Download - Tecnicas Caracterizacion AFM STM (1)
Técnicas basadas de proximidad o campo cercano
En esta sección discutiremos las técnicas que han nacido con la nanotecnología y que le han
dado el gran impulso. Se basan en la interacción de una punta en proximidad con una muestra.
Básicamente existen 4 tipos de técnicas basadas en una punta en proximidad cercana a una
muestra:
- Microscopía de efecto túnel ( STM, Scanning Tunneling Microscopy, basada en la
corriente túnel que se genera entre una punta y la muestra)
- Microscopía de fuerza atómica (AFM, Atomic Force Microscopy, basada en la fuerza de
interacción entre una punta y la muestra.
- Microscopía electroquímica de barrido (SECM, Scanning Electrochemical Microscopy,
basada en la difusión de especies electroquímicas entre un micro/nanoelectrodo
(punta) y la muestra)1.
- Microscopía óptica de campo cercano (SNOM, Scanning Near Field Optical microscopy,
basada en la interacción luz/muestra desde una punta de luz o fibra óptica en campo
cercano).2
Figura 1. Distintas técnicas de proximidad basadas en la interacción entre una punta y
una muestra. Todas estas técnicas permiten obtener la topografía de un material,
1 SECM: esta técnica es muy útil para estudiar procesos electroquímicos locales con amplia aplicación en
medir actividad electroquímica en la superficie, catálisis de enzimas rédox, procesos de corrosión, flujo de iones en membranas, etc. 2 SNOM: la punta luminosa está muy cercana a la muestra, las ondas que se estudian en ese tipo de son
ondas de tipo evanescente. Con esta técnica se puede batir el problema de la difracción y la resolución puede alcanzar los 50 nm.
monitorizar procesos dinámicos, adquirir información de propiedades fisicoquímicas
locales y a su vez son herramientas muy útiles para la nanofabricación.
De estas técnicas solo discutiremos en mayor profundidad las dos primeras (AFM y STM), las
ciales son conocidas por su gran poder resolutivo como se puede ver en la figura 2
Figura 2. Resumen del poder resolutivo del STM y AFM en comparación con otras técnicas.
Microscopía por efecto túnel
Esta técnica fue desarrollada por Binning y Roher en los laboratorios IBM (Suiza), y su
importancia fue reconocida cuando en 1986 recibieron el Premio Nobel de Física.
El STM es principalmente usado como una herramienta de caracterización de superficies con
resolución atómica; sin embargo también puede ser usado para manipular y nanofabricar
creando estructuras de escala nanométrica y dando así la oportunidad de fabricar patrones y
geometrías útiles para el posterior diseño de nanodispositivos con diferentes aplicaciones.
Esta técnica responde al fenómeno cuántico del efecto túnel que ya hemos visto en el capítulo
propiedades dependientes del tamaño. El efecto túnel es un fenómeno nanoscópico por el que
una partícula viola los principios de la mecánica clásica penetrando una barrera de potencial
mayor que la energía cinética de la propia partícula. Este fenómeno se da cuando una punta
conductora (normalmente de Pt o tungsteno) se coloca a una distancia de aproximadamente
5Å sobre la muestra (también con características conductoras). Al aplicar un voltaje entre
punta y muestra circulará una corriente túnel a través de la barrera, es decir el espacio entre la
punta y la muestra.
Figura 3. El efecto túnel es un fenómeno cuántico que permite el pasaje de una partícula a
través de una barrera de potencial. En la representación la se observa que la función de onda
del electrón tiene una probabilidad de atravesar la barrera, la cual dependerá del espesor de la
misma.
La corriente túnel es proporcional a la densidad de estados electrónicos () alrededor del nivel
de Fermi (Ef) 3 y al voltaje aplicado entre punta y muestra (V) y depende exponencialmente
con la distancia (d), es decir con la barrera,
( )
Esta técnica tiene alta sensibilidad con la distancia debido a su dependencia exponencial con la
misma, es decir la corriente puede cambiar mucho con pequeños cambios en la distancia.
Registrando la corriente túnel se puede acceder a la topografía de los materiales con
resolución atómica y también se pueden seguir in-situ procesos interfaciales con precisión
atómica molecular. La técnica tiene una resolución en xy hasta 0.1 nm y en z hasta 0.01 nm. A
diferencia del SEM o TEM, esta técnica es más versátil y puede operar en ultra-alto vacío, en
aire, en medio líquido, en soluciones electrolíticas y a bajas y altas temperaturas. La limitación
que presentan es que la muestra tiene que tener características conductoras (metales,
semiconductores, compuestos conductores, etc.).
3 Energía de fermi es la energía del nivel electrónico más alto ocupado. La densidad de estados
electrónicos alrededor de ese nivel debe ser alto para generar una corriente túnel, eso se cumple para muestras que presentan características conductoras. En materiales aislantes no se podría dar este efecto.
Figura 4. Equipos de STM de distintos tamaños según el medio en que se opere. STM para
trabajar en ultra alto vacío y a bajas temperaturas (instrumento más grande), STM para uso en
aire o medios líquidos (arriba derecha), STM miniaturizado de bolsillo (abajo derecha).
Ahora que hemos descrito el fenómeno físico involucrado y las características generales de la
técnica pasaremos a describir la instrumentación y cómo se mide con esta técnica. La punta
conductora se monta sobre un sistema de piezoeléctricos los cuales tienen integrados unos
electrodos. Tal como vimos en el capítulo de nanomateriales el material piezoeléctrico se
deforma mecánicamente con la aplicación de un campo eléctrico. Los electrodos que se usan
para aplicar el campo eléctrico están ubicados de tal manera que el material piezoeléctrico
tiene expansiones y compresiones en la dirección z y en las direcciones xy. Las expansiones y
compresiones en la dirección z permiten acercar y alejar la punta con respecto a la muestra y
con una precisión nanométrica. Las expansiones y compresiones en la dirección xy permiten el
movimiento lateral y por lo tanto el barrido sobre la muestra en xy.
Figura 5. Funcionamiento de un STM, sistema de piezoeléctricos que forman el escáner,
permite que la punta se mueva en xyz. El sistema está controlado por un exquisito sistema
electrónico de retroalimentación.
La aplicación de voltajes en el material piezoeléctrico y todo el control de subir, bajar punta,
barrer la muestra con tal precisión que no se estrella la punta con las rugosidades de la
muestra, etc, son controlados por un exquisito sistema electrónico manejado por software. A
continuación detallaremos el modo de operación más común en STM y que nos permitirá
generar una imagen de STM. Este modo se basa en la obtención de la imagen manteniendo la
corriente túnel constante en todo momento, para ello es que se necesita todo un sistema
electrónico de retroalimentación (feedback)4. Con la ayuda de este sistema electrónico se
aplica un voltaje al piezoeléctrico que acerca la punta hacia la muestra hasta sentir una
corriente túnel. Una vez que se siente esa corriente túnel se la mantiene constante la misma a
medida que se barre la muestra. Imaginen que de repente la punta se encuentra con una
rugosidad (como si fuera una colina) en ese instante la punta sentirá un aumento de la
corriente túnel dada por la muestra que está por debajo y por el costado (la colina). Entonces
el sistema electrónico de retroalimentación reaccionará de tal manera que tratará de
mantener constante esa corriente, la forma de hacerlo es haciendo levantar la punta por
encima de esa colina. Así de esa forma, manteniendo la corriente túnel constante se puede
rastrear una superficie y reproducir sus rugosidades mediante movimientos controlados de la
punta en z los cuales están marcados por la obligación de mantener la corriente constante.
Figura 6. Modo de operación del STM: manteniendo la corriente túnel constante se puede
reproducir la superficie. Al costado, imagen de una muestra de grafito altamente orientado
donde se ve el ordenamiento de los átomos en la superficie.
A continuación mostraremos algunos ejemplos de cómo el STM es capaz de proporcionar
imágenes con resolución atómica/molecular y también monitorizar procesos dinámicos como
el crecimiento de películas sobre materiales (chequeando en cada momento no sólo como
crece la capa sino el arreglo atómico que tiene), o procesos de difusión de átomos sobre una
superficie, etc.
4 Ya verán en cursos superiores que los sistemas electrónicos de retroalimentación (feedback) regulan
procesos en este caso ayudando a mantener un parámetro constante todo el tiempo, la corriente túnel.
Figura 7. Parte superior: Topografía de distintos materiales donde se ven escalones y terrazas.
Parte inferior: estructura atómica superficial de estos materiales donde se ve que
dependiendo del material (oro, silicio o grafito) los átomos forman distintas estructuras. En el
caso del Au no se logra ver bien la estructura atómica superficial pero se ven unas líneas en zig-
zag. Si se magnifica en esa región se verán atómos en hileras que están más comprimidos
dando lugar a esas líneas.
Figura 8. STM también es una herramienta útil para observar la disposición de adsorbatos en
este caso moléculas orgánicas que pueden formar monocapas autoensambladas. En la parte
superior se ven distintos alcanotioles que forman distintas estructuras. Los puntos blancos
corresponden al átomo de azufre. Abajo monocapa autoensamblada de una molécula orgánica
(ftalocianina de cobre)
Figura 9. Monitorización de un proceso dinámico: crecimiento de una monocapa de Ag sobre
oro. Se parte de una superficie de oro que tiene unas islas del mismo material. La capa de plata
empieza a crecer desde las islas de oro o desde los escalones hasta reproducir la superficie de
oro. Cuando la monocapa se ha completado, se puede chequear el arreglo de átomos de Ag en
la superficie.
La técnica de STM también es una herramienta muy poderosa para manipular la materia y
nanofabricar. En la Figura 10 se puede observar un corral cuántico formado por átomos de
hierro sobre cobre. La punta de STM se usa como un dedo donde los átomos de Fe son
manipulados y desplazados lateralmente hasta formar el corral cuántico. En el corral se puede
observar el carácter ondulatorio de los electrones superficiales (formación de ondas
estacionarias en el corral, capítulo propiedades dependientes del tamaño).
Figura 10. Nanomanipulación de átomos de hierro para formar un corral cuántico.
Un punto muy importante a destacar sobre el STM (y que es crucial de cara a malas
interpretaciones) es el siguiente. EL STM hace un mapeo de las densidades de electrones
alrededor del nivel de Fermi (mapeo de orbitales). En muchos casos la densidad electrónica
coincide con la ubicación geométrica del átomo pero otras veces no y por lo tanto se puede
mal interpretar las imágenes de STM. Cuando se analiza la estructura atómica de metales en
una superficie no es un problema. La densidad de estados de electrones coincide con la
ubicación geométrica del átomo. Entones cada punto de mayor intensidad túnel (mayor
densidad de estados) coincide sobre con la ubicación atómica. Cuando se analiza materiales en
base a moléculas orgánicas la densidad de estados electrónicos (orbitales) puede coincidir más
sobre los enlaces de las moléculas que sobre la ubicación física de los átomos que conforman
la molécula. A veces también puede ocurrir que algunos átomos no tengan estados
electrónicos cerca del nivel de Fermi y se hacen invisibles en el STM. En el caso de la imagen
de STM de alcanotioles sólo se ve la densidad electrónica del azufre (que coincide con la
ubicación física del átomo de azufre), la cadena alquílica no llega a verse. Otro ejemplo es la
ftalocianina autoensamblada, no logran verse todos los átomos sólo aparecen unos puntos
brillantes que representan las densidades electrónicas alrededor del Fermi y que no coinciden
exactamente con la ubicación física de cada átomo de la molécula. Por lo tanto en STM es
importante soportar la parte experimental con simulaciones teóricas que nos ayudarán a
interpretar lo que estamos viendo realmente. Lo que tiene que quedar claro es lo siguiente: lo
que se ve son densidades electrónicas alrededor del nivel de Fermi, es como si viésemos los
orbitales y que el soporte teórico (simulación de la localización de las densidades electrónicas
de un material) es de suma importancia para interpretar las imágenes
El STM nos proporciona información de otros parámetros (nos permite hacer espectroscopía
de infrarrojo a nivel de una sóla molécula, determinar la función trabajo de los materiales,
determinar las propiedades electrónicas de los materiales, etc.). Estos aspectos serán
discutidos con detalle en cursos superiores. Sólo haré una breve reseña de la capacidad de la
técnica para determinar propiedades electrónicas. A tal información se puede llegar
registrando la corriente a diferentes voltajes aplicados (
( ). Esto nos permite acceder
en forma más cuantitativa a la densidad de estados alrededor del nivel de fermi e inferir las
características electrónicas del material.
Figura 11. Registrando la derivada de la corriente túnel con respecto al voltaje permite obtener
la densidad de estados electrónicos y si éstos se grafican en función del voltaje (gráfico) se
puede distinguir un material conductor de uno semiconductor. En este caso se ejemplifica para
dos nanotubos, uno metálico y otro semiconductor. Para uno métalico existe una densidad
constante de estados electrónicos (recordar el capítulo de nanomateriales). En el caso de un
semiconductor se puede observar densidad de estados a ambos costados del gráfico y en el
medio la densidad de estados es cero (esto corresponde al gap energético, típico en un
semiconductor), a los costados se observa la densidad de estados correspondientes a la banda
de valencia y los correspondientes a la banda de conducción.
Figura 12. Resumen de la técnica de STM (LDOS: densidad de estados locales alrededor del
nivel de fermi).
Microscopía de fuerza Atómica (AFM)
Hemos resumido las características de la técnica de STM y se ha visto que sólo funciona con
muestras que tengan ciertas características conductoras. La técnica de AFM surge como una
necesidad de superar la limitación del STM en cuanto a las características de los materiales
poder extender estas nanoscopías a otras disciplinas como la biología (donde se trabajan con
(bio)moléculas que no tienen características conductoras).
Esta técnica se basa en monitorizar la fuerza de interacción entre una muestra y una punta que
va barriendo la muestra. Esa información es recogida para obtener la topografía de la muestra,
monitorizar procesos dinámicos y para determinar propiedades físicoquímicas locales con
precisión nanométrica. También el AFM es una herramienta que permite la nanomanipulación
de la muestra (átomos o moléculas) para nanofabricar.
Existen diversos tipos de fuerzas que pueden ser registradas desde fuerzas tipo Van der Waals,
fuerzas de repulsión, fuerzas capilares, fuerzas de adhesión, fuerzas electrostáticas hasta
fuerzas magnéticas. También existen distintas formas de registrar esas fuerzas, ya sea sin
entrar en contacto con la muestra (donde se mapearían mayoritariamente las fuerzas de
atracción), haciendo toques intermitentes con la muestra (donde se mapearían tanto fuerzas
de atracción como de repulsión) o teniendo pleno contacto con la muestra (donde se medirían
las fuerzas de repulsión).
Figura 13. Distintos modos de operación de un AFM reflejados en una curva de fuerza vs.
distancia, modo no contacto (fuerzas de atracción), modo semicontacto o intermitente
(fuerzas de atracción/repulsión), modo contacto (fuerzas de repulsión).
La instrumentación consiste en:
Escáner: sistema de piezoeléctricos que permite el movimiento de la punta en z para
aproximarse a la muestra y en xy para barrer la muestra (similares a los descritos en el STM). Al
final del escáner se acopla la punta
Punta: el sistema donde va la punta consiste en un brazo de palanca (cantiléver) al final del
cual hay una punta.
Láser y fotodiodo5: para poder seguir la interacción entre punta y muestra, se alinea un láser al
final del cantiléver (donde está la punta) y se registra la reflexión de la luz láser sobre un
fotodiodo. Al moverse la punta se moverá el brazo de palanca y por ende la reflexión de láser
5 Fotodiodo: dispositivo que produce una corriente eléctrica al ser iluminado. En este caso esa corriente
eléctrica es procesada para formar la imagen de la muestra.
cambiará de posición en el fotodiodo en x y en y generando una corriente eléctrica que es
utilizada para formar una imagen, en este caso la imagen topográfica de la muestra.
Sistema electrónico de retroalimentación: similar que en el STM, controla los voltajes en los
piezos para que la punta se acerque y barra la muestra, indica a la punta cuando debe
levantarse o bajarse cuando está barriendo la muestra de acuerdo a la topografía, procesa la
corriente del fotodiodo para formar la imagen.
Figura 14. Cantiléver con una punta al final del brazo. La fuerza de interacción entre punta y
muestra es rastreada por la reflexión de un láser sobre la punta del cantiléver. La luz reflejada
incide en un fotodiodo donde va cambiando su posición por efecto de la interacción. El láser
genera corriente eléctrica en el fotodiodo la cual es procesada para formar una imagen. Abajo:
distintos tipos de palancas, unas en forma de V de uso general en modo contacto, y en forma
de barra de uso en modo intermitente.
Más allá de la información topográfica, con el AFM se puede acceder a propiedades
fisicoquímicas locales a escala nanométrica dependiendo del modo de operación que se use y
la naturaleza de la punta. Por ejemplo se puede adquirir información de las propiedades
mecánicas (adhesión, elasticidad, fricción), magnéticas y electrónicas de la muestra. También
se puede inferir propiedades químicas.Cabe destacar que el AFM no puede hacer microanálisis
químico determinando elementos o la naturaleza de la composición de una muestra como en
el caso del SEM y TEM pero sí inferir en algunos casos algunas propiedades químicas.
En este capítulo describiremos algunos de estos modos de una manera muy resumida. La
operación de algunos de ellos es muy complicada sólo tiene que quedar la idea de lo que se
puede obtener.
Figura 15. Información que se puede obtener dependiendo del modo de operación y de la
punta que se utiliza.
Modo contacto
Esta modo de operación se basa en registrar las fueras de repulsión y permite imágenes
topográficas de la muestra con alta resolución.
Figura 16. Esquema del modo de operación en contacto. La punta está en contacto con la
muestra.
En este caso se aproxima la punta a la muestra hasta el contacto, se registra cuál es esa fuerza
que se tiene en contacto y el sistema de retroalimentación la mantendrá constante mientras
se barre la muestra. De la misma manera que en el STM, el sistema de retroalimentación
indicará a la punta cuando debe levantar o bajar para seguir la topografía de la muestra y no
estrellarse con las irregularidades de la muestra. Nos podemos imaginar que al estar barriendo
hay montañas y depresiones en la muestra, si llega a una montaña la punta sentirá mayor
fuerza de interacción (por el obstáculo que tiene en su lateral). Para mantener la fuerza
constante la punta reaccionará levantándose. Lo mismo ocurriría si hay una depresión, de
repente sentirá que la fuerza de interacción ha disminuido. Para mantener la fuerza constante
la punta tendrá que bajar y así irá reproduciendo la topografía de la muestra.
Cabe destacar que en las imágenes de AFM, sobre todo cuando se registran estructuras muy
pequeñitas de la muestra, siempre habrá una convolución de la punta con la muestra.
Supongamos que tenemos una nanopartícula de 5 nm sobre una superficie. El diámetro
nominal de una punta de AFM en el mejor de los casos es de 10 nm. Al recoger la imagen de la
nanopartícula, seguramente el diámetro de la misma no será real, sino mayor. En cambio el
valor de la altura en z de la nanopartícula será más fiable. Para superar este problema y
eliminar la convolución de la punta, se puede acoplar un nanotubo de carbono en la punta de
AFM. Su diámetro es mucho menor y se podría aumentar la resolución de la muestra.
Figura 17. Resolución lateral: efecto de la convolución de la punta.
AFM en modo intermitente
El modo contacto puede tener la limitación que en el caso de muestras blandas, las mismas
pueden resultar dañadas. Para superar este inconveniente se puede usar la punta en modo
intermitente, la punta hará pequeños toques sobre la muestra. Para ello se hace vibrar la
punta a su frecuencia de resonancia. Cuando está lejos de la muestra esa vibración tiene una
cierta amplitud, pero cuando está cerca de la muestra y empieza a tener pequeños toques la
amplitud disminuirá por efecto de la interacción. El sistema registrará esa amplitud y la hará
permanecer constante mientras se barre la muestra. El mantener esa amplitud constante hará
que la punta se levante o se baje siguiendo la topografía del sistema de la misma manera que
comentamos anteriormente. Cabe destacar que en este modo se mapean tanto las fuerzas
repulsivas como las atractivas durante el toque intermitente. Muchas veces se conoce a este
modo como modo Tapping. Para hacer vibrar la punta, entre el piezo del escáner y el sistema
de cantiléver/punta se coloca otro piezo pequeñito que actúa como fuerza externa que hace
oscilar la punta.
Figura 18. AFM en modo intermitente, modo compatible con muestras blandas, los pequeños
toques no alteran la muestra.
Figura 19. Algunos ejemplos de imágenes de AFM sobre muestras biológicas.
El AFM puede también registrar procesos dinámicos tanto biológicos, físicos o químicos. A
continuación ilustramos algunos ejemplos.
Figura 20. Imágenes mostrando la condensación del ADN, enzimas (puntos rojos) actuando
sobre el ADN, virus liberando su material genético.
AFM en modo de la fase
Hemos visto que el modo intermitente está caracterizado por una oscilación sinusoidal con
una amplitud que es impuesta por una fuerza externa. En esta técnica lo que se registra es la
fase que hay entre la señal sinusoidal que excita a la punta (fuerza externa) y la señal
sinusoidal que adopta la propia punta. La diferencia de fase entre ambas señales (la de
excitación y la de respuesta de la punta) producto de la interacción con la muestra puede dar
información sobre distintas propiedades cambios en viscosidad, cambios en la elasticidad,
adhesión, dureza, permite discriminar heterogeneidades en muestras compuestas,
proporcionar mapeos de la distribución de grupos funcionales en la muestra, etc.
A continuación ilustraremos algunos ejemplos.
Figura 21. AFM en modo de la fase. Registra la diferencia de fase entre la señal sinusoidad de
excitación (producida por el sistema de piezos) y la señal sinusoidal con que responde la punta,
la cual va a estar sujeta a las interacciones que mantenga con la muestra. En el esquema se ve
que cuando la punta está lejos existe una cierta fase entre la oscilación de la señal de
excitación y la de la punta. Cuando ya está interactuando con la muestra la fase de estas
señales cambian y pueden cambiar aún más si existen heterogeniedades en la muestra (ver
esquema de abajo también). Es una técnica de amplio uso y ha servido mucho en el área de
polimeros. En b) se observa la topografía obtenida con el modo intermitente y en c) su
correspondiente imágen de la fase. En la topografía no se distingue nada, en cambio en la fase
se puede observar las heterogenidades en una muestra polimérica que tiene estructuras
cristalinas y no cristalinas de distintas durezas.
Otros modos
A continuación se mencionarán otros modos en los que no profundizaremos ya que son más
complicados y no es el objetivo de este capitulo ahondar en estos modos. Uno de ellos es la
microscopía de fuerza magnética en la que se usa una punta magnética para poder recoger las
interacciones entre la punta y los modos magnéticos de una muestra. El registro de las fuerzas
magnéticas se realiza en un modo no contacto. Simultánemanete al mapeo de fuerzas
magnéticas también se puede obtener una imagen de la topografía de la muestra.
Figura 22. Microscopía de fuerza magnética donde se usa una punta magnética (la punta no
está en contacto cuando se registran las fuerzas magnéticas). Se puede obtener
simultáneamente una imagen topográfica y una imagen correpondiente al mapeo de fuerzas
magnéticas. Imágenes de un video tape, en la topografía no se ve nada pero en el mapeo
magnético se ven las pistas magnéticas. Otro ejemplo, una imagen de nanopartículas
magnéticas obtenido a través del mapeo de esas fuerzas.
Otro modo es el modo de fuerza electrostática donde se usa una punta conductora que
registra las fuerzas electrostáticas en modo no contacto, al aplicar un voltaje entre punta y
muestra. Esta técnica proporciona información de las densidades de carga, o los gradientes de
campos eléctricos de una muestra lo que está conectado con su conductividad. También se
obtiene en forma simultánea una imagen topografica de la muestra.
Figura 22. Microscopía de fuerza electrostática, permite obtener mapeos de densidades de
carga o de gradientes de campos eléctricos de una muestra. En la figura se observa un
esquema donde se recogen (en modo no contacto) las interacciones electrostáticas entre la
punta y distintos dominios de conductividad de una muestra (representados por n y p).Por lo
tanto con esta técnica se puede distinguir diferencias de conductividad en una muestra. Por
ejemplo, si tenemos una muestra que tiene un nanotubo de carbono y una hebra de ADN,
topograficamente no se los puede distinguir pero si se aplica esta técnica, en el caso del
nanotubo de carbono (que es conductor) el mapeo de las fuerzas electrostaticas da cierto
constraste en la imagen, en cambio el ADN que es mucho peor conductor que el nanotubo de
carbono no genera contraste en el mapeo de las fuerzas electrostáticas.
Otro modo es el modo de conductividad (current sensor mode) donde se registra los cambios
de conductividades de una muestra al aplicar un voltaje entre una punta conductora en
contacto con la muestra.
Figura 23. Mapeo de conductividades entre una punta conductora en contacto con la muestra
al aplicar un voltaje entre punta/muestra. En esta figura se illustra ejemplos de composites de
grafito y nanotubos de carbono. Los composites estan formados por una resina no conductora
y los nanotubos o el grafito que son conductores. Con esta técnica se pueden localizar la zonas
donde hay nanotubos o grafito (zonas blancas) y donde está la resina parte oscura (c y d).
Simultáneamente también se obtiene la topografía (a y b).
Otro modo es el AFM en modo de fuerza lateral. La punta no sólo siente las fuerzas por debajo
de ella sino las fuerzas laterales lo que hace que se produzca un torque en el brazo de palanca.
Con esta técnica se puede registrar la fuerzas de fricción e inferir composición química.
Sondas químicas
Las puntas de AFM pueden ser usadas como sondas químicas. En este caso, la punta se
funcionaliza con (bio)moleculas que puedan tener interacciones específicas con la muestra y a
partir de allí inferir información química. Con estas sondas químicas se pueden hacer mapeos,
barriendo la muestra con la punta funcionalizada o quedarse a una posición fija de la muestra
y moverse en z (acercarse y alejarse de la muestra) registrando la interacción.
Figura 24. Esquema de una sonda química. La punta es modificada con una molécula o
biomolécula que tiene interacciones específicas con la muestra.
Figura 25. Esquema donde se muestran algunos ejemplos de modificación química de puntas
que sirven para mapear interacciones con distintos grupos funcionales de la muestra, puede
mapear enlaces tipo hidrógeno, interacciones hidrofílicas, interacciones hidrofóbicas, etc. A la
derecha se puede observar un esquema de una superficie de monocapas autoensambladas en
base a tioles (SAM) donde hay un patterning en el medio. En la parte del medio la SAM tiene
grupos funciones terminales –COOH mientras que el resto de la superficie la SAM tiene grupos
terminales –CH3. Cuando se miden las fuerzas laterales del AFM se puede obtener las fuerzas
de fricción y esas fuerzas pueden distinguir la monocapa que termina en CH3 y la que termina
en –COOH. La punta que esta modificada con grupos –COOH tiene mayor interacción con la
SAM que termina con –COOH (interacciones hidrofílicas, puente hidrógeno, zona blanca) que
con la SAM que termina con –CH3 (no tienen mucha interacción).
Espectrocopía de fuerzas
Esta técnica consiste en acercar y alejar la punta de la muestra con la finalidad de caracterizar
en forma más cuantitativa las fuerzas de interacción.
Figura 26. Esquema donde se ha graficado una típica curva de fuerza en modo intermitente. A)
la punta está alejada de la muestra y empieza a acercarse. Cuando entra en contacto hay un
pequeño salto (fuerza de atracción) y a medida que apretamos sobre la superficie (c) la fuerza
incrementa linealmente (fuerzas de repulsión). Si ahora nos empezamos a alejar de la
superficie (d) puede que la curva de retroceso no coincida con la de aproximacion y aparece lo
que se conoce como una histeresis (línea azul) (e). Eso quiere decir que a la punta le cuesta
salir de la superficie. Eso puede deberse a fuerzas de adhesion o capilaridad6 que tratan de
retener la punta sobre la muestra. Esa histéresis da una medida de esas fuerzas de adhesión.
La espectroscopía de fuerzas es una herramienta muy útil para cuatificar las interacciones tipo
receptor-ligando de biomoléculas a nivel de biomoléculas individuales.
6 En muestras hidrofílicas siempre hay una pequeña capa de agua adsorbida sobre la superficie. Cuando
la punta se retracta le cuesta salir de la muestra por las fuerzas capilares originadas por la película de agua.
Figura 27. La histéresis nos dá información de la fuerza de adhesión que en este caso está
relacionada con las interacciones específicas de bioreconocimiento tales como
receptor/ligando (antígeno/anticuerpo, hebras complementarias de ADN, etc.).
La parte de la curva de fuerza que cambia linealmente con la distancia proporciona
información de la dureza de los materiales y por ende de sus propiedades mecánicas.
Figura 27. La curva de fuerza sirve para analizar las propiedades mecánicas de la muestra (en la
porción donde la fuerza cambia linealmente con la distancia). En la figura hay dos ejemplos
donde se ha usado la punta de AFM para caracterizar las propiedades mecánicas a nivel
individual de cápsides de virus y de nanotubos de carbono.
En esta última figura se presenta a modo de comparación las características de cada una de las
técnicas analizadas en este capítulo.
Figura 28. Resumen comparativa de la técnica de AFM y STM