AFM: viendo enlaces atómicos
Por Gurkhy
En 1981 en los laboratorios de IBN en Zürich, Gerd Binning y Heinrich Rohrer desarrollaron el microscopio de efecto túnel (STM), recibiendo en 1986 el Premio nobel de Física. Ese mismo año, en 1986, el mismo equipo inventó el Microscopio de Fuerzas Atómicas (AFM): se abrió la puerta al mundo en la nanoescala.
Se podían ver átomos. Uno a uno.
El término microscopio no es muy adecuado aquí. Para poder observar muestras a escala atómica, sean éstas conductoras o no, es necesario contar con la ayuda de un sistema piezoeléctrico muy preciso al que está adherido un "cantilever" (barra flexionable de tamaño nanométrico) que a su vez tiene en el extremo una punta muy afilada, tanto como sea posible (y en verdad es muy posible afilar puntas hasta muy pocos átomos en el extremo). Se acerca la punta muy poco a poco hacia la muestra, de manera controlada con el piezoeléctrico, y en el momento justo de contacto dejan de existir punta y muestra y lo que ocurre es una interacción entre átomos de la punta y átomos de la superficie. De hecho la mayor parte de la fuerza de atracción (fuerza atómica) ocurrirá entre los dos átomos más cercanos, de modo que la precisión es asombrosa. El AFM se ha desarrollado para medir diferentes propiedades del material: densidad, dureza, fricción, rugosidad, magnetismo, etc.
Y el 28 de agosto, hace menos de un mes aparece en la prestigiosa revista Science un artículo que asegura poder ver la estructura química del pentaceno, una molécula orgánica bien conocida. ¿Qué tiene de novedad? ¿Qué hace diferente esta investigación si hace más de veinte años que podemos "ver" átomos?
Los investigadores de esta revista también vienen de los laboratorios de IBM en Zürich, y esta vez aseguran ver el enlace químico.
¿Qué es el enlace químico? Básicamente un intercambio de eletrones entre átomos. ¿Es un palitroque que une moléculas? ¿se puede ver? Realmente no, no es más que vacío, con una densidad electrónica distribuida de una manera concreta: los electrones se encuentran más a menudo en una zona que en otra, produciendo una fuerza eléctrica que une los átomos, en función de su electronegatividad, o tendencia a atraer átomos para formar estructuras más estables. ¿Y cómo se puede ver? Básicamente con un AFM, pero preparando la punta a conciencia (esto es realmente difícil: existen métodos de ataque químico muy controlados y métodos de litografía que se están desarrollando poco a poco), conociendo muy bien su forma (para ello es necesario estudiar su morfología con microscopios de barrido de electrones, SEM, pero teniendo cuidado de no estropear la afilada punta con los propios electrones…) y haciendo muchas simulaciones teniendo en cuenta las fuerzas que realmente ocurren cuando se usa este aparato: atracción electrostática, fuerzas de Van der Waals y fuerzas repulsivas de Pauli. Las fuerzas que predominan son las fuerzas electrostáticas entre los átomos que queremos ver y el átomo de la punta.
¿Pero qué ocurre si lo que queremos ver no son átomos sino el enlace químico? Entonces las simulaciones tienen que hacerse de manera muy astuta y las mediciones han de ver lo que no se puede ver: hay que estudiar las pequeñas variaciones que ocurren cuando la punta abandona un átomo para medir el siguiente, y en su camino se encuentra (o no) con los electrones del enlace, que "suelen estar" más en ciertas zonas.
Parece un pequeño avance, pues no es más que un refinamiento del AFM, viejo conocido, pero la capacidad de "ver" el enlace químico de una molécula abre nuevas puertas al entendimiento del complejo mundo de la interacción entre las moléculas con las superficies: biomateriales funcionales, conductores orgánicos, detalles íntimos de reacciones químicas y catálisis, etc. Todo ello meritorio de un gran premio cientifico: la publicación en una prestigiosa revista.
Links de interés:
Blog del anuncio de este descubrimiento:
http://cnho.wordpress.com/2009/08/29/espectacular-imagen-de-una-molecula/
Artículo original en la revista Science: http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/325/5944/1110
Gross, L. et al., The Chemical Structure of a Molecule Resolved by Atomic Force Microscopy, Science, 325, pp. 1110 – 1114 (2009). DOI: 10.1126/science.1176210
Simuladores de AFM, unos applets muy instructivos:
http://www.nanoscience.com/education/software.html
Web con imágenes 3-D de muestras estudiadas y puntas de AFM:
http://www.nccr-nano.org/nccr/media/gallery
Tags: cantilever, enlace químico, Fuerza Atómica, STM
Sindicación
