Una membrana de nitruro de silicio perforada sirve como sensor de fuerza. Dos 'islas' acopladas sufren vibraciones fuera del plano. En uno de ellos se cargan las muestras y en el otro se miden las vibraciones con un interferómetro láser. Una punta de escaneo metálica interactúa con las muestras y modifica las vibraciones. Crédito:Alexander Eichler, ETH Zúrich
El desarrollo de microscopios de sonda de barrido a principios de la década de 1980 supuso un gran avance en la formación de imágenes, abriendo una ventana al mundo a nanoescala. La idea clave es escanear una punta extremadamente afilada sobre un sustrato y registrar en cada ubicación la fuerza de la interacción entre la punta y la superficie. En microscopía de fuerza de barrido, esta interacción es, como su nombre lo indica, la fuerza entre la punta y las estructuras de la superficie. Esta fuerza se determina típicamente midiendo cómo cambia la dinámica de una punta vibratoria a medida que escanea los objetos depositados en un sustrato. Una analogía común es dar golpecitos con el dedo sobre una mesa y detectar objetos colocados en la superficie.
Un equipo dirigido por Alexander Eichler, científico senior en el grupo del Prof. Christian Degen en el Departamento de Física de ETH Zurich, ha invertido este paradigma. Escribiendo en Revisión física aplicada , informan del primer microscopio de fuerza de barrido en el que la punta está en reposo mientras vibra el sustrato con las muestras.
Meneando la cola del perro
Hacer la microscopía de fuerza "haciendo vibrar la mesa debajo del dedo" puede parecer que complica el procedimiento. En un sentido, lo hace. Pero dominar la complejidad de este enfoque inverso conlleva una gran recompensa. El nuevo método promete llevar la sensibilidad de la microscopía de fuerza a su límite fundamental, más allá de lo que se puede esperar de las mejoras adicionales del enfoque convencional de "golpeteo de dedos".
La clave para el aumento de la sensibilidad es la elección del sustrato. La 'mesa' en los experimentos de Eichler, Degen y sus colaboradores es una membrana perforada hecha de nitruro de silicio, apenas 41 nm de espesor. Colaboradores de los físicos de la ETH, el grupo de Albert Schliesser en la Universidad de Copenhague en Dinamarca, estableció estas membranas de baja masa como excelentes resonadores nanomecánicos con factores de calidad extremos. Una vez que se golpea la membrana, vibra millones de veces, o más, antes de llegar a descansar. Dadas estas exquisitas propiedades mecánicas, resulta ventajoso hacer vibrar la mesa en lugar del dedo, al menos en principio.
La separación de las islas es de alrededor de medio milímetro. Crédito:David Hälg y Shobhna Misra, ETH Zúrich
Nuevo concepto puesto en práctica
Traducir esta promesa teórica en capacidad experimental es el objetivo de un proyecto en curso entre los grupos de Degen y Schliesser, con el apoyo teórico del Dr. Ramasubramanian Chitra y el Prof. Oded Zilberberg del Instituto de Física Teórica en ETH Zurich. Como un hito en ese viaje, Los equipos experimentales han demostrado ahora que el concepto de microscopía de fuerza de barrido basada en membranas funciona en un dispositivo real.
En particular, demostraron que ni cargar la membrana con muestras ni llevar la punta a una distancia de unos pocos nanómetros compromete las excepcionales propiedades mecánicas de la membrana. Sin embargo, una vez que la punta se acerca aún más a la muestra, la frecuencia o amplitud de la membrana cambia. Para poder medir estos cambios, la membrana presenta una isla donde la punta y la muestra interactúan, así como un segundo acoplado mecánicamente al primero, desde el cual se puede reflejar parcialmente un rayo láser, para proporcionar un interferómetro óptico sensible.
Quantum es el límite
Poniendo esta configuración a trabajar, el equipo resolvió con éxito nanopartículas de oro y virus del mosaico del tabaco. Estas imágenes sirven como prueba de principio para el novedoso concepto de microscopía, aunque todavía no llevan las capacidades a un nuevo territorio. Pero la meta está al alcance. Los investigadores planean combinar su enfoque novedoso con una técnica conocida como microscopía de fuerza por resonancia magnética (MRFM) para permitir la obtención de imágenes de resonancia magnética con una resolución de átomos individuales. proporcionando así una visión única, por ejemplo, en virus.
La resonancia magnética a escala atómica sería otro gran avance en la obtención de imágenes, combinando la máxima resolución espacial con información física y química altamente específica sobre los átomos fotografiados. Para la realización de esa visión, Se necesita una sensibilidad cercana al límite fundamental dado por la mecánica cuántica. El equipo confía en que pueden realizar un sensor de fuerza de limitación cuántica a través de avances adicionales en la ingeniería de membranas y la metodología de medición. Con la demostración de que la microscopía de fuerza de barrido basada en membranas es posible, el ambicioso objetivo se ha acercado ahora un gran paso.
