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Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) modos de Atómica (AFM), modos de operación y aplicaciones

Gema Rodríguez Crespo

Eva Carbonero, Victoria Sánchez

Ciclo Conoce el ICTP23 Julio 2013

MICROSCOPÍA DE SONDA DE BARRIDO (SPM)MICROSCOPÍA DE SONDA DE BARRIDO (SPM)

• Microscopio de efecto túnel (STM)Microscopio de efecto túnel (STM)• Microscopio de fuerza atómica (AFM)

Premio Nobel Física 1986

H. RohrerG. Binnig

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MICROSCOPÍA DE EFECTO TUNEL (STM)MICROSCOPÍA DE EFECTO TUNEL (STM)

y y

xz

y y

x

x y

z

LIMITACIONESResolución:No se puede emplear sobre materiales aislantesNo se puede aplicar a muestras biológicas o 

li é i

•Lateral 2D: 2 Å•Vertical: 0.1 Å

poliméricas

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MICROSCOPÍA DE FUERZA ATÓMICA (AFM)MICROSCOPÍA DE FUERZA ATÓMICA (AFM)

Punta

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MICROSCOPÍA DE FUERZA ATÓMICA (AFM)MICROSCOPÍA DE FUERZA ATÓMICA (AFM)

Ciclo Conoce el ICTP23 Julio 2013Ciclo Conoce el ICTP23 Julio 2013

PUNTAS AFMPUNTAS AFM

SNL tip RTESP tipTip radius 2 nm Tip radius 8 nm

Imágenes cortesía de Bruker,  http://www.brukerafmprobes.com/

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Contacto continuo entre punta y muestra

MODOS DE TRABAJO AFMMODOS DE TRABAJO AFM

Contacto continuo entre punta y muestra

MODO CONTACTO (Contact mode)

MEDIDA DE FUERZAS (Curva de fuerza Force Volume)MEDIDA DE FUERZAS (Curva de fuerza, Force Volume)

Contacto intermitente entre punta y muestra

CONTACTO INTERMITENTE (Tapping mode)CONTACTO INTERMITENTE (Tapping mode)

CONTRASTE DE FASE (Phase Contrast mode)

No contacto entre punta y muestra (Non‐contact mode)p y ( )

Otros modos:

Medida de fuerzas magnéticas (Magnetic Force Microscopy, MFM)

Medida de fuerzas eléctricas (Electric Force Microscopy, EFM)

Medida de potencial de superficie  ( Surface Potencial Microscopy)

Medida de fuerzas químicas ( Chemical Potencial Microscopy)

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AFM enAFM en MODO CONTACTOMODO CONTACTO

Fuerza constante C d f Curvas de fuerza

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AFM enAFM en MODO CONTACTOMODO CONTACTO

Fuerza constante

• TopografíaTopografía• Afectada por la respuesta mecánica del material

Curvas de fuerzaCurvas de fuerza

Permite distinguir zonas con diferente comportamiento mecánico

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AFM MODO CONTACTO AFM MODO CONTACTO INTERMITENTEINTERMITENTETappingTapping ModeModepp gpp g

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CONTACTO INTERMITENTECONTACTO INTERMITENTE –– Contraste de faseContraste de fase

Topografía

Fase

Modo No ContactoModo No Contacto

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Modo de trabajo Ventajas Inconvenientes

ContactoAltas velocidades de barridoResolución atómica

Fuerzas laterales pueden distorsionar la imagenFuerzas normales fuertes 

Resolución atómicaDaño muestras blandas

Contacto Mayor resolución lateral

M l id d d b idContactointermitente

lateralMenor interacción con la muestra

Menor velocidad de barrido

No contacto

No se aplica fuerza sobre la muestraÚtil para muestras hid fóbi

Menor resolución lateralMenor velocidad de barrido

hidrofóbicas

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Otros modosOtros modos

MFMMFMMFMMFM

Vertices magnéticos en nanodots triangularesJaafar et al. Physical Review B 2010, 81, 054439 

EFMEFM

Agregados de negro de carbono en una matriz de cauchoImagen cortesía de Bruker AXS

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MFMMFM

Otros modosOtros modos

MFMMFMEFMEFM

MICROSCOPÍA DE FUERZAS QUIMICASMICROSCOPÍA DE FUERZAS QUIMICAS

f l dPuntas funcionalizadas

Fisisorción Quimisorción Modificación covalente

Hinterdorfer, P., Dufrêne, Y.F. Detection and localization of single molecular recognition events using atomic force microscopy. Nature Methods 2006, 3, 5, 347.

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Direct imaging of covalent bond structure in single‐molecule chemical reactionsOteyza, D.G. et al. Science 2013, 340 (6139), pp. 1434‐1437.  

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Descripción AFM de ICTPDescripción AFM de ICTP

MultiMode SPM, Bruker

Nanoscope IVaNanoscope IVa

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Descripción AFM de ICTPDescripción AFM de ICTP

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Descripción AFM de ICTPDescripción AFM de ICTP

Escáner “J”100 m

Soporte puntax‐y: 100 umz: 5 um

Punta

RTESPTapping

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Medidas en celda de líquidosMedidas en celda de líquidos

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Algunas cuestiones prácticas…Algunas cuestiones prácticas…

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Preparación de muestrasPreparación de muestras

Vidrio Mica

Silicio

Casting Spin coating Ultramicrotomo Ultramicrotomo

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Artefactos en la Artefactos en la imágenimágen

Punta sucia o en mal estado

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Artefactos en la Artefactos en la imágenimágen

Interferencia óptica C i ióInterferencia óptica Contaminación muestra

Parámetros mal  ajustados 

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¿ Qué podemos medir con un AFM?¿ Qué podemos medir con un AFM?

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Topografía Topografía

Nanoparticulas cargadas con heparinaFelisa Reyes – ICTP, CSIC

Fibras electrospinning PAN‐MAMukhatyar et al. Biomaterials 2011, 32, 3958

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Topografía Topografía

topography phase

HidroxiapatitaLuis Rodríguez – ICTP, CSIC

20

10

0

-10Z[D

eg]

14

12

10

8

6

4Z[nm

]

50403020100

-20

X[nm]50403020100

2

0

X[nm]

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Topografía Topografía

Fotolitografía en superficies de PSg p

Palacios M., García O., Rodríguez‐Hernández J. Langmuir 2013, 29, 2756−2763

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Topografía Material Biológico Topografía Material Biológico

Células vivas (osteoblastos) en medio de cultivo( )

DNA

Imágenes cortesía de Bruker AXS

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Patrón de adhesión de proteínas de la matriz extracelular en superficies poliméricas

P l (EA HEA)

Adhesión proteínasAdhesión proteínas

Col IVPoly (EA‐co‐HEA)

> XOH

Coelho et al.Tissue Engineering: Part A 2011, 17,17‐18, 2245

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EstructuraEstructura

Estructura cristalina

Time evolution of the growing crystal observed by in‐situ AFM observation.

Liuxin Jin et al. Polymer 2009, 50, 25, 6157 – 6165

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EstructuraEstructura

2.2 µm2.2 µm

TopografíaFase

polipentafluoroestireno‐b‐ps‐b‐pegmaSandra Muñoz – ICTP, CSIC 

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EstructuraEstructura

Altura  FasesJ. Pyun, T. Kowalewski, K. MatyjaszewskiMacromol. Rapid Commun. 2003, 24, 1043–1059

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Materiales compuestosMateriales compuestos

0.5% 1%

2% 3%

L. Peponi et al. Composites Science and Technology 2008 ,68, 1631‐1636

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AFM / EFMAFM / EFM

L. Peponi et al. Carbon 2010, 48, 2590‐2595

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Curvas de FuerzaCurvas de Fuerza

La adhesión se puede determinar localmente mediante Curvas de FuerzaLas curvas de fuerza permiten distinguir zonas con diferente comportamiento mecánico

D. Olmos, F.J. GonzálezUC3M

El resultado puede verse afectado por la topografía de la muestra

UC3M

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NanoindentaciónNanoindentación con AFMcon AFM

L t d AFM d tili i d t AFMLa punta de AFM se puede utilizar para indentar con AFMSe puede obtener una imagen de la indentación

Acercar punta‐muestra

Contacto punta‐muestra

Indentación

Alejar punta‐muestra

Imagen de huella

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NanoindentaciónNanoindentación con AFMcon AFM

L t d AFM d tili i d t AFMLa punta de AFM se puede utilizar para indentar con AFMSe puede obtener una imagen de la indentación

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ConclusionesConclusiones

• La Microscopía de Fuerza Atómica es una herramienta versátil paraconocer y caracterizar mejor los materiales poliméricos

• Permite emplear diferentes modos de medida tanto topográficos comofuncionales, si bien para polímeros el mas utilizado es el modo contactointermitente (Tapping)

• Con un AFM podemos medir diferentes aspectos de muestraspoliméricas como:

‐Topografía‐ Distribución de fases cristalinas y amorfasDistribución de fases cristalinas y amorfas‐ Organización de fases en polímeros nanoestructurados‐ Propiedades de adhesión‐ Indentación‐ Indentación‐ Propiedades magnéticas, eléctricas‐Propiedades en inmersión

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