La microscopía de fuerza atómica (AFM) trajo la resolución de imágenes a escala atómica de la microscopía de túnel de barrido, una técnica que ganó el Premio Nobel de Física, a superficies no conductoras. Sin embargo, Sigue habiendo limitaciones a la hora de intentar utilizar la técnica en su punto más sensible con muestras fotosensibles en líquidos. Ahora, los investigadores de la Universidad de Kanazawa muestran cómo superar estas limitaciones, impulsando un voladizo de unos pocos micrómetros de tamaño a frecuencias de megahercios con estabilidad y control en líquido y sin exponer potencialmente la muestra a la luz.

Los microscopios de fuerza atómica monitorean las fuerzas en juego entre una superficie y una punta unida a un voladizo para extraer información sobre la topografía y la composición de la superficie. Al oscilar el voladizo sobre la superficie en lugar de arrastrarlo, se puede inferir la fuerza de las interacciones con el voladizo y la punta a partir de cambios en la amplitud de oscilación o frecuencia resonante sin dañar la superficie.

Por lo general, un actuador piezoeléctrico genera una onda acústica que hace que el voladizo oscile a su frecuencia de resonancia. Sin embargo, este enfoque es propenso a contribuciones falsas a la resonancia de los componentes del dispositivo que une el actuador al voladizo. El impacto de estos efectos es mayor para los voladizos más sensibles, que son pequeños y tienen altas frecuencias de resonancia de megahercios. Las alternativas son fototérmicas, excitación en voladizo electrostática o electroestrictiva, pero si el material en estudio es fotosensible o se mantiene en un líquido electroquímicamente activo, estos también tienen inconvenientes. En cambio, Takeshi Fukuma y sus colegas de la Universidad de Kanazawa siguieron con un enfoque de excitación magnética.

Los investigadores investigaron cómo implementar su enfoque con tres marcas de voladizo, que personalizaron agregando una cuenta magnética decorada con una punta de nanoescala de carbono. Luego aplicaron un campo magnético alterno alimentando una corriente alterna en un pequeño solenoide hecho de un alambre de 0,2 mm de diámetro enrollado alrededor de un cilindro de 3 mm de diámetro.

Aunque otros grupos han demostrado previamente AFM dinámico impulsado por excitación magnética, el enfoque una vez más se encuentra con problemas para los pequeños voladizos. El bucle de retroalimentación para manejar la latencia del circuito y compensar la impedancia dependiente de la frecuencia para que el dispositivo cubra un ancho de banda de frecuencia amplio no funciona tan bien en frecuencias altas. En cambio, los investigadores diseñaron un circuito diferencial de bucle abierto que alimenta un voltaje de bobina complejo proporcional a la frecuencia y al voltaje de entrada.

Para demostrar la aplicabilidad de su enfoque, midieron las curvas de resonancia en voladizo y la topografía a escala atómica de una superficie de mica en una solución salina tamponada con fosfato con varios voladizos personalizados, incluidos aquellos con una frecuencia de resonancia de orden de megahercios.

Fuerza atómica microscópica

La primera imagen usando AFM fue reportada por Gerd Binnig, Calvin Quate y Christoph Gerber en 1986, cinco años después del microscopio de efecto túnel. La técnica es capaz de resolución a escala atómica y genera imágenes midiendo la fuerza de la suma de una serie de fuerzas en juego entre la punta y la muestra. incluyendo van der Waals y electrostático.

AFM utiliza un voladizo con una pequeña punta unida al final. Para AFM estático, la punta se arrastra sobre la superficie y se mide la deflexión del voladizo o, la altura del voladizo se ajusta para mantener una deflexión constante. En AFM dinámico, donde el voladizo oscila a su frecuencia de resonancia y golpea la superficie con la punta, El contacto entre la punta y la superficie causa menos daño a la muestra. Es capaz de obtener imágenes de alta sensibilidad sin hacer contacto con la superficie en absoluto en modo sin contacto, monitoreando el impacto de las interacciones con la superficie en la amplitud y frecuencia de las oscilaciones en voladizo.

Además de la excitación en voladizo fototérmica y activada piezoeléctricamente, se pueden utilizar interacciones electrostáticas y electroestrictivas aplicando un voltaje de polarización entre la punta y la superficie o ambos lados de un voladizo. Sin embargo, en muchos de los líquidos utilizados para albergar muestras, esto puede provocar reacciones químicas incontroladas.

Bucle cerrado versus bucle abierto con circuitos de diferenciación

Cuando se utilizan campos magnéticos para excitar oscilaciones en el voladizo, el circuito que suministra corriente a la bobina del solenoide debe mantener una amplitud de corriente constante. Sin embargo, la impedancia del circuito aumenta con la frecuencia, de modo que se necesita una señal de voltaje más alto para mantener una amplitud de corriente constante. Esto generalmente se logra con un circuito de retroalimentación, que convierte la corriente de la bobina en un voltaje y lo compara con el voltaje de entrada. Sin embargo, este circuito de retroalimentación se vuelve inestable a frecuencias de megahercios.

En el circuito de bucle abierto utilizado en su lugar, el voltaje de entrada se alimenta a un circuito de diferenciación que devuelve un voltaje de bobina complejo que es proporcional al voltaje de entrada y la frecuencia ( V _bobina =yo ωV _en , dónde V _bobina es el voltaje de la bobina, V _en es el voltaje de entrada y ω es la frecuencia.) De esta manera, el voltaje de la bobina se escala automáticamente con la frecuencia, compensando los cambios de impedancia dependientes de la frecuencia.