Manipulación a escala atómica con el STM
Por Carlos Díaz-Guerra
Uno de los grandes atractivos del microscopio de efecto túnel (STM, Nobel de Física de 1986) es su capacidad de manipular átomos sobre una superficie. Esto genera grandes expectativas tecnológicas y hace del STM un instrumento con el cual crear un nano-laboratorio en el cual investigar nuevos fenómenos físicos o comprobar predicciones teóricas. Como alguno de vosotros me comentó que estaba interesado en el tema, me he decidido a dedicar un post al asunto.
La manipulación atómica requiere generalmente superficies extremadamente limpias y una gran estabilidad de la corriente que fluye entre punta y muestra. Así, las condiciones ideales para dicha manipulación son: ultra alto vacío (UHV) y temperaturas criogénicas (normalmente inferiores a 10 K). No obstante, existen también ejemplos de manipulación a temperatura ambiente. Los procesos de manipulación atómica que pueden inducirse mediante un STM incluyen:
- Manipulación lateral: translación de átomos o moléculas sobre la superficie. Empleando las fuerzas atractivas o repulsivas que se establecen entre la punta del STM y los átomos adsorbidos sobre la superficie podemos empujar o tirar de dichos átomos.
- Manipulación vertical: transferencia reversible de átomos o moléculas entre la superficie y la punta del STM (empleando excitación electrónica o vibracional). Un caso particular es la desorción, en la que se eliminan átomos de la superficie que pasan al ambiente en el que estemos trabajando (aire, vacío…).
- Disociación: rotura de los enlaces de una molécula situada en la superficie.
- Síntesis: formación de nuevos enlaces entre dos moléculas.
Uno de los primeros ejemplos de manipulación atómica con el STM es el de Eigler y Schweizer, quienes desplazaron átomos de xenón (Xe) sobre una superficie de níquel hasta formar el logotipo de IBM. Primero se colocó la punta sobre el átomo elegido y después se acercó ésta hasta casi tocarlo. Posteriormente se arrastró el átomo a la posición elegida y finalmente se retiró la punta dejando el átomo de Xe en la superficie. Este proceso es debido a las fuerzas van der Waals que actúan entre la punta y el átomo, que proporcionan una pequeña fuerza de arrastre que es la que permite la manipulación observada. Posteriormente, Crommie y col. fabricaron un "corral cuántico" compuesto por 48 átomos de Fe dispuestos en un círculo de 14 nm de diámetro sobre una superficie de cobre. El proceso de fabricación y el resultado final lo podéis ver a continuación.
En el interior del corral se aprecia claramente un patrón de ondas estacionarias asociado a electrones en estados de superficie. En el centro parece haber un átomo, pero no es cierto. Se trata de un nodo del patrón de ondas estacionarias. Estas observaciones de STM resultaron estar en perfecto acuerdo con las predicciones mecano-cuánticas efectuadas para esta configuración de átomos. Más ejemplos de corrales cuánticos con diferentes formas y de dibujos hechos con un STM los podéis encontrar en la siguiente serie de imágenes. Si colocáis el puntero del ratón sobre ellas sabréis a que corresponden. Espero que os gusten….
Tags: corral cuántico, manipulación atómica, microscopio de efecto túnel, patrón de ondas estacionarias, STM
Sindicación
2007-03-24 a las 9.14 pm
esto no te enseña nada
2007-06-21 a las 1.14 pm
La primera vez que me mostraron un \’corral cuántico\’ fue en primero de carrera, en la asignatura de Física 2. Mi primera impresión fue : ¡¡Qué bonito quedan colocados los átomos¡¡¡ .., ni que decir tiene, que no tenía ni idea de lo que me estaban contando..
Ahora ya un poco más avanzados en el asunto, se entiende la idea.
Debo destacar, que lo principal,desde mi punto de vista,es que, una vez creado \’el corral cuántico\’, se pueden observar \’patrones de ondas estacionarias\’.
Y esto no es más que la demostración de que nuestros átomos se comportan como ondas y como partículas.. Y preguntémonos : ¿ por qué los átomos no son una cosa u otra , pero no las dos ? Difícil pregunta de respuesta también difícil.
Creo que esto de que las cosas no sean tan sencillas, por supuesto, nos da quebraderos de cabeza ( piensen en mecánica cuántica, asignatura bonita, pero también difícil…), pero también hay que pensar que no todo lo fácil es lo \’bonito\’, sino que hay cosas extremadamente complicadas de entender, pero a la vez, extremadamente maravillosas ( de esto, en la física : mil ejemplos : agujeros negros , teoría de cuerdas…y el tema que tratamos : dualidad onda-corpúsculo ).
Así que…no se desmotiven , las cosas no son fáciles, pero ..tampoco imposibles¡¡¡¡
http://www.unex.es/fisteor/andres/fisica_cuantica/stm.pdf
http://www.ucm.es/info/rsef/oef/downloads/tarragonateorica3.doc
http://es.encarta.msn.com/encyclopedia_961522101/Dualidad_onda-corp%C3%BAsculo.html
2007-10-23 a las 10.13 pm
La nanociencia, como es bien sabido, tiene como objeto abordar el límite de lo nanométrico e investigar la posibilidad de que podamos manipular no sólo moléculas nanométricas sino también átomos individuales. Según algunos científicos, la línea de investigación que espera llegar a este límite reduciendo sucesivamente, según la ley de Moore, el tamaño de los ‘dispositivos’ que manejamos hoy día, se conoce como la línea, o el enfoque, ‘top-down’ , es decir, de arriba abajo.
Sin embargo, con el descubrimiento del Microscopio Túnel por Binnig y Rohrer hacia el año 1980, aparece lo que ha venido en llamarse el enfoque ‘bottom-up’, por el cual se estudia cómo manipular sistemas cada vez más complejos, partiendo de átomos y moléculas elementales, con el fin de conformar sistemas funcionales moleculares que constituyan el núcleo.
Es cierto que si el invento del Microscopio Túnel (STM), y unos años más tarde del Microscopio de Fuerzas Atómicas (AFM) por Binnig y Quate, representa el comienzo de la nanociencia al poderse, por primera vez, ver átomos depositados en superficies, un trabajo fundamental de Eigler y Schweizer en el año 1990 abre definitivamente la era de la manipulación atómica y molecular.
Un mundo que desde el punto de vista científico es interesante al poder observar una manipulación de los átomos a un nivel microscópico y poder influir en la estructura de un elemento tras haber movido o cambiado los átomos de los que estaba compuesto. Pero desde el año 1990 la investigación ha ido avanzando y podemos encontrarnos con la presencia de nuevos mecanismos para llevar a cabo la manipulación de los átomos de un elemento.
www.invenia.es/oai:dialnet.unirioja.es:ART0000064709
www.investigacionyciencia.es
www.nanoproductos.com