Microscopio de Fuerza Atómica

El Microscopio de Fuerza Atómica (AFM) es un instrumento mecano-óptico capaz de detectar fuerzas del orden de los nanonewton.  Al analizar una muestra, es capaz de registrar continuamente la altura sobre la superficie de una sonda o punta cristalina de forma piramidal.  La sonda va acoplada a un listón microscópico, muy sensible al efecto de las fuerzas, de sólo unos 200 µm de longitud (cantilever, ver figura).

La fuerza atómica se puede detectar cuando la punta está muy próxima a la superficie de la muestra.   Es posible entonces  registrar la pequeña flexión del listón mediante un haz laser reflejado en su parte posterior.  Un sistema auxiliar piezoeléctrico desplaza la muestra tridimensionalmente, mientras que la punta recorre ordenadamente la superficie. Todos los movimientos son controlados por una computadora.

La resolución del instrumento es de menos de 1 nm, y la pantalla de visualización permite distinguir detalles en la superficie de la muestra con una amplificación de varios millones de veces.

Algunas imágenes obtenidas con el Microscopio de Fuerza Atómica son las siguientes:  a) cabello, b) bacilo "anclado" sobre una base de vidrio, c) plano de clivaje de la mica.  Note las diferentes escalas y que en (c) se resuelven detalles bastante menores de 1 nm.

Moviendo Atomos con el Microscopio de Fuerza Atómica

Ya en 1989 un equipo de la IBM había demostrado que se podía usar la punta de un Microscopo de Efecto Túnel (MET) para mover átomos. El  Microscopio de Efecto Túnel  funciona midiendo la corriente entre la aguja y la muestra,  a partir de una diferencia de potencial que se establece entre ambas.

En mayo de 2003 se utilizó  la punta de una aguja de un Microscopio de Fuerza Atómica para levantar un átomo de una superficie y reemplazarlo por otro. Es el primer experimento donde se han manipulado átomos individuales usando un método puramente mecánico, en vez de uno que involucre corriente eléctrica. 

La imagen  muestra el resultado del experimento.  A la izquierda se indica el átomo que es posteriormente extraido (derecha). El átomo de reemplazo no se muestra.

El Microscopio de Fuerza Atómica provee la imagen de una superficie sin que intervegan los efectos eléctricos, al medir las fuerzas mecánicas en la punta detectora, por lo que también resulta útil para materiales no conductores. 

En 1989, utilizando el microscopio túnel,  el equipo IBM logró deletrear las letras "I-B-M" con 35 átomos individuales de xenón sobre una superficie de níquel.  A partir de tal hecho los microscopios túnel se han popularizado por mover átomos en patrones más complicados, pero hasta este momento nadie había logrado manipular átomos individuales en una superficie no conductora .

MODO DE CONTACTO : Este modo de barrido requiere retroalimentación, de manera que la repulsión entre el listón y la muestra permanece constante. De la intensidad de la retro-alimentación se mide la altura. Este es el modo más común de barrido.

MODO DE ALTURA CONSTANTE : En este modo de barrido la altura del cantilever se mantiene constante durante el barrido. Se mide la flexión del listón. Al no haber retroalimentación, es posible barrer a alta velocidad.

MODO SIN CONTACTO : Este modo de barrido requiere retroalimentación, y la atracción entre la muestra y el listón (que vibra cerca del punto de resonancia) permanece constante. De la intensidad de la retro-alimentación se mide la altura. La resolución es un poco menor debido a la distancia entre el listón  y la muestra.

MODO DINAMICO : Este modo provee retroalimentación, en tanto que la repulsión entre la muestra y el cantilever (que vibra cerca del punto de resonancia) permanece constante. De la intensidad de la retroalimentación se mide la altura. Dado que hay poco "rozamiento" de la superficie, este modo es ideal para muestras que se mueven con facilidad.