Los microscopios de fuerza atómica (AFM) de última generación están diseñados para capturar imágenes de estructuras tan pequeñas como una fracción de nanómetro, un millón de veces más pequeñas que el ancho de un cabello humano. En años recientes, Los AFM han producido primeros planos dignos de un escritorio de estructuras del tamaño de un átomo, desde hebras simples de ADN hasta enlaces de hidrógeno individuales entre moléculas.

Pero escanear estas imágenes es meticuloso, proceso que requiere mucho tiempo. Por lo tanto, los AFM se han utilizado principalmente para obtener imágenes de muestras estáticas, ya que son demasiado lentos para capturar activos, entornos cambiantes.

Ahora, los ingenieros del MIT han diseñado un microscopio de fuerza atómica que escanea imágenes 2, 000 veces más rápido que los modelos comerciales existentes. Con este nuevo instrumento de alta velocidad, el equipo produjo imágenes de procesos químicos que tienen lugar a nanoescala, a una velocidad cercana a la del video en tiempo real.

En una demostración de las capacidades del instrumento, los investigadores escanearon una muestra de calcita de 70 por 70 micrones cuando se sumergió primero en agua desionizada y luego se expuso al ácido sulfúrico. El equipo observó que el ácido devoraba la calcita, expandir los hoyos de tamaño nanométrico existentes en el material que se fusionaron rápidamente y llevaron a una eliminación capa por capa de calcita a lo largo del patrón cristalino del material, durante un período de varios segundos.

Kamal Youcef-Toumi, profesor de ingeniería mecánica en el MIT, dice que la sensibilidad y la velocidad del instrumento permitirán a los científicos observar procesos de tamaño atómico como "películas" de alta resolución.

"La gente puede ver por ejemplo, condensación, nucleación disolución, o deposición de material, y cómo suceden en tiempo real, cosas que la gente nunca ha visto antes, "Dice Youcef-Toumi." Es fantástico ver emerger estos detalles. Y abrirá grandes oportunidades para explorar todo este mundo que se encuentra a nanoescala ".

El diseño y las imágenes del grupo, que se basan en el trabajo de doctorado de Iman Soltani Bozchalooi, ahora un postdoctorado en el Departamento de Ingeniería Mecánica, se publican en la revista Ultramicroscopy.

El panorama

Los microscopios de fuerza atómica suelen escanear muestras con una sonda ultrafina, o aguja, que roza la superficie de una muestra, trazando su topografía, de manera similar a como una persona ciega lee Braille. Las muestras se sientan en una plataforma móvil, o escáner, que mueve la muestra lateral y verticalmente debajo de la sonda. Debido a que los AFM escanean estructuras increíblemente pequeñas, los instrumentos tienen que funcionar lentamente, linea por linea, para evitar movimientos bruscos que puedan alterar la muestra o difuminar la imagen. Estos microscopios convencionales escanean típicamente de una a dos líneas por segundo.

"Si la muestra es estática, está bien tomar de ocho a 10 minutos para obtener una imagen, "Dice Youcef-Toumi." Pero si es algo que está cambiando, luego imagina si comienzas a escanear desde arriba muy lentamente. Para cuando llegues al fondo, la muestra ha cambiado, por lo que la información de la imagen no es correcta, ya que se ha extendido con el tiempo ".

Para acelerar el proceso de escaneo, los científicos han intentado construir más pequeños, plataformas más ágiles que escanean muestras más rápidamente, aunque en un área más pequeña. Bozchalooi dice que esos escáneres, mientras veloz, no permita que los científicos se alejen para ver una vista más amplia o estudiar características más grandes.

"Es como si estuviera aterrizando en algún lugar de los Estados Unidos y no tuviera ni idea de dónde está aterrizando, y se les dice dondequiera que aterrice, solo se le permite mirar unas pocas cuadras alrededor y hasta una altura limitada, "Dice Bozchalooi." No hay forma de que puedas obtener una imagen más amplia ".

Escaneando en sincronía

A Bozchalooi se le ocurrió un diseño para permitir el escaneo de alta velocidad en rangos grandes y pequeños. La principal innovación se centra en un escáner multiactivado y su control:una plataforma de muestra incorpora un escáner más rápido y más grande escáner más lento para todas las direcciones, que trabajan juntos como un sistema para escanear una amplia región 3D a alta velocidad.

Otros intentos de escáneres multiactivados se han visto obstaculizados, principalmente debido a las interacciones entre los escáneres:el movimiento de un escáner puede afectar la precisión y el movimiento del otro. Los investigadores también han descubierto que es difícil controlar cada escáner por separado y hacer que funcionen con todos los demás componentes de un microscopio. Para escanear cada nueva muestra, Bozchalooi dice que un científico necesitaría realizar múltiples afinaciones y ajustes a múltiples componentes en el instrumento.

Para simplificar el uso del instrumento multiactivado, Bozchalooi desarrolló algoritmos de control que tienen en cuenta el efecto de un escáner sobre el otro.

"Nuestro controlador puede mover el escáner pequeño de una manera que no excita al escáner grande, porque sabemos qué tipo de movimiento activa este escáner, y viceversa, "Dice Bozchalooi." Al final, están trabajando en sincronía, así que desde la perspectiva del científico, este escáner parece un solo, alta velocidad, escáner de gran alcance que no añade ninguna complejidad al funcionamiento del instrumento ".

Después de optimizar otros componentes en el microscopio, como la óptica, instrumentación, y sistemas de adquisición de datos, el equipo descubrió que el instrumento podía escanear una muestra de calcita hacia adelante y hacia atrás, sin ningún daño a la sonda o muestra. El microscopio escanea una muestra más rápido que 2, 000 hercios, o 4, 000 líneas por segundo:2, 000 veces más rápido que los AFM comerciales existentes. Esto se traduce en alrededor de ocho a 10 fotogramas por segundo. Bozchalooi dice que el instrumento no tiene límite en el rango de imágenes y para una velocidad máxima de la sonda, puede escanear a través de cientos de micrones, así como las características de la imagen que tienen varios micrones de altura.

"Queremos ir al video real, que es de al menos 30 fotogramas por segundo, "Dice Youcef-Toumi." Con suerte, podemos trabajar en la mejora del instrumento y los controles para que podamos hacer imágenes de velocidad de video mientras mantenemos su amplio rango y es fácil de usar. Eso sería algo grandioso de ver ".