La microscopía de fuerza atómica (AFM) es una de las técnicas microscópicas más versátiles y poderosas utilizadas para estudiar materiales en dimensiones a nanoescala.

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Dos de las principales ventajas de AFM son la capacidad de asegurar imágenes tridimensionales (3D) y medir diferentes tipos de superficies. Genera imágenes a una resolución de escala atómica con una preparación mínima de la muestra. Este artículo analiza los diversos aspectos de AFM, en particular los factores que afectan la resolución de las imágenes AFM.

AFM y Nanotecnología

AFM se usa comúnmente para describir nanopartículas, lo que incluye datos valiosos sobre sus propiedades cualitativas y cuantitativas. Por ejemplo, proporciona información sobre propiedades físicas (p. ej., morfología, textura superficial, rugosidad, etc.), así como tamaño, distribución de tamaño y área superficial de los nanomateriales.

Los científicos informaron que en el mismo examen se pueden distinguir varios nanomateriales de diferentes tamaños, es decir, que van desde 1 nanómetro hasta 8 micrómetros. Es importante destacar que AFM puede caracterizar los nanomateriales en múltiples medios, como el entorno controlado, el aire ambiental y la dispersión de líquidos. Esta técnica se utiliza para estudiar nanocompuestos en función de su distribución espacial con una topografía poco útil.

El procesamiento de imágenes basado en software de datos AFM proporciona datos cuantitativos sobre nanopartículas individuales. Los investigadores destacaron algunas de las ventajas de utilizar AFM para caracterizar nanopartículas sobre otros microscopios (p. ej., microscopio electrónico de barrido-SEM y microscopía electrónica de transmisión-TEM). Informan que AFM proporciona una resolución más alta con imágenes 3D, lo que ayuda a medir la altura de las nanopartículas.

Por el contrario, las imágenes SEM/TEM proporcionan imágenes 2D y, por lo tanto, tienen capacidades de cuantificación limitadas. Además, en comparación con los procesos SEM/TEM, AFM es fácil de operar, rentable y requiere relativamente menos espacio de laboratorio para la nanoimagen.

Factores que afectan las imágenes AFM

Un AFM generalmente está equipado con un voladizo que consiste en una sonda afilada que escanea la superficie de una muestra. El voladizo está hecho de silicio o nitruro de silicio, la curvatura del radio de su punta se mide con una nanoescala. En un extremo del voladizo, una viga está conectada a un actuador de desplazamiento piezoeléctrico, que está controlado por AFM. El otro extremo contiene la punta de la sonda que interactúa con la muestra.

Cuando la sonda está cerca de la superficie, experimenta una fuerza de atracción o repulsión debido a las interacciones de la superficie. Como resultado de la fuerza, el voladizo se desvía, lo que se mide con un rayo láser a través de un fotodiodo sensible a la posición (PSPD).

AFM representa la topografía de la muestra escaneando el voladizo sobre la muestra. El circuito de retroalimentación se usa para controlar la altura de la sonda sobre la superficie de la muestra y, por lo tanto, la posición del láser se mantiene constantemente, lo que ayuda a crear una imagen AF precisa. En resumen, cuando la punta de la sonda interactúa con la muestra, la muestra se deforma hasta que se produce un aumento del área de contacto. La cuantificación precisa de esta distorsión determina la precisión y confiabilidad de las imágenes AFM.

AFM opera en diferentes modos según la naturaleza de la interacción de la superficie de la sonda. Algunos modos incluyen el modo intermitente, el modo en línea y el modo fuera de línea. Como su nombre lo indica, en el modo de contacto, la punta de la sonda toca literalmente la superficie. En este modo, la interacción entre la punta y la superficie es repugnante. El modo sin conexión es el extremo opuesto. Sin embargo, en el modo de contacto discontinuo, el voladizo oscila verticalmente cerca de la superficie de la muestra.

La elección del modo de disparo es el principal determinante de la resolución de la imagen. Los investigadores informan que el uso de soluciones amortiguadoras acuosas es ideal para obtener imágenes de muestras porque ayuda a mantener las muestras biológicas en su estado original.

El entorno de vibración del instrumento AFM afecta la precisión de las imágenes verticales, ya que el voladizo se coloca verticalmente con respecto a la muestra. Sin embargo, la resolución de la imagen AFM, asociada con la posición en voladizo horizontal de la muestra, se ve afectada por el diámetro de la punta utilizada para escanear. En general, el instrumento AFM tiene una resolución vertical de menos de 0,1 nm y una resolución XY de aproximadamente 1 nm.

Genere imágenes AFM precisas

Para obtener imágenes AFM precisas, el desplazamiento axial de la fase piezoeléctrica debe calibrarse adecuadamente utilizando diferentes parámetros. Por ejemplo, la altura de la muestra se puede medir con precisión mediante la calibración AFM utilizando estándares de referencia de altura de paso. Los estándares de calibración de referencia contienen tres cuadrículas de calibración aprobadas por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST).

El modo de contacto discontinuo es adecuado para la caracterización de nanopartículas, que se unen a un sustrato a través de una fuerza física débil. Para obtener imágenes precisas, la amplitud de oscilación debe permanecer superior a 10 nm, idealmente entre 100 nm y 200 nm.

Varios estudios han demostrado que las características y dimensiones del voladizo y la punta de la sonda juegan un papel importante en la adquisición de imágenes AFM sensibles y de alta resolución. Por lo tanto, se deben tener en cuenta varias características al seleccionar un voladizo AFM para obtener imágenes. Algunas de las características clave incluyen el radio de la punta y la geometría de la sonda, ya que afectan la representación general de las características de la superficie. Los investigadores suelen utilizar puntas con un radio de menos de 10 nanómetros para obtener imágenes de nanopartículas.

Es importante tener un voladizo estable para disparar con éxito en el modo de contacto intermitente. La estabilidad del voladizo se puede mantener proporcionando una energía adecuada que pueda superar las fuerzas adhesivas entre la punta y la muestra. Los científicos informaron que la dureza del voladizo es de aproximadamente 40 Nm^-1 Se puede utilizar para superar los problemas de las fuerzas adhesivas.

Procesamiento de imágenes AFM

Una vez que se ha generado una imagen de AFM en tiempo real, se puede ver, modificar y analizar mediante el software proporcionado por el fabricante de AFM. Las imágenes AFM generalmente se aplanan linealmente para eliminar los efectos residuales del proceso de desarrollo de la imagen, como la deriva térmica y el escaneo no lineal.

La mayoría de los paquetes de software AFM proporcionan funciones de análisis de partículas automatizadas que contienen la determinación de la línea de sección transversal, lo que ayuda a medir la altura de las partículas en función de los datos de píxeles. Es importante analizar una serie de partículas, así como una partícula aislada para su caracterización.

Continuar leyendo: Guía para la preparación del modelo AFM.

Referencias y lecturas futuras

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