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Microscopios modernos

El último grito de la tecnología en dispositivos de aumento lo tiene el Microscopio de Fuerza Atómica.  Un MFA es capaz de resolver detalles de menos de un nanómetro de longitud, lo que equivale a una amplificación de millones de veces

Por Arnaldo González Arias 
22 Agosto, 2008

Microscopio de Fuerza Atómica
Figura 1. Vista del MFA y esquema de su funcionamiento
Microscopio de Fuerza Atómica

Ya es prácticamente obsoleta aquella imagen clásica del científico encorvado sobre el ocular de su microscopio, haciendo gala de paciencia y forzando la vista al máximo para lograr ver la mayor cantidad posible de detalles. Ahora las imágenes se proyectan en pantallas con el auxilio de circuitos electrónicos e informáticos. Incluso, los microscopios electrónicos ya han pasado de moda.

El último grito de la tecnología en dispositivos de aumento lo tiene el Microscopio de Fuerza Atómica (MFA, figura 1).  Un MFA es capaz de resolver detalles de menos de un nanómetro (nm) de longitud, lo que equivale a una amplificación de millones de veces. 

Si nos atenemos a la estricta verdad, el MFA no puede en realidad considerarse novedoso, pues fue introducido en 1986, hace más de 20 años. Sin embargo, su principio de operación sí puede calificarse de revolucionario, al compararlo con el de sus antecesores.

El MFA no aumenta el tamaño de las imágenes utilizando lentes ópticas como los microscopios convencionales – o lentes magnéticas, como los microscopios electrónicos- sino que registra las variaciones en la fuerza vertical que ejerce la muestra sobre una viga o listón microscópico cuando es ‘barrida’ o escaneada repetidamente por la punta del listón, de unos 200 nm de longitud (figura 2).

En la figura 1 también se observa el esquema de funcionamiento de un MFA.  La muestra se coloca sobre una base controlada por computadora, capaz de deslizarse micrométricamente en el plano xy. Cuando la base se desplaza, la muestra va pasando muy cerca de una punta fijada al extremo del listón.  La punta, cuya dimensión típica es de 1 nm (figura 2) no se mueve en el plano xy, pero puede hacerlo en la dirección del eje z.

MFA MFA
Figura 2. Viga o listón (izq.) y punta de prueba en el cabezal (der.), señalada en azul (der.)

Los electrones más externos de los átomos que forman la punta son repelidos con mayor o menor intensidad por las nubes electrónicas de los átomos de la muestra mientras esta se va desplazando. Un sistema automático de retroalimentación controla la altura del listón manteniendo constante la fuerza de repulsión, mientras que un haz láser que se refleja por detrás del cabezal detecta las variaciones de altura (ver figura 1). Un sistema óptico auxiliar, basado en la interferencia del haz láser dividido y reintegrado en el fotodetector, registra el movimiento en el eje z, información que finalmente se almacena en una computadora.  A partir de esta información, combinada con la posición en el plano xy, es posible construir una imagen tridimensional de la muestra. 

En la figura 3 se muestran imágenes con distintos aumentos, obtenidas con un MFA; (un pelo, una bacteria y un plano atómico del mineral mica).

Microscopios modernos
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Figura 3. Pelo (izq.); bacilo anclado a una base de vidrio (centro);
plano de clivaje en mica (der.).

Desplazando átomos con el microscopio 
En 1989 un equipo de la IBM demostró que se podía usar la punta de un Microscopio de Efecto Túnel (MET) para mover átomos, logrando conformar las letras "I-B-M" al usar 35 átomos individuales de xenón sobre una superficie de níquel.  El MET, antecesor del MFA, funciona midiendo la corriente que circula entre la punta de prueba y la muestra, a partir de una diferencia de potencial que se establece entre ambas.  Por esta razón sólo puede ser utilizado en muestras metálicas, que conduzcan la electricidad.

MFA

Figura 4. Sacando un átomo de su lugar con el MFA.

El MFA no mide fuerzas eléctricas, sino las fuerzas mecánicas, actuando en la punta detectora. Así, al proporcionar una imagen de la superficie sin que intervengan efectos eléctricos, es capaz de ‘fotografiar’ tanto objetos conductores como no conductores. 

En mayo de 2003 se utilizó la punta de un MFA para extraer un átomo de una superficie y reemplazarlo por otro. Fue el primer experimento donde se manipularon átomos individuales usando un método puramente mecánico, sin involucrar corrientes eléctricas.  La figura 4 muestra el resultado del experimento.  A la izquierda se indica el átomo que fue extraído posteriormente (ver hueco a la derecha). El átomo expulsado no se muestra en la figura.

 

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