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