopio de AFM se concibiu como unha modificación do STM para usalo con mostras electricamente illantes, xa que o microscopio de efecto túnel (STM) funciona con condutores. Posteriormente, pasouse a substituír este sistema de detección por un interferómetro e finalmente introduciuse a panca óptica. Máis recentemente incorporáronse novos métodos de detección baseados en piezorresistividade ou en medidas de capacitancia. Con todo, ningún destes métodos "electrónicos" acada os niveis de resolución tanto espacial coma temporal da panca óptica.


Por otra parte la palanca óptica presenta un problema de calibración que afecta especialmente a las medidas de fuerza. Este se debe a la necesidad que se da en las medidas de fuerza de registrar de forma precisa la flexión de la palanca en su extremo libre. Ya que el fotodiodo solamente registra el desplazamiento del punto de laser sobre su superficie es necesario calibrar este desplazamiento con una flexión real de la palanca para poder obtener medidas de flexión. Este procedimiento conocido como calibración de la sensibilidad se lleva a cabo imprimiendo una flexión conocida al extremo de la micropalanca mientras simultáneamente se registra la señal del fotodiodo. La forma más común de obtener una flexión conocida es presionar verticalmente el extremo de la palanca contra una superficie rígida, asegurando así que el desplazamiento vertical de la palanca equivale a flexión en su extremo.
Por outra parte, a panca óptica presenta un problema de calibración que afecta especialmente ás medidas de forza. Este débese á necesidade que se nas medidas de forza de rexistrar de forma precisa a flexión da panca no seu extremo libre. Como o fotodiodo soamente rexistra o desprazamento do punto de láser sobre a súa superficie, cómpre calibrar este desprazamiento cunha flexión real da panca para poder obter medidas de flexión. Este procedemento coñecido como calibración da sensibilidade lévase a cabo imprimindo unha flexión coñecida ao extremo da micropanca mentres simultaneamente se rexistra o sinal do fotodiodo. A forma máis común de obter unha flexión coñecida é presionar verticalmente o extremo da panca contra unha superficie ríxida, asegurando así que o desprazamento vertical da panca equivale a flexión no seu extremo.


Los métodos interferométricos o de efecto túnel no requieren de este procedimiento.
Os métodos interferométricos ou de efecto túnel non requiren deste procedrmento.


=== Punta ===
=== Punta ===
[[Archivo:AFM (used) cantilever in Scanning Electron Microscope, magnification 3000x.GIF|thumb|left|Ampliación a 3000x de una palanca usada de AFM]]
[[Ficheiro:AFM (used) cantilever in Scanning Electron Microscope, magnification 3000x.GIF|miniatura|esquerda|Ampliación a 3000x dunha panca usada de AFM.]]
Unos de los aspectos más importantes en la resolución de las imágenes obtenidas por AFM es la agudeza de la punta. Las primeras utilizadas por los precursores del AFM consistieron en pegar el diamante sobre pedazos de papel de aluminio. Las mejores puntas con radio de curvatura se encuentran alrededor de los 5nm.
Unos de los aspectos más importantes en la resolución de las imágenes obtenidas por AFM es la agudeza de la punta. Las primeras utilizadas por los precursores del AFM consistieron en pegar el diamante sobre pedazos de papel de aluminio. Las mejores puntas con radio de curvatura se encuentran alrededor de los 5nm.



Revisión como estaba o 31 de maio de 2015 ás 17:36

Diagrama dun microscopio de forza atómica.

O microscopio de forza atómica (AFM, nas súas siglas en inglés, de Atomic Force Microscope) é un instrumento mecano-óptico con capacidade para detectar forzas da orde dos nanonewtons. Ao escanear unha mostra, este microscopio pode rexistrar continuamente a súa topografía por medio dunha sonda de punta afiada de forma piramidal ou cónica. A sonda vai acoplada a unha panca microscópica moi flexible de só uns 200 µm. O microscopio de forza atómica foi esencial para o desenvolvemento da nanotecnoloxía, para a caracterización e visualización de mostras a dimensións nanométricas (10-9 m = 1 nm).

O AFM é un tipo de microscopía de varrido por sondaxe (SPM: Scanning probing microscopy), que inclúe tamén ao STM (microscopio de efecto túnel). O STM permite visualizar rexións de alta ou baixa densidade electrónica superficial, e de aí inferir a posición de átomos individuais ou moléculas na superficie dunha rede.[1] A microscopia de varrido por sondaxe utilízase en áreas da ciencia que van desde a bioloxía ata a física do estado sólido.

Historia

Gerd Binnig e Heinrich Rohrer foron galardoados co Premio Nobel de Física de 1986 polo seu traballo en microscopia de varrido de túnel. Binnig e Rohrer foron recoñecidos polo desenvolvemento da poderosa técnica de microscopia que pode formar unha imaxe de cada un dos átomos sobre unha superficie de metal ou de semicondutores por medio do escaneo realizado pola punta dunha agulla sobre a superficie a unha altitude de só uns poucos diámetros atómicos. Compartiron o premio co científico alemán Ernst Ruska, o deseñador do primeiro microscopio electrónico.[2]

En 2007 un equipo liderado polo Consello Superior de Investigacións Científicas (CSIC) español perfeccionou a técnica empregada polos microscopios atómicos. A nova técnica, denominada Phase Imaging AFM, está baseada na microscopía de fuerzas, e permite realizar medidas tanto en aire coma en medios líquidos ou fisiolóxicos. O desenvolvemento desta técnica podería ter aplicacións en áreas diferenciadas, como a biomedicina, a nanotecnoloxía, a ciencia de materiais ou estudos medioambientais.

Instrumentación

Diagrama dun microscopio de forza atómica.

Os compoñentes dun AFM son:

  • Diodo láser: Forza normal, Fn=A+B-(C+D), e Fuerza lateral, Fl=A+C-(B+D).
  • Micropanca
  • Fotodiodo
  • Tubo piezoeléctrico

Micropancas

Micropanca.

Historicamente as primeiras pancas tiñan un tamaño de varios mm e adoitaban fabricarse de metal, por exemplo a partir dun fío de volframio cun extremo afiado e dobrado en ángulo recto para formar a punta. Máis tarde foi necesario, para mellorar a velocidade de varrido sen perder resolución, que as pancas tiveran masas cada vez menores e simultaneamente frecuencias de resonancia maiores. A solución a este problema atopouse na microfabricación das pancas.

As micropancas prodúcense na actualidade empregando métodos de microfabricación herdados inicialmente da industria microelectrónica, como litografía de superficie e gravados reactivos de plasma de ións (RIE e DRIE, siglas en inglés de Reactive Ion Etching e Deep Reactive Ion Etching). As puntas adoitan fabricarse a partir de deposicións de vapor dalgún material axeitado sobre a panca xa fabricada, e nese caso o resultado adoita ser unha punta cónica ou máis comunmente, cando o silicio foi o material elixido, recorrendo a técnicas de gravado anisótropo. O grabado anisótropo implica o uso dunha solución gravadora que escava o material só ou preferentemente en certas direccións cristalográficas. Desta maneira, é posible producir puntas piramidais limitadas por planos cristalográficos do material.

A forza da micropanca vén dada polo fabricante e determínase pola lei de Hooke. Neste caso, a lei de Hooke represéntase pola ecuación do resorte, onde se relaciona a forza F exercida polo resorte coa distancia adicional x producida por alongamento, do seguinte modo:

, onde

O ruído de Johnson-Nyquist, tamén coñecido como ruído térmico, é un factor importante na calibración da micropanca, porque está á súa frecuencia de resonancia pola temperatura.

Sensores de flexión

Existen actualmente distintos sistemas para medir a flexión da panca. O máis común en instrumentos comerciais é o chamado óptica, neste a flexión da panca rexístrase mediante un feixe láser que se reflicte na parte posterior da micropanca para logo acadar un fotodetector. A este efecto, a maior parte das micropancas de AFM fabrícanse actualmente cunha capa de ouro dunhas decenas de nm de grosor na súa parte posterior para optimizar a súa reflectancia ao feixe do láser. Porén, historicamente o primeiro sistema de detección usado foi un microscopio de STM (efecto túnel). Neste sistema unha punta de STM era axustada á panca, e a flexión desta era medida por medio da variación na corrente de túnel, xa que dita corrente é sensible a cambios subnanométricos na distancia entre punta de STM e panca. A razón de que se pensara inicialmente neste sistema é que na súa orixe o microscopio de AFM se concibiu como unha modificación do STM para usalo con mostras electricamente illantes, xa que o microscopio de efecto túnel (STM) só funciona con condutores. Posteriormente, pasouse a substituír este sistema de detección por un interferómetro e finalmente introduciuse a panca óptica. Máis recentemente incorporáronse novos métodos de detección baseados en piezorresistividade ou en medidas de capacitancia. Con todo, ningún destes métodos "electrónicos" acada os niveis de resolución tanto espacial coma temporal da panca óptica.

Por outra parte, a panca óptica presenta un problema de calibración que afecta especialmente ás medidas de forza. Este débese á necesidade que se dá nas medidas de forza de rexistrar de forma precisa a flexión da panca no seu extremo libre. Como o fotodiodo soamente rexistra o desprazamento do punto de láser sobre a súa superficie, cómpre calibrar este desprazamiento cunha flexión real da panca para poder obter medidas de flexión. Este procedemento coñecido como calibración da sensibilidade lévase a cabo imprimindo unha flexión coñecida ao extremo da micropanca mentres simultaneamente se rexistra o sinal do fotodiodo. A forma máis común de obter unha flexión coñecida é presionar verticalmente o extremo da panca contra unha superficie ríxida, asegurando así que o desprazamento vertical da panca equivale a flexión no seu extremo.

Os métodos interferométricos ou de efecto túnel non requiren deste procedrmento.

Punta

Ampliación a 3000x dunha panca usada de AFM.

Unos de los aspectos más importantes en la resolución de las imágenes obtenidas por AFM es la agudeza de la punta. Las primeras utilizadas por los precursores del AFM consistieron en pegar el diamante sobre pedazos de papel de aluminio. Las mejores puntas con radio de curvatura se encuentran alrededor de los 5nm.

Existen tres tipos de influencias para formar las imágenes:

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.

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 listón. La medida se expresa entonces representando fuerza (F) frente a altura (Z) sobre la muestra. Las medidas de fuerza son útiles 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 útil en estudios de indentación de materiales blandos (polímeros) que permitan caracterizar propiedades elásticas de la muestra como el módulo de elasticidad o viscoelásticas.

Modos de operación en imagen

thumb|350px|Modos de operación: a. Modo contacto, b. Modo de no contacto, c. Modo de repiqueteo

Modo contacto

En el barrido en modo contacto (figura a) la fuerza entre punta y muestra se mantiene constante, manteniendo una constante de deflexión. La deflexión de la punta estática se utiliza como una señal de retroalimentación.

La fuerza de adhesión es una fuerza fundamental en el modo contacto:

Donde es la tensión superficial del agua, es el ángulo del menisco entre punta y muestra, y R hace referencia al radio de la punta y de la muestra.

En condiciones normales, la fuerza de adhesión es de unos 7nN. La fuerza de adhesión es uno de los mayores inconvenientes del modo contacto en aire. En el modelo de Hertz se asume que la superficie es suave y continua, que el área de contacto es pequeña, y que no existen fuerzas de fricción ni adhesión. Sin embargo, la fuerza de adhesión es muy importante a escala nanométrica, afectando especialmente a la resolución lateral. Para superar este inconveniente, se utiliza el Jumping mode, un modo de contacto en el que se evitan las fuerzas laterales. El AFM en líquido supera también este problema, pues en líquido no existen fuerzas de adhesión.

El principal problema del modo contacto es que las muestras biológicas (blandas y delicadas) pueden dañarse. De ahí que funcione especialmente bien con muestras fuertemente adheridas a la superficie. En cristales de proteína, por ejemplo, las fuerzas laterales no modifican la muestra, pero sí en moléculas individuales.

Modo dinámico

En los modos dinámicos se hace vibrar la micropalanca a su frecuencia de resonancia valiéndose para ello del actuador piezoeléctrico. La interacción punta-superficie modifica la amplitud, frecuencia 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:

  • En el Modo de no contacto o de frecuencia modulada (FM-AFM) (figura b) se mantiene constante la frecuencia de resonancia. La principal aplicación del FM-AFM es levantar topografías de superficies duras a escala atómica y operando en vacío extremo o UHV (de sus siglas en inglés Ultra High Vacuum)
  • En el Modo de repiqueteo (del inglés "tapping mode") o de amplitud modulada (AM-AFM) (figura c) se mantiene constante la amplitud. Se usa principalmente en medio líquido para obtener imágenes de muestras biológicas que sólo son estables en soluciones acuosas.

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.

Modos dinámicos en líquido

En el modo dinámico en líquido existen dos formas de hacer oscilar la micropalanca:

  • En los modos acústicos se sitúa el piezoeléctrico, o bien en la parte trasera de la celda líquida, o bien bajo la muestra. En este caso, el movimiento de la muestra induce el de la micropalanca. La principal desventaja de este modo es que resulta en resonancias muy sucias.
  • En los modos electrostático y magnético, la micropalanca se hace oscilar mediante un campo eléctrico o electrostático. La principal desventaja de este modo es que hay que metalizar las micropalancas.

El modo dinámico en líquido, además de tratarse de una técnica todavía en desarrollo, presenta fundamentalmente dos problemas:

  1. Es menos sensible a las fuerzas de la interacción punta-muestra que el modo en aire. Esto es debido a la reducción en agua de la constante de amortiguamiento, lo que provoca que los cambios de la frecuencia de resonancia se manifiesten en la amplitud con menor sensibilidad.
  2. Al existir contacto entre punta y muestra, se necesitan micropalancas más blandas con frecuencias de resonancia más altas.

Las aplicaciones del AFM en líquido son muy variadas: permite la resolución de problemas estructurales y la caracterización mecánica de proteínas, detectar el funcionamiento de proteínas in situ (como el desplegamiento de proteínas) y manipular proteínas individuales.

Referencias

Véxase tamén

Ligazóns externas