Hace más de 30 años que el microscopio de efecto túnel (STM), hizo su debut en un laboratorio de Suiza. Fue el primero de su gran familia, denominada microscopios de 'sonda local', en conseguir los aumentos necesarios para obtener imágenes de átomos.
José María Gómez Rodríguez, científico y profesor de la UAM, tuvo la oportunidad de comenzar su carrera investigadora con el primer microscopio de efecto túnel (STM) que hubo en España. Su grupo de investigación es uno de los de mayor prestigio internacional.
Microscopio STM y J. M. Gómez Rodríguez.
Este laboratorio, junto con algunos otros, forman un conjunto no tan pequeño de grupos españoles que estudian las propiedades de las superficies a escala nanométrica, fabricándose ellos mismos sus propios sofisticados y complejos instrumentos, y obteniendo resultados tremendamente exitosos. Además, J. M. Gómez Rodríguez ha transferido con éxito su conocimiento científico a Nanotec Electrónica, la única empresa española que desarrolla y comercializa este tipo de microscopios, desde hace ya más de 15 años.
Mónica Luna.- ¿Cómo funciona un microscopio capaz de obtener imágenes de átomos?
Jose María Gómez Rodríguez.- Para empezar diré que para crear la imagen del objeto no utiliza ni lentes, ni luz. La longitud de onda de la luz visible es demasiado grande (400-750 nm). Con luz no podríamos ver objetos de un tamaño de unos pocos nanómetros, o incluso menor que 1 nanómetro, como el tamaño de un átomo.
M. L.- Y ese objeto que es más pequeño que la luz es una punta muy afilada.
J. M. G. R.- Tan afilada que acaba en tan sólo un átomo. En la imagen que se muestra más abajo, se puede ver un esquema de un STM. Ampliando la zona de la muestra (verde) y la punta (amarilla) se ve que la punta acaba en un solo átomo.
Esquema de un microscopio de efecto túnel.| J. M. Gómez Rodríguez.
Para obtener una imagen de la superficie, la punta va pasando por encima de ella, línea por línea. La punta no toca la superficie, sino que se mantiene a muy poca distancia. Aún así es capaz de 'sentir' la superficie. Lo consigue mediante la detección de una corriente eléctrica muy especial, de origen cuántico, llamada corriente 'túnel', que se origina, entre el último átomo de la punta y el átomo de la superficie más cercano.
M. L.- Ustedes fabrican sus propios microscopios, lo cual, en instrumentos tan sumamente complejos, es una ardua tarea. ¿Qué beneficios les reporta?.
J. M. G. R.- El desarrollo de instrumentación científica avanzada en nuestros propios laboratorios es de suma importancia porque es lo que permite realizar experimentos en la frontera del conocimiento. En España llevamos un retraso sustancial con respecto a países como Alemania en el desarrollo de instrumentación avanzada.
Por otra parte, en nuestro caso, el conocimiento generado con nuestro desarrollo instrumental permitió, hace 15 años, el nacimiento de Nanotec Electrónica, la única empresa española que desarrolla y comercializa este tipo de microscopios.
M. L.- ¿Cuáles son sus temas de investigación en la actualidad?
J. M. G. R.- Estudiamos las propiedades de la superficies de los materiales a la escala del nanómetro. En particular, investigamos las etapas iniciales y la estabilidad de nanoestructuras. Podemos, por ejemplo, visualizar el movimiento de átomos en la superficie, lo cual nos permite profundizar en el conocimiento de los mecanismos del crecimiento de estructuras del tamaño de unos pocos átomos. Ello permitirá, en el futuro, el diseño de materiales con propiedades muy específicas, tanto desde el punto de vista electrónico, como mecánico o térmico.
Un ejemplo del estudio del movimiento de los átomos sobre una superficie lo tenemos en las películas que se muestran en este artículo. Estas películas están medidas a temperaturas por debajo de la del ambiente con el fin de ralentizar el movimiento de los átomos y poderlos estudiar con más detalle.
Imágenes de STM de moléculas orgánicas.| N. Nicoara, A. C. Marele, B. de la Torre, J. M. Gómez Rodríguez
También buscamos entender cómo se comportan moléculas formadas por material orgánico cuando se depositan sobre superficies de material inorgánico. Esto es importante si queremos que estas moléculas orgánicas sustituyan, en un futuro, a buena parte de los componentes de la electrónica de hoy en día.
M. L.- ¿Qué ventajas tendría utilizar estas moléculas orgánicas?
J. M. G. R.- La química molecular ofrece una oferta casi ilimitada de distintos materiales porque estas moléculas se pueden sintetizar a medida. Además estos componentes orgánicos podrían tener un tamaño muy pequeño, consumirían menos energía y podrían ser materiales más respetuosos con el medio ambiente. Debido a sus propiedades mecánicas, podrían, además, integrarse en dispositivos electrónicos flexibles.
Imágenes de STM de grafeno.| M. M. Ugeda, I. Brihuega, A. J. Martínez-Galera, J. M. Gómez Rodríguez.
Otro tema de investigación en el que estamos trabajando está relacionado con el grafeno, material formado por una sola capa de átomos de carbono. Esta peculiar estructura le confiere unas propiedades excepcionales tanto electrónicas como mecánicas. Nuestro trabajo ha estado centrado en crecer estas capas de grafeno sobre diversos metales, en particular sobre superficies de oro, y en estudiar sus propiedades electrónicas.
En las imágenes que se muestran más arriba se observan átomos de carbono en grafeno, crecido sobre platino (izquierda) y sobre oro (centro), así como en superficies de grafito, que es un conjunto de planos de grafeno apilados unos sobre los otros. En la imagen de grafito se observa una protuberancia que corresponde al hueco que ha dejado un solo átomo de la superficie arrancado intencionadamente con el fin de modificar las propiedades electrónicas de la capa.
Como consecuencia de sus extraordinarias propiedades electrónicas y mecánicas, el grafeno constituye un firme candidato para ser integrado en futuros dispositivos electrónicos. Así, grandes compañías como IBM y Samsung están destinando importantes recursos con este objetivo, lo cual ha permitido que los avances en este campo comiencen a ser una realidad. Como ejemplos, se pueden citar la fabricación de prototipos de transistores que aprovechan la gran movilidad de los electrones en grafeno para poder funcionar a muy altas frecuencias o la aplicación en futuras pantallas táctiles de materiales basados en grafeno.
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