Mirando átomos

El microscopio de efecto túnel –o STM por sus siglas en inglés– basa su funcionamiento en una propiedad cuya explicación está asociada con el comportamiento conocido como tuneleo cuántico. Este proceso ocurre entre los electrones de la punta metálica del microscopio y la superficie de la muestra, que debe ser metálica o semiconductora y ser una superficie esencialmente "chata", es decir con rugosidades menores a unos pocos micrómetros (1000 nm). Si la punta de inspección del microscopio se encuentra a distancias del orden de unos pocos nm, y gracias a aplicar una diferencia de potencial entre la punta y la muestra, los electrones de la punta van a superar la barrera de potencial que representa el vacío y van a transferirse a la superficie del material (o viceversa, según cuál sea el signo de la diferencia de potencial aplicada), como pasando por un túnel a través de la barrera de potencial mencionada.

Este dispositivo fue desarrollado en 1982 por los físicos G. Binning y H. Rohrer, quienes obtuvieron el premio Nobel en 1986 por esta invención. Inicialmente se lo empleó para generar imágenes topográficas de superficies conductoras. Para ello, mediante un conjunto de piezoeléctricos, se logra que la punta metálica barra una determinada superficie de la muestra. Dado que la corriente de tuneleo varía exponencialmente con la distancia relativa entre la punta y la muestra, es posible obtener un mapa topográfico de la superficie al registrar la corriente durante el barrido de la superficie analizada. La construcción de la punta resulta de suma importancia, ya que debe ser lo suficientemente fina como para que la corriente túnel se establezca esencialmente a través de un único átomo, generando así una imagen topográfica con resolución atómica.

La topografía de superficies con resolución atómica no es la única aplicación para un STM. En efecto, también puede realizarse una espectroscopía local al estimar la densidad de estados electrónicos gracias al análisis de las curvas I-V (corriente túnel como función del potencial eléctrico establecido).

Esquema del funcionamiento de un microscopio STM y detalle de la punta sensora.

Otro de los logros tecnológicos que permitió el STM es el de manipular átomos con el fin de construir paso a paso un material de propiedades novedosas. Esta forma de construcción, llamada “bottom up”, permite crear artificialmente la estructura exacta con la que se desea contar (ver el corralito cuántico). Esta nueva habilidad de construir materiales empleando a los átomos como si fueran ladrillos permite realizar así un material único de interés particularmente científico, con la idea de explorar nuevas propiedades derivadas de la naturaleza cuántica de las partículas en la escala atómica.

Otra microscopía desarrollada en las últimas décadas es la llamada microscopía de fuerza atómica, AFM según sus siglas en inglés. Esta técnica es especialmente útil para visualizar superficies que no son conductoras, como las que requiere para su funcionamiento el STM, o que son eventualmente líquidas, como las que suelen analizarse en biología. En este caso también se realiza un barrido a lo largo de la muestra a estudiar con una punta fina, que termina en un radio de unos pocos nm y que puede, ya sea rozar o encontrarse a pocos A (0.1 nm) de la superficie de la muestra. Esta punta se sitúa en el extremo de una leva o brazo de palanca (llamado cantilever) y al pasar sobre un defecto topográfico de la superficie se van a ejercer sobre ella una serie de fuerzas cuya resultante provocará un desplazamiento del cantilever que será detectado ópticamente. Mediante una electrónica de control puede mantenerse constante la distancia entre la punta y la superficie de la muestra. Las fuerzas que actúan sobre la punta son electrostáticas de largo alcance y de Van der Walls, que decaen más rápidamente. También existen fuerzas de fricción puestas en evidencia en el contacto entre la punta y la superficie. Haciendo chocar transitoriamente la punta mediante oscilaciones (modo tapping) se puede obtener información adicional ligada a la respuesta viscoelástica del material, particularmente si se trata de muestras biológicas.

Esquema del principio de funcionamiento de un AFM. El posicionamiento del cantilever y su barrido de la superficie de la muestra se realizan con precisiones del orden del A gracias al uso de materiales piezoeléctricos. La punta refleja un haz láser, detectado luego por un conjunto de fotodiodos. Los desplazamientos del haz permiten a un sistema informático detectar los movimientos de la punta y dar así una imagen topográfica de la superficie. Mediante un sistema de realimentación se puede mantener la distancia entre la punta y la muestra constante y registrar los cambios necesarios para ello.