Microscopios para ver los átomos. Efecto túnel. Microscopio de barrido.
Descripción
Búsqueda de información. ADA 2.1 Erick Alejandro Casanova Cortés Química 27 agosto 2015
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Índice: I ntroducción… ………………………………………….……………………………….1 1. M icroscopio túnel de barrido… ………………….……………………………………..2 a. Historia………………………………………………………………………….2 b. Efecto túnel…………………………………………………….……………….2 c. Microscopio con efecto túnel………………………………….……………….3 2. M icroscopio de fuerza atómica… …………………………………….………………..4 a. Historia………………………………………………………..………………...4 b. Funcionamiento de un AFM…………………………………………………...4 3. C onclusión………………………………………………………………………………5 4. R eferencias……………………………………………………………………………..6
Introducción. En el siguiente artículo se hará un breve recorrido acerca de dos microscopios capaces de ver cosas que a simple vista no se puede, ni con el uso de otros microscopios, los átomos. Dicho recorrido empezará desde los creadores de estos microscopios, luego se hará una explicación de funcionamiento y para concluir se elaborará una comparación de ambos microscopios viendo las principales diferencias, como sus ventajas o desventajas. Empezaremos con el microscopio túnel de barrido (abreviado STM) y luego el microscopio de fuerza atómica (AFM).
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Microscopio túnel de barrido (STM1 ) . Historia . Todo debe de empezar de alguna manera, y los microscopios STM no son la excepción, primeros nos situaremos en el año 1981 y junto a dos personas, Gerd Binning y Heinrich Rohrer, que gracias a sus estudios lograron desarrollar en IBM Zurich Research Laboratories (Suiza) un instrumento capaz de poder precisar la posición en que se encuentra cada átomo (esto también les hizo ganar un Nobel de Física cinco años después, las razones son muy obvias.) con el uso de superconductores y algo llamado efecto túnel.
Efecto túnel. Como nos decía Ivar Giaever (Nobel de Física en 1973 por su teoría del fenómeno de túnel en sólidos), imagínense a un niño lanzando una pelota de tenis hacia una albarrada, la pelota regresaría, ¿pero qué pasaría si en una de esas la pelota traspasa la albarrada y aparece del otro lado, sin singun hueco en la albarrada y la pelota tal y como estaba? La gente llamará a este evento un milagro, y pues los milagros sólo pasan una vez, no son repetibles en un laboratorio, mas no es así, lo que pasa es que hay que jugar con otros juguetes, en vez de usar una pelota de tenis, será un electrón y en vez de una albarrada, una muy muy delgada placa de metal.
Cuando un objeto cuántico es lanzado hacia una barrera, está lo repele mandandolo a su mismo punto, si la barrera es más delgada, más veces el objeto pasa a través
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N. del A. De sus siglas en inglés: Scanning Tunneling Microscope.
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de esta, por ende, mientras más delgada sea la barrera, más veces el objeto la atraviesa.
Microscopio con efecto túnel. Bueno sí, y la pregunta “ ¿Y todo esto qué tiene que ver con un microscopio?” . Ahora que conocemos cómo funciona el efecto túnel en los sólidos se no hará más sencillo el poder visualizar como funciona este aparato.
No es mentira que los metales están formados por átomos y electrones, por lo que si acercamos una punta de metal muy delgada cargada eléctricamente, esta rasgara los electrones por un efecto túnel y midiendo la cantidad de corriente eléctrica que pasa a través de la punta, podemos determinar en qué posición se encuentra cada átomo y aunque no los veamos realmente, gracias a otro efecto llamado piezoelectric se puede determinar con seguridad donde se encuentran los electrones.
El efecto piezoeléctrico es creado al aplastar los lados de algún cristal, ya sea cuarzo, titanato de bario o el titanato zirconato de plomo2 (usado en el microscopio STM) el cual se deforma y al agregarle un voltaje este se alarga o comprime dependiendo de la carga.
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N. del A. No estoy muy seguro si es su real traducción, todos los documentos que he visto están en inglés llamándolo lead zirconium titanate y no muestran su traducción.
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Microscopio de fuerza atómica (AFM3 ) .
Historia . Ahora nuestro personaje principal será el AFM, como el STM sólo podía
examinar
átomos
de
elementos
conductores
o
semiconductores, tres científicos se las trabajaron juntos para mejorar el antiguo invento de RohrerBinnig, entre los cuales se encontraba uno de los creadores de su antecesor, Gerb Binning, sólo que ahora estaba acompañado por Christoph Gerber (el de arriba a la derecha) y Calvin Quate (el de abajo de Gerber) en el año de 1985 (en el año que a RohrerBinnig les daban su premio Nobel).
Funcionamiento de un AFM. El funcionamiento de un microscopio de fuerza atómica no es más que aplicar dos fenómenos de la física en un microscopio, uno que dice que todo cuerpo ejerce una resistencia, por ejemplo, si alguien trata de mover una mesa, se va a necesitar cierta cantidad de fuerza para primero vencer a la resistencia y luego poder mover la mesa, otro ejemplo sería el simple hecho de estar parados, el suelo ejerce una resistencia en contra de nuestro peso, el otro es de la óptica llamada desviación, la combinación de ambos fenómenos hace posible el funcionamiento de un AFM.
En una explicación más exacta, lo que hace un AFM es presionar su punta hasta el punto en que toca el suelo y este empieza a generar resistencia, después de eso, la punta se empieza a mover de lado a lado, detectando cada alteración en la superficie y como la punta va siempre tocando el terreno, un cambio en esta hará que el ángulo incidente del láser cambie (lo cual hará por ende que el ángulo
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De sus siglas en inglés: Atomic Force Microscope.
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reflejado cambie) y una computadora grafique dicho cambio, lo cual nos dará la imagen de dicha superficie viéndola átomo por átomo.
Conclusión. Ya que conocemos cómo funcionan ambos microscopios hablaremos de sus desventajas o ventajas para concluir con una comparación. Primer punto, el AFM es capaz de analizar cualquier superficie a diferencia del STM que necesita que la superficie sea conductora o semiconductora. Segundo punto, el STM nunca toca la superficie a diferencia del AFM se la pasa tocando todo el tiempo. Tercer punto, el AFM no mide la corriente túnel a diferencia del STM que obviamente lo hace. Cuarto punto, queda claro que la calidad de imágenes generadas es mucho mejor en un AFM (inferior derecha)que en un STM (superior derecha). Quinto punto, a diferencia en cuanto a espacios de trabajo, el ASM necesita estar a un alto vacío, el AFM sólo necesita un líquido o un gas. Creo que con estos puntos podemos concluir que el AFM al tener mejores calidades de imágenes y no requerir estar al vacío es más funcional, y es por eso que se usa hoy en día para la fabricación de nanotecnología.
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Referencias. Información: Binnig, G., Rohrer, H., Gerber, C., & Weibel, E. (1982). Surface studies by scanning tunneling microscopy. Physical review letters , 49 (1), 57. Tersoff, J., & Hamann, D. (1983). Theory and application for the scanning tunneling microscope. Physical review letters , 50 (25), 1998. Binnig, G., & Rohrer, H. (1983). Scanning tunneling microscopy. Surface science, 126 (1), 236244. EdisonTechCenter . (2010). How Quantum Tunneling Works by Ivar Giaever [vídeo] disponible en https://www.youtube.com/watch?v=AJY8farPqdI Eigler, D. _. M., Lutz, C., & Rudge, W. (1991). An atomic switch realized with the scanning tunnelling microscope. 352 (6336), 600603. Binnig, G., Quate, C. F., & Gerber, C. (1986). Atomic force microscope. Physical review letters , 56 (9), 930. Binnig, G., Gerber, C., Stoll, E., Albrecht, T., & Quate, C. (1987). Atomic resolution with atomic force microscope. EPL (Europhysics Letters), 3 (12), 1281. Imágenes: http://www.livenano.org/wpcontent/uploads/2011/03/stm.jpg . http://www.nature.com/nnano/journal/v5/n12/images/nnano.2010.243f1.jpg . http://www.nanoscience.com/files/cache/3641ea2ea11d21c976f21a7a32b64923_f94.jpg . http://www03.ibm.com/ibm/history/ibm100/images/icp/O615894E37594U80/us__en_us__ibm100__scan ning_tunnel__microscope__400x269.jpg . http://authors.library.caltech.edu/5456/1/hrst.mit.edu/hrs/materials/public/Rohrer_closeup1_titled.jpg . http://authors.library.caltech.edu/5456/1/hrst.mit.edu/hrs/materials/public/Binnig_closeup2_titled.jpg . http://asci.aalto.fi/en/project_funding/thematic_research_programmes/pic1.jpg . http://physics.aalto.fi/wpcontent/uploads/2011/12/afmman.png . http://www.marcapropia.net/imagesblog/tunel2.jpg http://www.intechopen.com/source/html/39166/media/image4.png http://www.nobelprize.org/educational/physics/microscopes/scanning/images/stm1.gif http://www.aim2005.mtu.edu/planery/Christoph_Gerber.jpg http://www.aps.org/elementadmin/images/00_quate.jpg http://www.physics.ncsu.edu/wang/image/webpage%20designAFM.jpg http://www.nanoscience.com/files/7913/7106/6219/Atomic_Force_Microscopy.gif http://spiff.rit.edu/classes/phys314/lectures/stm/corral_top.gif http://www.nrel.gov/pv/measurements/images/photo_gap_si_sample.jpg
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