La posibilidad de llegar a observar átomos parecía imposible hasta no hace mucho tiempo con la invención del Microscopio de Efecto Túnel (STM).
En el año 2021 se celebró el 40º aniversario de la invención de esta innovadora herramienta; ocasión que aprovecharon varios investigadores del CSIC (Consejo Superior de Investigaciones Científicas) para producir un pequeño documental conmemorando este hecho tan importante para la ciencia. Además, sirvió también de homenaje a dos investigadores y profesores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM): José María Gómez Rodríguez y Juan José Sáenz Gutiérrez. Ambos, pioneros en el desarrollo de esta técnica en España y fallecidos en 2020.
Este documental es una iniciativa del Instituto de Micro y Nanotecnología (CSIC-IMN), el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC-ICMM) y la Delegación del CSIC en Madrid.
STM: entrando en el nanomundo
Heinrich Rohrer y Gerd Binning, investigadores del laboratorio de IBM en Zúrich, construyeron el primer Microscopio de Efecto Túnel (STM, por sus siglas en inglés Scanning Tunnelling Microscope); esta invención les convirtió en ganadores del Premio Nobel de Física en 1986.
El nanómetro es la unidad de longitud del Sistema Internacional de Unidades que equivale a una millonésima parte de un milímetro; es decir, algo nanométrico es 1000 veces más que pequeño que una micra; y ésta, a su vez, es 1000 veces más pequeña que un milímetro.
El STM está formado por una punta metálica muy afilada que se acerca a la superficie que se quiere estudiar a una distancia inferior a un nanómetro. De esta forma, los electrones saltan entre la punta y la muestra, dando lugar a la corriente de efecto túnel. Cuando la punta del microscopio se mueve lateralmente sobre la superficie del material que se pretende estudiar, va describiendo los perfiles que exponen cómo es esa muestra.
Con esta técnica, no solo se pueden obtener imágenes de las distintas superficies observadas, sino que éstas también se van a poder modificar a escala nanométrica.
El STM requiere trabajar in-situ al vacío o a muy baja temperatura (evitando la oxidación y la contaminación de la superficie).
AFM: mejorando la técnica
El STM permite visualizar, estudiar y manipular átomos, sin embargo, cuenta con una limitación: la muestra debe permitir la conducción de corriente eléctrica. Por este motivo, todos los materiales aislantes no pueden estudiarse a escala nanométrica a través de esta técnica.
La solución a este problema llegó con el Microscopio de Fuerzas Atómicas (AFM, por sus siglas en inglés Atomic Force Microscope).
Una punta muy afilada colocada en el extremo de una palanca va palpando la superficie de la muestra obteniendo un mapa topográfico en la nanoescala.
Gracias a este nuevo microscopio, las imágenes obtenidas pueden representarse en 3D con ayuda de un software. Además, este método es efectivo en condiciones ambientales (no requiere trabajar en vacío); y puede ser aplicado, tanto a materiales aislantes, como a semiconductores y conductores.
Todas las técnicas que se desarrollaron a partir de este descubrimiento se engloban bajo el nombre de Microscopías de Sonda de Barrido (SPM, por sus siglas en inglés Scanning Probe Microscopy).
Las SPM (llamadas así porque consisten en una sonda (punta) que “barre” la superficie de una muestra) o microscopías de proximidad, han sido fundamentales para la expansión de la nanotecnología y la observación del comportamiento de los átomos en la naturaleza, porque son la forma ideal de obtener información de un objeto.
40 años viendo átomos
A continuación, el documental completo dirigido por Agustina Asenjo, Pedro Serena y José Miguel García (investigadores científicos del ICMM y del IMN).
Las aplicaciones de las SPM
En el ámbito de las microscopías STM y AFM es fundamental la simulación de las nanoestructuras que se desean observar para entender mejor las señales (ya sean corrientes o fuerzas) que se detectan experimentalmente con estas herramientas que nos permiten observar el nanomundo.
Aunque los sistemas que se observan son relativamente pequeños (son nanométricos) están formados por cientos de miles de átomos de diferentes especies, interaccionando entre sí y con la punta que se usa como sonda tanto en el STM como en el AFM.
Resolver las ecuaciones dinámicas del sistema conjunto requiere aplicar métodos de Dinámica Molecular (cuántica o semiclásica, según el grado de aproximación deseado); que a su vez implica manejar algoritmos complejos que tienen en cuenta la dinámica de millones de variables (posiciones, velocidades, etc.).
Es aquí donde los sistemas basados en varias GPUs con miles de cores, como los que comercializa Azken Muga, permiten abordar el estudio de procesos dinámicos en nanosistemas complejos durante tiempos de varios nanosegundos.
“Estas herramientas nos han permitido entender diferentes cuestiones como la manera en la que determinadas proteínas (en particular anticuerpos) se adsorben* sobre superficies de grafeno, el material del siglo XXI; cómo funcionan ciertos biosensores inspirados en el AFM; determinar el código escondido en una secuencia de ADN; o desvelar la diferencia entre fricción estática o dinámica, por indicar algunos ejemplos”.
Pedro Serena, investigador científico del ICMM
*Adsorber es atraer y retener algo en la superficie de otro algo. Ej.: El imán adsorbió las virutas de hierro. Absorber es atraer y retener algo en el interior de otro algo. Ej.: La esponja absorbió el agua.
Fuente: CSIC