Microscopio de fuerza atómica

El microscopio de fuerza atómica (AFM, de sus siglas en inglés Atomic Force Microscope) es un instrumento mecano-óptico capaz de detectar fuerzas del orden de los nanonewtons. Al rastrear una muestra, es capaz de registrar continuamente su topografía mediante una sonda o punta afilada de forma piramidal o cónica. El microscopio de fuerza atómica ha sido esencial en el desarrollo de la nanotecnología, para la caracterización y visualización de muestras a dimensiones nanométricas. ¿Qué es?

Características. Modo de operación: Oscilatorio (Tapping) y Contacto. Medio de trabajo: Modo ambiental. Tipo de muestras: Conductivas, no conductivas, material biológico (células, tejidos, etc.), alimentos, metales, cerámicos, películas delgadas, cristales, polvos, pinturas, nanopartículas, alimentos, etc.

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, distribución (homogeneidad) de partículas en pinturas o películas delgadas, entre otras. También se emplea en la determinación de propiedades mecánicas de los materiales, tales como fuerzas de atracción, repulsión, viscosidad, elasticidad y dureza.

Esquema representativo de los componentes esenciales del AFM.

Partes del microscopio. Cabeza. En la Figura se muestra un esquema de la cabeza de un microscopio de barrido típico de AFM. El sistema se encuentra colocado sobre una mesa X-Y que a su vez está unida al escáner en tres puntos de anclaje y sujeta por un par de muelles (Figura2).

Partes del microscopio. La punta. El tipo de punta y de soporte de la misma viene directamente condicionado por la muestra y el modo de operación. Por ejemplo, si vamos a trabajar en el modo de contacto, elegiremos una punta de nitruro de silicio colocada en un soporte estándar. Si por el contrario, vamos a trabajar en el modo de contacto intermitente (Tapping Mode) para observar una muestra biológica en un medio fluido, será necesario emplear una celda especial de líquidos. Por otra parte, para trabajar con el STM es necesario utilizar un soporte especial que tiene un pequeño tubo adaptado para sujetar los alambres que se utilizan para hacer los barridos. En la Figura se pueden observar ejemplos de cada uno de los soportes de puntas empleados para las puntas de barrido.

Partes del microscopio. La punta. Las puntas que se emplean en AFM suelen ser de nitruro de silicio o de silicio. Las puntas de nitruro de silicio generalmente se emplean en el modo de contacto, mientras que las de silicio, son las más ampliamente empleadas tanto para el modo de contacto intermitente o “tapping” como para la mayoría de las aplicaciones de la microscopía de fuerza atómica. En el mercado se encuentran disponibles una gran variedad de puntas con distintas constantes de fuerza, frecuencias de resonancia, recubrimientos superficiales, longitud de la punta, espesor,... En la figura, se muestra a modo de ejemplo una de punta de típica de las empleadas para operar en el modo de contacto intermitente.

Partes del microscopio. El sistema control y retroalimentación En la Figura se muestra un detalle del sistema óptico de retroalimentación. El láser incide sobre la punta de barrido. A medida que se hace el barrido correspondiente, se producirá una deflexión de la punta que se traducirá en un cambio en la posición de incidencia del láser en el fotodetector. El sistema rectifica, subiendo o bajando el tubo de barrido, de forma que el haz vuelva a incidir en el centro del fotodetector. El sistema también permite detectar movimientos laterales del haz del laser, monitorizándose así los fenómenos asociados a procesos de fricción que tienen lugar entre la punta y la superficie de barrido. a) b)

Partes del microscopio. El sistema control y retroalimentación El sistema de retroalimentación que se emplea para controlar las interacciones punta muestra debe ser optimizado antes de cada medida y para cada muestra. El control y optimización del sistema se consigue ajustando una serie de ganancias en el circuito de retroalimentación del SPM.

Principio de funcionamiento.

Método de detección

Adquisición de imagen.

Modo de contacto o fuerza constante.

Modo variable.