Agujeros en una capa de moléculas orgánicas. | CSIC
La invención de la microscopía de efecto túnel hace ahora 30 años, seguida de la llegada del microscopio de fuerzas cinco años después, han sido sucesos cruciales en la historia de la nanociencia y la nanotecnología. El microscopio de efecto túnel, también conocido por STM, fue el primero de su familia en ser capaz de tomar imágenes de los átomos de las superficies.
El STM pertenece a la familia de microscopios llamados 'de sonda loca'. El STM no utiliza la luz para formar las imágenes con mayor aumento, como lo hacen los microscopios ópticos, con los que estamos más familiarizados. En vez de luz, utiliza una punta conductora muy fina, que se coloca a muy poca distancia de la superficie que debe ser examinada.
30 años tomando imágenes de átomos con el STM
En la actualidad, en España, existen varios grupos de investigación con gran reconocimiento internacional que están especializados en el estudio de las superficies con resolución atómica. Uno de estos grupos es el grupo ESISNA, al que pertenece el Dr. Javier Méndez del ICMM , cuyo trabajo de investigación está centrado en el estudio de moléculas orgánicas sobre superficies y que hoy voy a poder mostrar en el presente artículo. La investigación en este tipo de materiales es importante por sus aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos.
Oro fácil de untar
El STM es una herramienta de gran utilidad en la nanociencia que nos permite estudiar cómo se modifican las propiedades de los materiales cuando reducimos estos a escala nanométrica. La dureza de un material es otra de las características cuyo cambio nos sorprende. El oro y en general los metales, se comportan como si fueran de mantequilla o tuvieran la consistencia del helado cuando los 'tocamos' a estas escalas. Así, si pasamos la punta del microscopio de efecto túnel apretando sobre una superficie de oro, vamos a levantar los átomos de la superficie dejando un surco a modo de arañazo.
Los átomos levantados quedarán a ambos lados del surco al igual que ocurre cuando pasamos un cuchillo por la mantequilla. En otras ocasiones, al tocar ligeramente con la punta, el oro se pegará a la punta formando un menisco de oro entre la punta y la superficie. Si retiramos la punta, este menisco se irá estrechando hasta romperse y en la superficie quedará un montículo de tamaño nanométrico. Este fenómeno se puede estudiar con el fin de explorar la posibilidad de usarse como memoria para los ordenadores.
En continuo movimiento
Para poder entender este comportamiento de los materiales a la escala nanométrica, tenemos que pensar en una propiedad llamada 'difusión', que es la que determina el movimiento de los átomos y moléculas. A temperatura ambiente (y en ausencia de otros efectos que frenen el movimiento, como por ejemplo la contaminación) los átomos que constituyen la superficie de los materiales tienen una elevada difusión, esto es, se mueven rápidamente y a altas velocidades, como se puede observar en las películas tomadas mediante STM que se muestran a continuación.
En esta primera se ven filas de átomos en una superficie de un cristal de oro, y como los extremos de las filas parecen avanzar y retroceder. Esto es debido a que los átomos se despegan de un sitio, difunden sobre las terrazas y se vuelven a colocar en otro sitio. Sobre las terrazas, el movimiento aparece como un chisporroteo de puntos brillantes, ocasionados al pasar un átomo por debajo de la punta del microscopio en el momento que la punta medía ese punto.
El segundo ejemplo se trata de una película en tiempo real medida en el Instituto Fritz-Haber de Berlín. En este caso la secuencia esta medida con un microscopio video-STM, capaz de adquirir más de 10 imágenes por segundo. Lo que se ve ocurre realmente a la velocidad que se está proyectando. En este caso, las bolitas blancas son átomos de oxígeno sobre una superficie de rutenio. La superficie una vez expuesta a oxígeno, se cubre con islas ordenadas de átomos de oxígeno. A temperatura ambiente existe un continuo equilibrio de átomos que se despegan de las islas, difunden sobre el rutenio libremente y se vuelven a colocar en otro lugar.
Podemos pensar que estos procesos de difusión están ocurriendo en las superficies de los objetos cotidianos, pero, a pesar de este continuo movimiento no apreciamos cambio alguno debido a que existe un equilibrio entre el movimiento en una dirección y el movimiento en la dirección contraria. Así, no debemos preocuparnos en que nuestros anillos de oro o plata y nuestras joyas de metales preciosos terminen cambiando de forma en pocos años, ya que si se mueven los átomos de la superficie de un lado para otro, el resultado no se aprecia a escalas mayores ya que esta compensado.
Como las burbujas en el café
Otra similitud del mundo nanométrico con el mundo cotidiano lo encontramos en la película que encabeza este artículo. Se trata de una superficie de oro recubierta con unas moléculas orgánicas de PTCDA. Estas moléculas se fijan a la superficie del silicio, pero sobre el oro difunden (se mueven) rápidamente. Si cubrimos la superficie de oro con estas moléculas, como en este caso, las moléculas aparecen quietas formando una retícula ordenada, ya que no tienen ningún espacio libre para moverse. Si tocamos levemente con la punta del microscopio quitamos algunas moléculas y formamos un agujero en la capa.
En esta secuencia de imágenes se observan agujeros formados en la capa de moléculas y cómo estos huecos experimentan un movimiento aleatorio hacia un lado y hacia otro, pero, cómo finalmente los agujeros se juntan y forman agujeros más grandes. La similitud en este caso la podemos hacer con las burbujas que se forman en el café. Sobre la superficie del café podemos ver pequeñas burbujitas de aire (si no hay: ¡probad a echar un terrón de azúcar!). Estas burbujas se 'ven' y se atraen formando racimos de burbujas y en alguna ocasión, al unirse burbujas, formando burbujas más grandes. De forma similar, en la película que mostramos, los agujeros en la capa de moléculas se 'ven' y se atraen y terminan por formar un agujero, una burbuja más grande.
Fuente:
El Mundo Ciencia