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Desde Arquímedes al nacimiento del microscopio de fuerza atómica (AFM) Parte II

Después de narrar la proeza de mover átomos para escribir IBM a escalas atómicas, es oportuno desmitificar qué nos hace pensar, o a qué nos suena el término: microscopio de fuerza atómica

Escrito en OPINIÓN el

Anteriormente en “Desde Arquímedes al nacimiento del microscopio de fuerza atómica, Parte I”, después de narrar la proeza de mover átomos para escribir IBM a escalas atómicas, es oportuno desmitificar qué nos hace pensar, o a qué nos suena el término: microscopio de fuerza atómica (AFM, atomic force microscope por sus siglas en inglés). 

Para el público no especializado, y en el contexto histórico de la invención del AFM (premio Nobel de Física, diciembre de 1986), hay que recordar que la guerra fría aún estaba tibia, no había caído el muro de Berlín, la antigua San Petersburgo aún se llamaba Leningrado, de niños teníamos pesadillas con misiles y de que alguien apretara el botón.

De Chernóbil (abril 1986) pocos datos se conocían, no había internet, ni TV streaming, ni EURO, y la Unión Europea apenas juntaban algunos ingredientes para cocinarse. 

Así que para esos tiempos y actualmente, los conceptos de átomo, atómica (“bomba”), radiación, radioactividad y energía nuclear, era y aún son poco claros, y pueden ser confundidos por los lectores no especializados, e incluso para estudiantes de pregrado y posgrado sin contacto con los microscopios de fuerza atómica. 

En mi experiencia, cuando hablamos de los AFM, en general las personas y estudiantes piensan que los equipos requieren grandes instalaciones especializadas, como en el área 51 (que se dice que alberga OVNIS), o el Laboratorio Nacional de Los Álamos del proyecto Manhattan, que sirvió para construir las bombas atómicas.

O que es necesario usar trajes anti-radiación como el de Marty McFly que usó para colocar el plutonio en el DeLorean de la saga de Volver al Futuro. 

Algunos otros, se decepcionan cuando ven que un AFM apenas ocupa el área de una mesita para albergar el desayuno de dos personas y/o una computadora de escritorio (Figura 1). 

Figura 1. Un microscopio de fuerza atómica (AFM) no es más grande que una mesa de cena para dos.

En resumen, un AFM no usa ni genera radiación o radioactividad (como en la película Radioactiva de Marie Curie), no da cáncer, no produce energía nuclear, no tiene que ver con las bombas atómicas, no usa fuentes de rayos-X, ni James Bond va a venir a desconectarlo. 

La realidad es que, un AFM es tan noble, elegante, todo terreno, compacto, útil, sensible e inofensivo como un perro labrador, como era Frida cobrando su pelota de juego o rescatando a una persona. 

¿Qué es entonces un AFM? Bueno no tiene que ver con la “la hormiga atómica”, ni con Ant-Man. Sí que usan los principios del mundo cuántico, y además lo que sí es que toca (“siente”) o interacciona con la materia a nivel molecular y atómico. 

¿Y entonces cómo funciona un AFM? 

Un AFM tiene como elemento fundamental, una punta piramidal (tip) afilada de tamaño nanométrico y su ápice en general puede variar entre 20 a 1 nm, y en algunos casos menos o más dependiendo el tipo de aplicación.

Esta punta se usa para rastrear o censar las moléculas y átomos de diversos materiales, y se localiza en el extremo de una viga rectangular o en forma de V, que en la jerga de la microscopia de fuerza atómica se conoce como cantiléver o cantilever (en inglés). 

El significado más común de esta palabra es viga en voladizo, similar a un trampolín de alberca, pero de dimensiones micrométricas. 

El tamaño de un cantiléver rectangular convencional para AFM pueden oscilar entre 120-130 micrones de largo, 25-35 de ancho y 3-5 de espesor (Figura 2a), usualmente son micro fabricados a partir silicio (Si) o nitruro de silicio (Si3N4).

Hay recordar que el silicio también es el componente principal de vidrio común que está integrado mayoritariamente por oxido de silicio (SiO2). 

Figura 2. a) Dimensiones de las puntas (tips) usadas en los microscopios de fuerza atómica (AFM) adjuntadas en un chip de silicio y observadas con microscopía de barrido de electrones, b) Fuerza de interacción a nivel atómico entre la punta de un cantiléver y los átomos de la superficie de una muestra.

Los cantiléver son relativamente flexibles y su punta es sensible a fuerzas de atracción, que incluyen interacciones de van der Waals (vdW) y fuerzas electroestáticas. 

Estas propiedades hacen que el cantiléver se pueda flexionar cuando la punta se acerca e interacciona con la superficie de los materiales a nivel atómico, y de ahí su nombre (microscopio de fuerza atómica o AFM, ver Figura 2b). 

La flexión del cantiléver puede ser medida con ayuda de un rayo láser y un fotodetector, que luego es transformada a través de un controlador conectado a una computadora en una imagen.

Esto se logra gracias a que la superficie a analizar está colocada en escáner (piezoeléctrico) que mueve la muestra en dirección horizontal y vertical (ejes “x” y “y”), así el sistema punta-viga (cantiléver) se flexiona en dirección axial (eje “z”) rastreando o escaneando la superficie del material línea por línea hasta obtener en su modo más básico de operación una imagen topográfica de toda la superficie analizada. 

Esta imagen primaria puede ser obtenida en 2D o 3D, si así se desea, y provee información cuantitativa de la orografía o topografía de la superficie, como su rugosidad promedio, máxima y mínima altura, entre otros parámetros de superficie, valiosos para los especialistas en materiales (Figura 3).  

Figura 3. a) Diagrama simplificado del principio de funcionamiento de un microscopio de fuerza atómica (AFM) típico y cómo escanea o barre las superficies para obtener imágenes topográficas y su rugosidad, b) Acercamiento de un cabezal de AFM y sus partes, c) elementos básicos del cuerpo de un AFM convencional. 

Considerando el principio de funcionamiento de un AFM, este dispositivo puede actuar en diferentes modos; el primero es el modo contacto, lo cual significa que la punta adjuntada al cantiléver siempre toca la muestra (Figura 4a).

El segundo modo es el intermitente o tapping, donde la punta solo interacciona con la superficie de manera interrumpida (Figura 4b), lo cual es una ventaja para escanear rápidamente las superficies reduciendo el daño de la punta y las superficies que explora, en comparación con el modo contacto. 

Un tercer modo, es el modo no contacto, donde la punta solo siente las fuerzas atómicas de las superficies, sin tocarlas y la señal producida, solo es una silueta de la interacciones electrostáticas entre la punta y la muestra (Figura 4c). 

Una analogía del principio de funcionamiento de un AFM pueden ser las sorprendentes técnicas (Hoover, toque, deslizamiento, protección, rastreo, encuadre, diagonal, alinearse, etc. más información en Rojas- Icabalceta y López-Gutiérrez 2017) que desarrollan las personas con discapacidad visual para guiarse en el complejo y entorno citadino poco amigable; así el bastón blanco que usan para rastrear la superficie y librar obstáculos, actúa similarmente a lo que hace un cantiléver de un AFM para sensar la topografía de las superficies a escalas nanométricas. 

Obviamente, solo es una analogía para ilustrar el funcionamiento de un AFM, ya que las capacidades del binomio humano-bastón van más allá de cualquier dispositivo electrónico. 

Otra analogía es el funcionamiento de un tocadiscos (fonógrafo o tornamesa), donde la aguja (similar al cantiléver) rastrea el grabado del disco de acetato (topografía de la superficie de análisis) que gira a revoluciones específicas gracias a motor mecánico del tornamesa (escáner o piezoeléctrico) y transfiere eléctricamente esas vibraciones a las bocinas para convertirlas en sonido, similar a los componentes de un AFM (laser-fotodetector-controlador-computadora=imagen).

Figura 4. Modos de operación básicos de un microscopio de fuerza atómica (AFM), a) Contacto, b) Intermitente o tapping, c) No contacto, d) El binomio, persona con discapacidad visual y su bastón blanco rastreando su entorno, e) Un tocadiscos o fonógrafo tiene un funcionamiento análogo a un AFM.

Más aún, estos sensados pueden llevarse a cabo en el vacío, en aire o en líquidos diluidos, para simular el ambiente acuoso de las muestras biológicas. 

Es posible que la sensibilidad del sistema se reduzca con la densidad del medio en el que se desplaza el cantiléver, pero es posible obtener mediciones a escalas nanométricas en todos los modos de operación y ambientes.

Por eso decimos que los AFM son todo terreno, por decirlo de algún modo, viajan al espacio (vacío), vuelan (aire), y son acuáticos (líquidos), caminan en superficies sólidas y pueden hacerlo en ambientes acuosos para monitorear muestras en su ambiente nativo (conveniente para el estudio de células, bacterias y virus), todo incluido en un pequeño Rover (correcaminos) de exquisita elegancia y diseño.

Figura 5. Los microscopios de fuerza atómica (AFM) pueden trabajar en diversos medios (vacío, aire y agua) en todos sus modos de operación, un todo terreno de la microscopía.

Los AFM son relativamente jóvenes en el mundo de la microscopía, y antes de que su verdadero potencial se desplegara, algunos expertos en microscopía de electrones desdeñaban sus bondades, mencionando que no eran verdaderos microscopios, porque no veían, según ellos, y en sus conceptos decían que los AFM eran ciegos, y solo tocaban los objetos, como las sombras de la caverna de Platón, en comparación con las imágenes obtenidas en los microscopios de electrones (barrido y transmisión). 

Pero, entonces surge la pregunta, ¿Que es mejor? Ver y tocar las cosas al mismo tiempo, con resolución similar a la microscopia de electrones, sin uso de vacío estricto, sin daño a la muestra, operar en cualquier ambiente, sin usar un cañón de electrones que dañan las muestras, ni instalaciones especiales, a menor costo de operación e inversión, y una preparación de muestras sencilla. La respuesta es obvia, el AFM

En ese sentido la ciencia es voraz para desarrollar sistemas cada vez más sofisticados.

Resulta que si los AFM pueden sentir y tocar, y gracias a la micro y nanotecnología, sus puntas pueden ser fabricadas con diversos materiales y formas o ser modificadas a placer, para proveer una plétora de aplicaciones para explorar y manipular el nanomundo. 

Señales eléctricas, magnéticas, térmicas, químicas y mecánicas pueden ser obtenidas y aplicadas para manipular la materia, de manera sencilla y con mayores ventajas que los microscopios de electrones. Así, mover átomos, biomoléculas y hacer nanolitografía a escalas nanométricas son actividades comunes de los AFM. Por ejemplo, una diminuta proteína puede estirarse, un DNA observarse o moverse, y un nanólogo puede grabarse, así como la dureza de una bacteria o una nuez puede medirse en la nanoescala. Pero como logra hacer esto un AFM, es un tema que requiere una tercera entrega. 

*Sensado o sensar: En este manuscrito la palabra sensado o sensar se refiere a medir o sentir (del inglés sensing) o relativo a un sensor, mientras censado en español se refiere a contar cosas, como en los Censos poblacionales de cada 10 años.

Referencia

Rojas-Icabalceta y López Gutiérrez (2017). Integración de módulo electrónico en bastón blanco para mejorar la detección de obstáculos en el desplazamiento de las personas ciegas. Monografía. Publicada por la Universidad Nacional de Ingeniería. Facultad de electrotecnia y computación. Disponible desde: https://ribuni.uni.edu.ni/2215/1/91775.pdf.