Un equipo de investigadores de Jülich en cooperación con la Universidad de Magdeburg ha desarrollado un nuevo método para medir los potenciales eléctricos de una muestra con precisión atómica. Usando métodos convencionales, Hasta ahora era prácticamente imposible registrar cuantitativamente los potenciales eléctricos que se producen en las inmediaciones de moléculas o átomos individuales. El nuevo método de microscopía de puntos cuánticos de barrido, que fue presentado recientemente en la revista Materiales de la naturaleza por científicos de Forschungszentrum Jülich junto con socios de otras dos instituciones, podría abrir nuevas oportunidades para la fabricación de chips o la caracterización de biomoléculas como el ADN.

Los núcleos atómicos positivos y los electrones negativos que componen toda la materia producen campos de potencial eléctrico que se superponen y compensan entre sí, incluso en distancias muy cortas. Los métodos convencionales no permiten mediciones cuantitativas de estos campos de área pequeña, que son responsables de muchas propiedades y funciones de los materiales a nanoescala. Casi todos los métodos establecidos capaces de obtener imágenes de tales potenciales se basan en la medición de fuerzas causadas por cargas eléctricas. Sin embargo, estas fuerzas son difíciles de distinguir de otras fuerzas que ocurren en la nanoescala, lo que evita las mediciones cuantitativas.

Hace cuatro años, sin embargo, Los científicos de Forschungszentrum Jülich descubrieron un método basado en un principio completamente diferente. La microscopía de escaneo de puntos cuánticos implica unir una sola molécula orgánica, el punto cuántico, a la punta de un microscopio de fuerza atómica. Esta molécula luego sirve como sonda. "La molécula es tan pequeña que podemos unir electrones individuales desde la punta del microscopio de fuerza atómica a la molécula de manera controlada, "explica el Dr. Christian Wagner, jefe del grupo de Manipulación Mecánica Controlada de Moléculas en el Instituto Peter Grünberg de Jülich (PGI-3).

Los investigadores reconocieron de inmediato lo prometedor que era el método y presentaron una solicitud de patente. Sin embargo, la aplicación práctica estaba todavía muy lejos. "Inicialmente, fue simplemente un efecto sorprendente que fue limitado en su aplicabilidad. Todo eso ha cambiado ahora. No solo podemos visualizar los campos eléctricos de átomos y moléculas individuales, también podemos cuantificarlos con precisión, "explica Wagner." Esto fue confirmado por una comparación con los cálculos teóricos realizados por nuestros colaboradores de Luxemburgo. Además, podemos obtener imágenes de grandes áreas de una muestra y, por lo tanto, mostrar una variedad de nanoestructuras a la vez. Y solo necesitamos una hora para obtener una imagen detallada ".

Los investigadores de Jülich pasaron años investigando el método y finalmente desarrollaron una teoría coherente. La razón de las imágenes muy nítidas es un efecto que permite que la punta del microscopio permanezca a una distancia relativamente grande de la muestra. aproximadamente de dos a tres nanómetros, algo inimaginable para un microscopio de fuerza atómica normal.

En este contexto, Es importante saber que todos los elementos de una muestra generan campos eléctricos que influyen en el punto cuántico y, por tanto, pueden medirse. La punta del microscopio actúa como un escudo protector que amortigua los campos disruptivos de las áreas de la muestra que están más alejadas. "La influencia de los campos eléctricos blindados disminuye exponencialmente, y el punto cuántico solo detecta el área circundante inmediata, "explica Wagner." Nuestra resolución es, por tanto, mucho más nítida de lo que podría esperarse incluso de una sonda puntual ideal ".

Los investigadores de Jülich deben la velocidad a la que se puede medir la superficie completa de la muestra a sus socios de la Universidad Otto von Guericke de Magdeburgo. Los ingenieros desarrollaron un controlador que ayudó a automatizar el complejo, secuencia repetida de escaneo de la muestra. "Un microscopio de fuerza atómica funciona un poco como un tocadiscos, "dice Wagner." La punta se mueve a través de la muestra y junta una imagen completa de la superficie. En trabajos anteriores de microscopía de puntos cuánticos de barrido, sin embargo, tuvimos que mudarnos a un sitio individual en la muestra, medir un espectro, pasar al siguiente sitio, medir otro espectro, etcétera, para combinar estas medidas en una sola imagen. Con el controlador de ingenieros de Magdeburg, ahora podemos simplemente escanear toda la superficie, como usar un microscopio de fuerza atómica normal. Si bien solía llevarnos de 5 a 6 horas para una sola molécula, ahora podemos obtener imágenes de áreas de muestra con cientos de moléculas en solo una hora ".

También hay algunas desventajas, sin embargo. La preparación de las mediciones requiere mucho tiempo y esfuerzo. La molécula que sirve como punto cuántico para la medición debe estar unida a la punta de antemano, y esto solo es posible en el vacío a bajas temperaturas. A diferencia de, Los microscopios de fuerza atómica normales también funcionan a temperatura ambiente, sin necesidad de vacío ni preparaciones complicadas.

Y todavía, Prof. Stefan Tautz, director de PGI-3, es optimista:"Esto no tiene por qué limitar nuestras opciones. Nuestro método es todavía nuevo, y estamos entusiasmados con los primeros proyectos para poder mostrar lo que realmente puede hacer ".

Hay muchos campos de aplicación para la microscopía de puntos cuánticos. La electrónica de semiconductores está superando los límites de escala en áreas donde un solo átomo puede marcar la diferencia para la funcionalidad. La interacción electrostática también juega un papel importante en otros materiales funcionales, como catalizadores. La caracterización de biomoléculas es otra vía. Gracias a la distancia relativamente grande entre la punta y la muestra, El método también es adecuado para superficies rugosas, como la superficie de moléculas de ADN, con su característica estructura tridimensional.