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Microscopio de Fuerza Atómica
Rivera Cieza Milton Fernando
Facultad de Procesos – Escuela de Ingenieria Metalurgica.UNSA
Av. Independencia. S/N – AREQUIPA-PERÙ
Gmail: [email protected]
Resumen:
— Este trabajo, se describe el principio físico de operación así como los diferentes modos de
operación del Microscopio de Fuerza Atómica AFM. Además, presentamos las imágenes
obtenidas de la caracterización de diferentes materiales como: polímeros, cerámicos, metales y
muestras biológicas para determinar sus propiedades físicas y conocer la morfología.
Abstract :
— In this work, we are describing the physical principle of operation and the different modes of
operation of Atomic Force Microscope AFM. Besides, we are presenting the results obtained in
the characterization of different materials as: polymers, ceramics, metals and biologic samples
for determining their physical properties and to know the morphology.
Palabras clave — AFM, Caracterización de materiales, Micrografía, Tapping.
PRINCIPIO FÍSICO DE OPERACIÓN
La técnica SPM proporciona imágenes tridimensionales en tiempo real, permitiendo
monitorear un área localizada para obtener las propiedades físicas de los materiales
simultáneamente.[1] Todos los SPM´s tienen 5 elementos fundamentales: la punta, el
escáner, el detector, el sistema de control electrónico y el sistema de aislamiento de
vibración, como se muestra en la Figura 1.[2-4] La punta se selecciona de acuerdo al
tipo de muestra y a las propiedades que se desean obtener; ésta puede ser de diferentes
materiales, las más comunes son de Nitruro de Silicio o de Silicio. El diseño del escáner
tiene forma de tubo y es de un material cerámico piezoeléctrico que cambia de
dimensiones como respuesta a un voltaje aplicado. Estos escáneres se caracterizan por
tener tres grados de libertad, expandiéndose en una dirección y contrayéndose en otra
como resultado del voltaje aplicado a sus electrodos. También se caracterizan por su
frecuencia de resonancia, su rango de barrido el cual depende del material
piezoeléctrico, sus dimensiones y el voltaje aplicado. El mayor intervalo de operación
de un escáner es de ≈100 micras en movimiento lateral y ≈10 micras en movimiento
vertical. Los sistemas de control y aislamiento de vibración son similares para la
mayoría de SPM´s.
La microscopia de fuerza de barrido (MFB) es hoy una técnica analítica bien establecida para el
estudio de la morfología superficial en la escala nanométrica. También es, junto con el
microscopio de túnel de barrido, la prueba de barrido más utilizada de la familia de los
microscopios. A pesar de que el MFB ha sido utilizado ampliamente en la investigación de
Ciencia de Materiales y Biología, su impacto no ha alcanzado los laboratorios de enseñanza.
Esto se debe al alto costo del típico MFB. Por un lado aquellas universidades investigadoras que
tienen uno o más, no los hacen accesibles a los estudiantes de Ciencias. Por otro, las
universidades más pequeñas o colegios pudieran no poder costear dicho sistema. Sin embargo,
debido al impacto que ha tenido en el campo de la Ciencia de los Materiales durante la última
década, es deseable que cualquier estudiante graduado en la Licenciatura de Ciencias entienda
los principios operativos del MFB.
APLICACIONES DEL AFM EN LA CIENCIA DE MATERIALES
La aplicación de las técnicas de SPM en la investigación de las propiedades (viscoelasticidad y
dureza) y la microestructura de los materiales permite obtener imágenes con resolución del
orden de los nanómetros. Además, estas técnicas proporcionan imágenes tridimensionales que
permiten cuantificar la profundidad y morfología de las muestras. Las Figuras 4 a 6 muestran
las micrografías que se obtuvieron con un Microscopio de Fuerza Atómica Nanoscope IV de
Digital Instruments en modo Tapping usando puntas de nitruro de silicio. En la Figura 4 se
muestran las micrografías de un polímero depositado en un sustrato de vidrio. La Figura 4. a)
proporciona información topográfica de la superficie conocida como su microestructura y las
mediciones de altura del depósito. En la Figura 4. b) se muestra la imagen de contraste de fases
para la misma muestra, la cual proporciona información cualitativa del grado de dureza de la
superficie. Las Figuras 5 a y b muestran las micrografías obtenidas de un cerámico que
corresponden a la imagen de contraste de fases y amplitud que proporcionan información acerca
de la homogeneidad y dureza de la superficie de la muestra. Las Figuras 6 a y b corresponden a
la imagen obtenida de una fibra de Nylon 6, 12 que proporcionan información morfológica y
dureza de la superficie de la muestra.
REFERENCIAS
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