La microscopía de fuerza química ( CFM ) es una variación de la microscopía de fuerza atómica (AFM) que se ha convertido en una herramienta versátil para la caracterización de superficies de materiales. Con AFM, la morfología estructural se prueba utilizando modos de contacto o de roscado simple que utilizan interacciones de van der Waals entre la punta y la muestra para mantener una amplitud de deflexión de la sonda constante (modo de fuerza constante) o mantener la altura mientras se mide la deflexión de la punta (modo de altura constante). CFM, por otro lado, utiliza interacciones químicas entre la punta de la sonda funcionalizada y la muestra. La química de elección es típicamente una punta recubierta de oro y una superficie con tioles R-SHadjunto, siendo R los grupos funcionales de interés. CFM permite la capacidad de determinar la naturaleza química de las superficies, independientemente de su morfología específica, y facilita los estudios de la entalpía de enlace químico básico y la energía superficial. Normalmente, el CFM está limitado por vibraciones térmicas dentro del voladizo que sostiene la sonda. Esto limita la resolución de la medición de fuerza a ~ 1 pN, lo que sigue siendo muy adecuado considerando que las interacciones débiles de COOH / CH 3 son ~ 20 pN por par. [1] [2] La hidrofobicidad se usa como el ejemplo principal a lo largo de esta consideración de CFM, pero ciertamente cualquier tipo de unión se puede probar con este método.
Trabajo pionero
El CFM ha sido desarrollado principalmente por Charles Lieber en la Universidad de Harvard en 1994. [1] El método se demostró usando hidrofobicidad donde las moléculas polares (por ejemplo, COOH) tienden a tener la unión más fuerte entre sí, seguidas de las no polares (por ejemplo, CH 3 -CH 3 ) vinculación, y una combinación es la más débil. Las puntas de las sondas están funcionalizadas y los sustratos modelados con estas moléculas. Se probaron todas las combinaciones de funcionalización, tanto por contacto de la punta como por eliminación, así como mapeo espacial de sustratos modelados con ambos restos y observando la complementariedad en el contraste de la imagen. Ambos métodos se analizan a continuación. El instrumento AFM utilizado es similar al de la Figura 1.
Fuerza de adherencia (ensayo de tracción)
Este es el modo más simple de operación CFM donde una punta funcionalizada se pone en contacto con la superficie y se tira para observar la fuerza a la que ocurre la separación, F ad (ver Figura 2). La teoría de la mecánica de adhesión de Johnson-Kendall-Roberts (JKR) predice este valor como [1] [2]
(1)
donde W SMT = γ SM + γ TM -γ ST donde R es el radio de la punta y γ son varias energías de superficie entre la punta, la muestra y el medio en el que se encuentra cada uno (líquidos que se analizan a continuación). Normalmente, R se obtiene a partir de SEM y γ SM y γ TM a partir de mediciones de ángulos de contacto en sustratos con los restos dados. Cuando se utilizan los mismos grupos funcionales, γ SM = γ TM y γ ST = 0 lo que da como resultado F ad = 3πRγ SM, TM . Hacer esto dos veces con dos restos diferentes (por ejemplo, COOH y CH 3 ) da valores de γ SM y γ TM , los cuales pueden usarse juntos en el mismo experimento para determinar γ ST . Por lo tanto, F ad se puede calcular para cualquier combinación de funcionalidades para comparar con valores determinados por CFM.
Para la punta y la superficie funcionalizadas de manera similar, en el desprendimiento de la punta, la teoría JKR también predice un radio de contacto de [2]
(2)
con un módulo de Young “efectivo” de la punta K = (2/3) (E / (1-ν 2 )) derivado del valor real E y la relación de Poisson ν. Si se conoce el área efectiva de un solo grupo funcional, A FG (por ejemplo, de simulaciones de química cuántica), el número total de ligandos que participan en la tensión se puede estimar como. Como se indicó anteriormente, la resolución de fuerza de CFM permite sondear enlaces individuales incluso de la variedad más débil, pero la curvatura de la punta generalmente lo previene. Utilizando la Ec. 2, se ha determinado un radio de curvatura R <10 nm como requisito para realizar pruebas de tracción de restos lineales individuales. [2]
Una nota rápida para mencionar es que el trabajo correspondiente a la histéresis en el perfil de fuerza (Figura 2) no se correlaciona con la energía de enlace. El trabajo realizado al retraer la punta es, aproximado debido al comportamiento lineal de la deformación, siendo F max la fuerza y Δx el desplazamiento inmediatamente antes de la liberación. Usando los resultados de Frisbie et al., [1] normalizados a los 50 grupos funcionales estimados en contacto, los valores de trabajo se estiman en 39 eV, 0.25 eV y 4.3 eV para COOH / COOH, COOH / CH 3 y CH 3 / Interacciones CH 3 , respectivamente. Aproximadamente, las energías de enlace intermolecular se pueden calcular mediante: enlace E = kT B , siendo T B el punto de ebullición. De acuerdo con esto, enlace E = 32,5 meV para ácido fórmico , HCOOH y 9,73 meV para metano , CH 4 , siendo cada valor aproximadamente 3 órdenes de magnitud más pequeño de lo que podría sugerir el experimento. Incluso si se considerara la pasivación de la superficie con EtOH (discutido a continuación), el gran error parece irrecuperable. Los enlaces de hidrógeno más fuertes tienen como máximo ~ 1 eV de energía. [3] Esto implica fuertemente que el voladizo tiene una constante de fuerza menor o del orden de la de las interacciones de enlace y, por lo tanto, no puede tratarse como perfectamente rígido. Esto abre una vía para aumentar la utilidad de CFM si se pueden usar voladizos más rígidos mientras se mantiene la resolución de la fuerza.
Mapeo de fuerza de fricción
Las interacciones químicas también se pueden usar para mapear sustratos preparados con diferentes funcionalidades (ver Figura 3). El escaneo de una superficie que tiene una hidrofobicidad variable con una punta que no tiene grupos funcionales unidos produciría una imagen sin contraste porque la superficie no tiene características morfológicas (operación AFM simple). La funcionalidad de una punta para que sea hidrófila haría que el voladizo se doble cuando la punta escanea a través de las porciones hidrófilas del sustrato debido a las fuertes interacciones punta-sustrato. Esto se detecta mediante la desviación del láser en un detector sensible a la posición, por lo que se produce una imagen de perfil químico de la superficie. Generalmente, un área más brillante correspondería a una mayor amplitud de deflexión, por lo que una unión más fuerte corresponde a áreas más claras de un mapa de imagen CFM. Cuando la funcionalización en voladizo se cambia de manera que la punta se dobla al encontrar áreas hidrofóbicas del sustrato, se observa la imagen complementaria.
La respuesta de la fuerza de fricción a la cantidad de carga perpendicular aplicada por la punta sobre el sustrato se muestra en la Figura 4. El aumento de las interacciones punta-sustrato produce una pendiente más pronunciada, como cabría esperar. Es de importancia experimental el hecho de que el contraste entre diferentes funcionalidades en la superficie puede mejorarse con la aplicación de una fuerza perpendicular mayor. Por supuesto, esto tiene el costo de un daño potencial al sustrato.
Ambiente: mediciones en líquidos
La fuerza capilar es un problema importante en las mediciones de la fuerza de tracción, ya que refuerza eficazmente la interacción entre la punta y la superficie. Por lo general, es causado por la humedad adsorbida en sustratos del ambiente ambiental. Para eliminar esta fuerza adicional, se pueden realizar mediciones en líquidos. Con la punta terminada en X y el sustrato en L líquido, la adición a F ad se calcula usando la ecuación 1 con W XLX = 2γ LL ; es decir, la fuerza extra proviene de la atracción de moléculas líquidas entre sí. Esto es ~ 10 pN para EtOH, lo que aún permite la observación de incluso las interacciones polares / no polares más débiles (~ 20 pN). [2] La elección del líquido depende de qué interacciones sean de interés. Cuando el disolvente no es miscible con grupos funcionales, existe una unión entre la punta y la superficie más grande de lo habitual. Por lo tanto, los disolventes orgánicos son apropiados para estudiar van der Waals y los enlaces de hidrógeno, mientras que los electrolitos son los mejores para sondear fuerzas hidrófobas y electrostáticas.
Aplicaciones en nanociencia
Una implementación biológica de CFM a nivel de nanoescala es el despliegue de proteínas con punta y superficie funcionalizadas (ver Figura 5). [4] Debido al aumento del área de contacto, la punta y la superficie actúan como anclas que sostienen los haces de proteínas mientras se separan. A medida que se desenrolla, la fuerza requerida salta indicando varias etapas de desenrollado: (1) separación en haces, (2) separación de haces en dominios de proteína cristalina mantenida unida por fuerzas de van der Waals, y (3) linealización de la proteína al superar la unión secundaria. Con este método se proporciona información sobre la estructura interna de estas proteínas complejas, así como una mejor comprensión de las interacciones constituyentes.
Una segunda consideración es aquella que aprovecha las propiedades únicas de los materiales a nanoescala. La alta relación de aspecto de los nanotubos de carbono (fácilmente> 1000) se aprovecha para obtener imágenes de superficies con características profundas. [5] El uso del material de carbono amplía la química de funcionalización ya que existen innumerables rutas para la modificación química de las paredes laterales de los nanotubos (por ejemplo, con diazonio, alquilos simples, hidrógeno, ozono / oxígeno y aminas). Los nanotubos de paredes múltiples se utilizan normalmente por su rigidez. Debido a sus extremos aproximadamente planos, se puede estimar el número de grupos funcionales que están en contacto con el sustrato conociendo el diámetro del tubo y el número de paredes, lo que ayuda a determinar las propiedades de tracción de un solo resto. Ciertamente, este método también tiene implicaciones obvias en tribología .
Referencias
- ^ a b c d Frisbie, CD; Rozsnyai, LF; Noy, A .; Wrighton, MS; Lieber, CM (1994). "Imagen de grupo funcional por microscopía de fuerza química". Ciencia . 265 (5181): 2071–4. Bibcode : 1994Sci ... 265.2071F . doi : 10.1126 / science.265.5181.2071 . PMID 17811409 .
- ^ a b c d e Noy, A .; Vezenov, DV; Lieber, CM (1997). "Microscopía de fuerza química". Annu. Rev. Mater. Sci . 27 : 381. Código Bibliográfico : 1997AnRMS..27..381N . doi : 10.1146 / annurev.matsci.27.1.381 . S2CID 53075854 .
- ^ Emsley (1980). "Enlace de hidrógeno muy fuerte". Reseñas de la Sociedad Química . 9 : 91. doi : 10.1039 / cs9800900091 .
- ^ Zlatanova, J .; Lindsay, SM; Leuba, SH (2000). "Espectroscopía de fuerza de una sola molécula utilizando el microscopio de fuerza atómica" . Prog. Biophys. Mol. Biol . 74 (1–2): 37–61. doi : 10.1016 / S0079-6107 (00) 00014-6 . PMID 11106806 .
- ^ Wong, SS; Joselevich, E .; Woolley, AT; Cheung, CL; Lieber, CM (1998). "Nanotubos funcionalizados covalentemente como sondas de tamaño nanométrico en química y biología" . Naturaleza . 394 (6688): 52–5. Código Bibliográfico : 1998Natur.394 ... 52W . doi : 10.1038 / 27873 . PMID 9665127 .