Nuevo microscopio Quantum Dot muestra el potencial eléctrico de átomos individuales
Un equipo de investigadores de Jülich en cooperación con la Universidad de Magdeburgo ha desarrollado un nuevo método para medir los potenciales eléctricos de una muestra de precisión atómica. Utilizando métodos convencionales, era virtualmente imposible hasta ahora registrar cuantitativamente los potenciales eléctricos que ocurren en las inmediaciones de moléculas o átomos individuales. El nuevo método de microscopía de punto cuántico de barrido, presentado recientemente en la revista Nature Materials por científicos del Forschungszentrum Jülich junto con socios de otras dos instituciones, podría abrir nuevas oportunidades para la fabricación de chips o la caracterización de biomoléculas como el ADN.
Dr. Christian Wagner con un modelo de la molécula PTCDA, que sirve como punto cuántico.
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau
Imagen de un microscopio de barrido de túnel (STM, izquierda) y de un microscopio de barrido de punto cuántico (SQDM, derecha). Utilizando un microscopio de barrido de túnel, la estructura física de una superficie puede medirse a nivel atómico. La microscopía de punto cuántico puede visualizar los potenciales eléctricos de la superficie con un nivel de detalle similar, una combinación perfecta.
Copyright: Forschungszentrum Jülich / Christian Wagner
Los núcleos atómicos positivos y los electrones negativos de los que está compuesta toda la materia producen campos de potencial eléctrico que se superponen y compensan entre sí, incluso a distancias muy cortas. Los métodos convencionales no permiten mediciones cuantitativas de estos campos de área pequeña, que son responsables de muchas propiedades y funciones de los materiales en la nanoescala. Casi todos los métodos establecidos capaces de visualizar tales potenciales se basan en la medición de las fuerzas causadas por las cargas eléctricas. Sin embargo, estas fuerzas son difíciles de distinguir de otras fuerzas que ocurren en la nanoescala, lo que impide las mediciones cuantitativas.
Sin embargo, hace cuatro años, los científicos del Forschungszentrum Jülich descubrieron un método basado en un principio completamente diferente. La microscopía de punto cuántico consiste en unir una sola molécula orgánica - el "punto cuántico" - a la punta de un microscopio de fuerza atómica. Esta molécula sirve entonces como sonda. "La molécula es tan pequeña que podemos unir electrones individuales desde la punta del microscopio de fuerza atómica a la molécula de forma controlada", explica el Dr. Christian Wagner, jefe del grupo de Manipulación Mecánica Controlada de Moléculas del Instituto Peter Grünberg de Jülich (PGI-3).
Los investigadores reconocieron inmediatamente lo prometedor que era el método y presentaron una solicitud de patente. Sin embargo, la aplicación práctica todavía está muy lejos. "Inicialmente, fue simplemente un efecto sorprendente que fue limitado en su aplicabilidad. Todo eso ha cambiado ahora. No sólo podemos visualizar los campos eléctricos de los átomos y moléculas individuales, sino que también podemos cuantificarlos con precisión", explica Wagner. "Esto fue confirmado por una comparación con los cálculos teóricos realizados por nuestros colaboradores de Luxemburgo. Además, podemos visualizar grandes áreas de una muestra y así mostrar una variedad de nanoestructuras a la vez. Y sólo necesitamos una hora para una imagen detallada".
Los investigadores de Jülich pasaron años investigando el método y finalmente desarrollaron una teoría coherente. La razón de la gran nitidez de las imágenes es un efecto que permite que la punta del microscopio permanezca a una distancia relativamente grande de la muestra, aproximadamente 2-3 nanómetros - inimaginable para un microscopio de fuerza atómica normal.
En este contexto, es importante saber que todos los elementos de una muestra generan campos eléctricos que influyen en el punto cuántico y que, por lo tanto, pueden medirse. La punta del microscopio actúa como un escudo protector que amortigua los campos perturbadores de las áreas de la muestra que se encuentran más alejadas. "La influencia de los campos eléctricos blindados disminuye exponencialmente, y el punto cuántico sólo detecta el área circundante inmediata", explica Wagner. "Nuestra resolución es mucho más nítida de lo que podría esperarse de una sonda de punto ideal."
Los investigadores de Jülich deben a sus socios de la Universidad Otto von Guericke de Magdeburgo la rapidez con la que se puede medir toda la superficie de la muestra. Los ingenieros desarrollaron allí un controlador que ayudó a automatizar la compleja y repetida secuencia de escaneo de la muestra. "Un microscopio de fuerza atómica funciona un poco como un tocadiscos", dice Wagner. "La punta se mueve a través de la muestra y junta una imagen completa de la superficie. Sin embargo, en trabajos anteriores de microscopía de punto cuántico de barrido, tuvimos que movernos a un sitio individual de la muestra, medir un espectro, movernos al siguiente sitio, medir otro espectro, etc., para poder combinar estas mediciones en una sola imagen. Con el controlador de los ingenieros de Magdeburgo, ahora podemos simplemente escanear toda la superficie, igual que con un microscopio de fuerza atómica normal. Mientras que antes nos tomaba de 5 a 6 horas para una sola molécula, ahora podemos visualizar áreas de muestra con cientos de moléculas en sólo una hora".
Sin embargo, también hay algunas desventajas. La preparación de las mediciones requiere mucho tiempo y esfuerzo. La molécula que sirve como punto cuántico para la medición tiene que estar unida a la punta de antemano - y esto sólo es posible en un vacío a bajas temperaturas. Por el contrario, los microscopios de fuerza atómica normales también funcionan a temperatura ambiente, sin necesidad de vacío ni de preparaciones complicadas.
Sin embargo, el profesor Stefan Tautz, director de PGI-3, se muestra optimista: "Esto no tiene por qué limitar nuestras opciones. Nuestro método es todavía nuevo, y estamos entusiasmados con los primeros proyectos para poder mostrar lo que realmente puede hacer".
Los campos de aplicación de la microscopía de punto cuántico son múltiples. La electrónica de semiconductores está empujando los límites de la escala en áreas donde un solo átomo puede marcar la diferencia en cuanto a funcionalidad. La interacción electrostática también juega un papel importante en otros materiales funcionales, como los catalizadores. La caracterización de las biomoléculas es otra vía. Gracias a la distancia relativamente grande entre la punta y la muestra, el método también es adecuado para superficies ásperas, como la superficie de las moléculas de ADN, con su característica estructura tridimensional.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
"Quantitative imaging of electric surface potentials with single-atom sensitivity"; Christian Wagner, Matthew. F. B. Green, Michael Maiworm, Philipp Leinen, Taner Esat, Nicola Ferri, Niklas Friedrich, Rolf Findeisen, Alexandre Tkatchenko, Ruslan Temirov, F. Stefan Tautz; Nature Materials (published online 10 June 2019)
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