Principios de análisis instrumental

transductores piezoeléctricos dispuestos en forma ortogonal. La longitud de cada uno de los transductores piezoeléctricos puede variar mediante la aplicación de un potencial de corriente con– tinua a lo largo de toda su longitud, por lo que es posible que la punta se desplace en las tres dimensiones (véase en la sección 1C.4 un análisis de la composición y propiedades de los transduc– tores piezoeléctricos). El grado de contracción o expansión puede llegar a ser de sólo 1 nm por cada voltio aplicado, lo cual depende de la composición del material cerámico piezoeléctrico y de las dimensiones del transductor, y proporciona una manera notable– mente sensible de controlar la posición de la punta. Los microscopios de barrido modernos ya no utilizan el diseño de trípode, sino que ahora se basan en un dispositivo pie– zoeléctrico que tiene forma de tubo hueco como el que se mues– tra en la figura 21.24. La superficie exterior del tubo, que mide entre 12 y 24 mm de longitud y entre 6 y 12 mm de diámetro, está recubierta con una fina capa de metal. Esta capa conductora se divide a su vez en cuatro segmentos iguales separados por unas bandas verticales que no están revestidas con metal. La aplicación de voltajes a tiras opuestas de metal produce la flexión del tubo en las direcciones x y y tal como se indica. Del mismo modo, la apli– cación de un voltaje a lo largo del eje interior del cilindro alarga o acorta el tubo en la dirección z. Por tanto, se puede mover una punta situada en el centro de uno de los extremos del cilindro en las tres dimensiones aplicando potenciales adecuados. En general, los microscopios de barrido emplean rastreado– res con intervalos de exploración lateral que van desde unos nanó– metros a más de 100 tJ.-m. Las diferencias de altura se encuentran en el intervalo de menos de 0.1 nm a quizá 1O tJ.-m. El tamaño máximo de barrido está determinado por la longitud, el diámetro y el espesor de la pared del cilindro, así como por el coeficiente de deformación del material cerámico con el cual está fabricado. Interfase de la computadora El control por computadora es una parte esencial de todos los microscopios de barrido de efecto túnel. La mayoría de los ins– trumentos comerciales utilizan software y convertidores analógi– co-digital para producir el barrido de trama xy. La computadora trabaja con los potenciales aplicados a los elementos piezoeléctri- X FIGURA 21.24 Rastreador piezoeléctrico de diseño de tubo segmentado. >» 21G Microscopios de sonda de barrido 547 cos x, y y z y los transforma en mapas de curvas de nivel. En el caso de los instrumentos más complejos, las imágenes pueden tomar la forma de imágenes con tonalidades de gris o mapas de elevación pseudocoloreados. En un microscopio de barrido con efecto de túnel, la aguja del microscopio hace un barrido en dirección x y despues de completar el escaneo en la dirección x, la punta vuelve a la posición original y luego se baja una línea para aplicar un potencial apropiado al trans– ductor piezoeléctrico y. Este proceso se repite hasta que se obtiene una gráfica de éste fenómeno. En este caso, una serie de curvas de nivel muestran claramente la posición de la nube electrónica de cada átomo de carbono en la superficie de la muestra. Debido a que la señal de salida del detector es tan sensible a la distancia entre la muestra y la punta, las diferencias en las dis– tancias a lo largo de cierta curva de nivel en la figura se ponen de manifiesto en 1/100 de una dimensión atómica dada. La resolu– ción lateral en una curva de nivel depende del radio de curvatura de la punta. Si este radio es el de un único átomo, como normal– mente ocurre, se obtiene resolución atómica. Puntas Las puntas son un componente crucial del microscopio de efecto túnel. Las mejores imágenes se obtienen cuando el efecto túnel está limitado a un único átomo metálico situado en el extremo de la punta. Por fortuna, con un poco de cuidado, es posible construir estas puntas cortando alambres de platino/iridio, o bien, por grabado electroquímico de un hilo de tungsteno. La razón por la que una punta de un solo átomo en su extremo no es tan difícil de preparar como podría esperarse, se debe al incremento exponencial de la corriente de túnel a medida que disminuye la distancia entre la punta y la muestra (ecuación 21.11). Por consiguiente, la corriente de túnel se incrementa por un factor de 10 cuando la distancia punta-muestra disminuye 0.1 nm (1 Á). Es decir, si hay un átomo en el extremo de la punta que esté más próximo a la superficie de la muestra por 0.1 nm más que cualquier otro, casi toda la corriente circulará a través de él hacia la muestra y se obtendrá una resolución atómica. 21G.2 El microscopio de fuerza atómica El microscopio de fuerza atómica, que fue inventado en 1986, 30 facilita la resolución de átomos individuales tanto de superficies conductoras como aislantes. En este instrumento, un estilete con un elemento en voladizo, flexible y sensible a la fuerza , barre la superficie de la muestra de acuerdo con un patrón. La fuerza que actúa entre el voladizo y la superficie de la muestra causa diminutas desviaciones en aquél, que se detectan mediante un sistema óptico. Como en el microscopio de efecto túnel, el movi– miento de la punta, o a veces de la muestra, se logra mediante un 29 G. Binnig, C. F. Quate y C. Gerber, Phys. Rev. Lett., 1986, 56, p. 930, DOI: 10.1103/ PhysRevLett.56.930. 30 En relación con libros que traten la microscopía de fuerza atómica, véase la nota 27 y G. Haugstad, Atomic Force Microscopy: Understanding Basic Modes and Advanced Applications, Hoboken, N): Wiley, 20 12; P. Eaton y P. West, Atomic Force Micros– copy, Oxford, UK: 2010. Para aplicaciones biológicas véase Atomic Force Microscopy in Liquid: Biologica/ Applications, A. M. Baro y R. G. Reifenberger, eds., Weinheim: Wiley-VCH, 2012; Atomic Force Microscopy: Biomedical Methods and Applications, P. C. Braga, D. Ricci, eds., Totowa, N): Humana Press, 2004.