Microscopio de fuerza atómica AFM

El funcionamiento del microscopio AFM, se puede entender de una forma bastante intuitiva; puede compararse como una persona invidente que camina con la ayuda de un bastón, y en cierto modo la comparación es acertada. La persona invidente camina por la calle golpeando con su bastón para sortear los obstáculos que se encuentra, aceras, tipos de baldosas, bordillos, escaleras y etc. haciéndose una imagen topográfica del terreno.

Esquema de sonda de un microscopio AFMEl AFM esta basado en el contacto mecánico entre una sonda (punta) y la superficie de la muestra a estudiar; al tratarse de una técnica de barrido, la punta escanea la superficie de la muestra y resuelve sus detalles superficiales a nivel subnanométrico debido a que el extremo de la punta es muy pequeña (5 nanómetros de radio aproximadamente).

Esquema de la sonda ATM que se mantiene en contacto con la superficie de la muestra, la cual se mueve con gran precisión en el eje X-Y gracias a un escáner piezoeléctrico. La deflexión de la palanca de la sonda es seguida mediante un láser que es reflejado sobre un fotodetector, el cual permite detectar sus movimientos verticales con una precisión subnanométrica.

Microscopio_fuerza_atomicaA medida que el piezoeléctrico procede al escaneado en los ejes X-Y, la palanca que sostiene la punta se deflexiona arriba o abajo (eje Z) y esta deflexión es detectada mediante un láser que finalmente incide sobre la superficie de un fotodetector, el cual se encarga de seguir la evolución de la sonda del microscopio.

El piezoeléctrico encargado del escaneado está situado debajo de la muestra, aunque existen ciertos modelos de microscopio en los que la sonda es la encargada del escaneado y la muestra permanece inmóvil durante el proceso. Los piezoeléctricos instalados en los AFM recientes permiten escanear zonas superficiales desde cientos de nanómetros cuadrados hasta áreas de 200 micras de lado.

Forma de contacto

Sonda_ATMEn su forma topográfica, la sonda se encuentra en contacto estrecho con la superficie de la muestra, manteniendo una deflexión de palanca constante, esto es, aplicando una fuerza vertical constante sobre la muestra.

A partir de este momento inicial de contacto, el sistema de retroalimentación mantiene esta deflexión invariable mientras la sonda escanea la superficie de la muestra en el plano X-Y mediante el movimiento del piezoeléctrico en el eje Z; esta respuesta del eje Z del piezoeléctrico corresponde a la topografía de la muestra.

Formas básicas topográficas de microscopio ATM

Modos básicos topográficos del ATM

A: En modo de contacto, la sonda en contacto estrecho sigue la superficie de la muestra mientras el lazo de retroalimentación mantiene la deflexión constante de la palanca.

B: En modo de contacto intermitente, la sonda oscila de manera sinusoidal en el eje Z y solamente contacta con la muestra de manera esporádica. El lazo de retroalimentación actúa, no sobre la deflexión de la palanca sino sobre la amplitud de oscilación. Esta magnitud es registrada por el fotodetector mediante el seguimiento del movimiento del láser sobre el mismo.

microscopio_ATM

Este sistema, permite obtener imágenes de máxima resolución pero, debido a este contacto tan directo entre ambas superficies, puede resultar agresivo y deformar la superficie de la muestra, creando desperfectos superficiales topográficos de todo tipo. El radio de la punta aumenta rápidamente debido a las fuerzas de fricción establecidas durante el escaneado. Todo esto, conlleva una degradación paulatina de la calidad de las imágenes.

microscopios-fuerza-atomica-afm-58428-2417259Debido a estas condiciones, el modo de contacto está indicado solamente para la obtención de imágenes en las que la resolución vertical es fundamental, particularmente en casos en que las medidas se realicen sobre materiales duros (polímeros, metales, óxidos) o bien ciertas muestras biológicas muy determinadas que presenten una gran ordenación superficial, por ejemplo, cristales de proteínas en dos dimensiones o canales iónicos en membranas celulares.

Aplicaciones

El Microscopio de Fuerza Atómica, sirve para caracterizar la superficie de muestras sólidas y semisólidas, relativamente planas. Obtiene información morfológica en 3D, a partir de imágenes topográficas de las mismas, así como parámetros superficiales tales como valores en Z, rugosidad, tamaño y límites de grano, homogeneidad de partículas en pinturas o películas delgadas. También se emplea en la determinación de propiedades mecánicas de los materiales, como fuerzas de atracción, repulsión, viscosidad, elasticidad y dureza.

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