Fuerza atómica microscópica

La microscopía de fuerza atómica ( AFM ) o microscopía de fuerza de barrido ( SFM ) es un tipo de microscopía de sonda de barrido (SPM) de muy alta resolución, con una resolución demostrada del orden de fracciones de un nanómetro , más de 1000 veces mejor que la difracción óptica . límite _

La microscopía de fuerza atómica [1] (AFM) es un tipo de microscopía de sonda de barrido (SPM), con una resolución demostrada del orden de fracciones de un nanómetro , más de 1000 veces mejor que el límite de difracción óptica . La información se recopila "sintiendo" o "tocando" la superficie con una sonda mecánica. Los elementos piezoeléctricos que facilitan movimientos diminutos pero exactos y precisos en el comando (electrónico) permiten un escaneo preciso. A pesar del nombre, el microscopio de fuerza atómica no utiliza la fuerza nuclear .

En la medición de fuerza, los AFM se pueden utilizar para medir las fuerzas entre la sonda y la muestra en función de su separación mutua. Esto se puede aplicar para realizar espectroscopia de fuerza , para medir las propiedades mecánicas de la muestra, como el módulo de Young de la muestra , una medida de rigidez.

Para obtener imágenes, la reacción de la sonda a las fuerzas que la muestra le impone se puede utilizar para formar una imagen de la forma tridimensional (topografía) de una superficie de muestra a alta resolución. Esto se logra escaneando de forma ráster la posición de la muestra con respecto a la punta y registrando la altura de la sonda que corresponde a una interacción sonda-muestra constante (consulte la sección Imágenes topográficas en AFM para obtener más detalles). La topografía de la superficie se muestra comúnmente como un pseudocolortrama. Aunque la publicación inicial sobre la microscopía de fuerza atómica de Binnig, Quate y Gerber en 1986 especulaba sobre la posibilidad de lograr una resolución atómica, era necesario superar profundos desafíos experimentales antes de demostrar la resolución atómica de defectos y bordes escalonados en condiciones ambientales (líquidas) en 1993 por Ohnesorge y Binnig. [2] La verdadera resolución atómica de la superficie de silicio 7x7 (las imágenes atómicas de esta superficie obtenidas por STM habían convencido a la comunidad científica de la espectacular resolución espacial de la microscopía de túnel de barrido) tuvo que esperar un poco más antes de que Giessibl la mostrara. [3]

En la manipulación, las fuerzas entre la punta y la muestra también se pueden usar para cambiar las propiedades de la muestra de forma controlada. Ejemplos de esto incluyen la manipulación atómica, la litografía con sonda de exploración y la estimulación local de las células.

Simultáneamente con la adquisición de imágenes topográficas, otras propiedades de la muestra pueden medirse localmente y mostrarse como una imagen, a menudo con una resolución similarmente alta. Ejemplos de tales propiedades son propiedades mecánicas como la rigidez o la fuerza de adhesión y propiedades eléctricas como la conductividad o el potencial superficial. De hecho, la mayoría de las técnicas de SPM son extensiones de AFM que utilizan esta modalidad. [4]

Un AFM genera imágenes escaneando un pequeño voladizo sobre la superficie de una muestra. La punta afilada en el extremo del voladizo hace contacto con la superficie, doblando el voladizo y cambiando la cantidad de luz láser reflejada en el fotodiodo. Luego, la altura del voladizo se ajusta para restaurar la señal de respuesta, lo que da como resultado que la altura del voladizo medido siga la superficie.
Un microscopio de fuerza atómica a la izquierda con una computadora de control a la derecha
Microscopio de fuerza atómica
Fig. 3: Configuración típica de un AFM.
(1) : Voladizo, (2) : Soporte para voladizo, (3) : Elemento piezoeléctrico (para hacer oscilar el voladizo a su frecuencia propia), (4) : Punta (Fija al extremo abierto de un voladizo, actúa como sonda), (5) : detector de deflexión y movimiento del voladizo, (6) : muestra a medir por AFM, (7) : accionamiento xyz, (mueve la muestra (6) y la platina (8) en las direcciones x, y y z con respecto a un ápice de punta (4)), y (8) : Etapa.
Fig. 5: Imagen topográfica formada por AFM.
(1) : ápice de la punta, (2) : superficie de la muestra, (3) : órbita Z del ápice de la punta, (4) : voladizo.
Micrografía electrónica de un voladizo AFM usado. Ancho de imagen ~30 micrómetros
Exploración topográfica del microscopio de fuerza atómica de una superficie de vidrio. Se pueden observar las características a escala micro y nano del vidrio, que representan la rugosidad del material. El espacio de la imagen es (x,y,z) = (20 µm × 20 µm × 420 nm).
Cadenas poliméricas individuales (0,4 nm de espesor) registradas en modo tapping en medios acuosos con diferente pH. [10]
Modelo para menisco de agua AFM
Detección de deflexión de haz AFM
El primer microscopio de fuerza atómica.
Mostrando un artefacto AFM que surge de una punta con un alto radio de curvatura con respecto a la característica que se va a visualizar
Artefacto AFM, topografía de muestra empinada
Imagen AFM de parte de un aparato de Golgi aislado de células HeLa