El término microscopio de sonda de barrido cubre una gama de microscopios y técnicas de medición asociadas que se utilizan para analizar superficies. Como tal, estas técnicas se incluyen en la física de superficies e interfaciales. Los microscopios de sonda de barrido se caracterizan por pasar una sonda de medición sobre una superficie a una pequeña distancia.
¿Qué es un microscopio de sonda de barrido?
El término microscopio de sonda de barrido abarca una gama de microscopios y sus técnicas de medición asociadas que se utilizan para analizar superficies. El microscopio de sonda de barrido se refiere a todos los tipos de microscopios en los que se forma la imagen como resultado de la interacción entre la sonda y la muestra. Por tanto, estos métodos difieren tanto de la microscopía óptica como de la microscopía electrónica de barrido. Aquí, no se utilizan lentes ópticas ni electrónicas. En el microscopio de sonda de barrido, la superficie de la muestra se explora pieza por pieza con la ayuda de una sonda. De esta manera, se obtienen valores medidos para cada punto individual, que finalmente se combinan para producir una imagen digital. El método de la sonda de exploración fue desarrollado y presentado por primera vez por Rohrer y Binnig en 1981. Se basa en el efecto túnel que se produce entre una punta metálica y una superficie conductora. Este efecto forma la base de todas las técnicas de microscopía de sonda de barrido desarrolladas posteriormente.
Formas, tipos y estilos
Existen varios tipos de microscopios de sonda de exploración, que se diferencian principalmente en la interacción entre la sonda y la muestra. El punto de partida fue la microscopía de túnel de barrido, que permitió por primera vez obtener imágenes de resolución atómica de superficies conductoras de electricidad en 1982. Durante los años siguientes, se desarrollaron muchas otras técnicas de microscopía de sonda de barrido. En la microscopía de túnel de barrido, se aplica un voltaje entre la superficie de la muestra y la punta. Se mide la corriente de túnel entre la muestra y la punta, y no deben tocarse entre sí. En 1984, se desarrolló por primera vez la microscopía óptica de campo cercano. Aquí, la luz se envía a través de la muestra a partir de una sonda. En el microscopio de fuerza atómica, la sonda se desvía por medio de fuerzas atómicas. Por regla general, se utilizan las llamadas fuerzas de Van der Waals. La deflexión de la sonda muestra una relación proporcional a la fuerza, que se determina de acuerdo con la constante de resorte de la sonda. La microscopía de fuerza atómica se desarrolló en 1986. Al principio, los microscopios de fuerza atómica funcionaban sobre la base de una punta de túnel que actuaba como detector. Esta punta de túnel determina la distancia real entre la superficie de la muestra y el sensor. La técnica hace uso del voltaje de túnel que existe entre la parte posterior del sensor y la punta de detección. En los tiempos modernos, esta técnica ha sido reemplazada en gran medida por el principio de detección, donde la detección se realiza mediante un rayo láser que actúa como un puntero de luz. Esto también se conoce como microscopio de fuerza láser. Además, se desarrolló un microscopio de fuerza magnética en el que las fuerzas magnéticas entre la sonda y la muestra sirven como base para determinar los valores medidos. En 1986 también se desarrolló el microscopio térmico de barrido, en el que un pequeño sensor actúa como sonda de barrido. También existe un microscopio óptico de campo cercano de barrido, en el que la interacción entre la sonda y la muestra consiste en ondas evanescentes.
Estructura y funcionamiento
En principio, todos los tipos de microscopios de sonda de barrido tienen en común que escanean la superficie de la muestra en una rejilla. Esto aprovecha la interacción entre la sonda del microscopio y la superficie de la muestra. Esta interacción difiere según el tipo de microscopio de sonda de barrido. La sonda es enorme en comparación con la muestra que se está examinando, pero es capaz de detectar las diminutas características de la superficie de la muestra. De particular relevancia en este punto es el átomo más destacado en la punta de la sonda. Usando microscopía de sonda de exploración, son posibles resoluciones de hasta 10 picómetros. A modo de comparación, el tamaño de los átomos está en el rango de 100 picómetros. La precisión de los microscopios ópticos está limitada por la longitud de onda de la luz. Por esta razón, con este tipo de microscopio solo son posibles resoluciones de alrededor de 200 a 300 nanómetros. Esto corresponde aproximadamente a la mitad de la longitud de onda de la luz. Por lo tanto, un microscopio electrónico de barrido utiliza radiación de electrones en lugar de luz. Al aumentar la energía, la longitud de onda puede acortarse arbitrariamente en teoría. Sin embargo, una longitud de onda demasiado corta destruiría la muestra.
Beneficios médicos y de salud
Con un microscopio de sonda de barrido, no solo es posible explorar la superficie de una muestra. En cambio, también es posible seleccionar átomos individuales de la muestra y volver a colocarlos en una ubicación predeterminada. Desde principios de la década de 1980, el desarrollo de la microscopía de sonda de barrido ha progresado rápidamente. Las nuevas posibilidades para una resolución mejorada de mucho menos de un micrómetro representaron un prerrequisito importante para los avances en nanociencia y nanotecnología. Este desarrollo ocurrió especialmente desde la década de 1990. Basados en los métodos básicos de microscopía de sonda de barrido, muchos otros submétodos se subdividen hoy en día. Estos hacen uso de diferentes tipos de interacción entre la punta de la sonda y la superficie de la muestra. Así, los microscopios de sonda de barrido juegan un papel fundamental en campos de investigación como la nanoquímica, la nanobiología, la nanobioquímica y la nanomedicina. Los microscopios de sonda de barrido se utilizan incluso para explorar otros planetas, como Marte. Los microscopios de sonda de barrido utilizan una técnica de posicionamiento especial basada en el llamado efecto piezoeléctrico. El aparato para desplazar la sonda se controla desde una computadora y permite un posicionamiento de alta precisión. Esto permite escanear las superficies de las muestras de forma controlada y ensamblar los resultados de la medición en una imagen de enorme resolución.
