Factores que afectan las imágenes de microscopio de fuerza atómica
La microscopía de fuerza atómica (AFM) es una de las tecnologías microscópicas más versátiles y poderosas que se utilizan para estudiar materiales a nanoescala.
Crédito de la imagen: Elizaveta Galitckaia/Shutterstock.com
Dos de las principales ventajas de AFM son la capacidad de asegurar imágenes tridimensionales (3D) y medir varios tipos de superficies. Genera imágenes a una resolución de escala atómica con una preparación mínima de la muestra. Este artículo analiza los diferentes aspectos de AFM, especialmente los factores que afectan la precisión de las imágenes de AFM.
AFM y nanotecnología
AFM se usa comúnmente para caracterizar nanopartículas, lo que incluye datos valiosos relacionados con sus propiedades cualitativas y cuantitativas. Por ejemplo, proporciona información sobre las propiedades físicas (p. ej., morfología, textura superficial, rugosidad, etc.), así como el tamaño, la distribución del volumen y el área superficial de los nanomateriales.
Los científicos indicaron que varios nanomateriales de tamaño variable, es decir, de 1 nm a 8 μm, se pueden caracterizar en el mismo escaneo. Es importante destacar que AFM puede caracterizar nanomateriales en múltiples medios, como un entorno controlado, aire ambiental y dispersiones líquidas. Esta tecnología se utiliza para estudiar nanocompuestos en función de su distribución espacial con topografías que de otro modo no serían informativas.
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 otras microscopías (p. ej., microscopio electrónico de barrido-SEM y microscopio electrónico de transmisión-TEM). Dijeron que AFM proporciona una resolución más alta con imágenes en 3D, lo que ayuda a medir la altura de las nanopartículas.
Por el contrario, las imágenes SEM/TEM proporcionan imágenes bidimensionales y, por lo tanto, tienen capacidades limitadas de estimación cuantitativa. Además, en comparación con los procesos SEM/TEM, AFM es fácil de usar, rentable y requiere relativamente menos espacio de laboratorio para la obtención de imágenes a nanoescala.
Factores que afectan las imágenes AFM
Por lo general, el AFM está equipado con un voladizo que consta de una sonda puntiaguda que escanea la superficie de una muestra. El voladizo está hecho de silicio o nitruro de silicio, cuyo radio de curvatura de la punta se mide a escala nanométrica. En un extremo del voladizo, se fija una viga con un actuador de desplazamiento piezoeléctrico, que es controlado por el AFM. El otro extremo contiene la punta de la sonda que interactúa con la muestra.
Cuando la sonda está cerca de una superficie, experimenta una fuerza de atracción o repulsión debido a las interacciones de la superficie. Debido a la fuerza, el voladizo se desvía, lo que se mide usando un rayo láser a través de un fotodiodo sensible a la posición (PSPD).
El AFM crea imágenes de la topografía de la muestra escaneando el voladizo sobre la muestra. Se utiliza un circuito de retroalimentación 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 genera una imagen AFM precisa. En pocas palabras, cuando la punta de la sonda interactúa con la muestra, la muestra se deforma hasta que aumenta el área de contacto. La estimación precisa de esta deformación determina la resolución y confiabilidad de las imágenes AFM.
AFM opera en diferentes modos dependiendo de la naturaleza de la interacción sonda-superficie. Algunos de los modos incluyen modo de contacto intermitente, modo de contacto y modo sin contacto. Como sugiere el nombre, en el modo de contacto, la punta de la sonda literalmente entra en contacto con la superficie. En este modo, la interacción entre la punta y la superficie es repulsiva. El modo sin contacto es el extremo opuesto. Sin embargo, en el modo de contacto intermitente, el voladizo oscila perpendicularmente cerca de la superficie de la muestra.
La selección del modo de imagen es el factor determinante para la resolución de la imagen. Los investigadores dijeron que el uso de soluciones amortiguadoras acuosas es ideal para obtener imágenes de muestras porque ayuda a preservar las muestras biológicas en su estado nativo.
El entorno de vibración del instrumento AFM afecta la resolución de las imágenes verticales, donde el voladizo se coloca verticalmente a la muestra. Sin embargo, la resolución de la imagen AFM, asociada con la posición del voladizo horizontal con respecto a la muestra, se ve afectada por el diámetro de la punta utilizada para escanear. Generalmente, el instrumento AFM tiene una resolución vertical de menos de 0,1 nm y resoluciones XY de alrededor de 1 nm.
Generación de imágenes AFM precisas
Para obtener imágenes AFM precisas, los desplazamientos axiales de la etapa piezoeléctrica deben calibrarse adecuadamente utilizando diferentes estándares. Por ejemplo, el tono de una muestra se puede medir con precisión calibrando el AFM utilizando estándares de referencia de tono. Los estándares de calibración de referencia contienen tres cuadrículas de calibración, certificadas por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST).
El modo de contacto intermitente 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 la oscilación debe mantenerse por encima de 10 nm, e idealmente entre 100 nm y 200 nm.
Varios estudios han demostrado que las propiedades y dimensiones del voladizo y la punta de la sonda juegan un papel importante en la obtención de imágenes AFM sensibles y de alta resolución. Por lo tanto, se deben considerar varias características al seleccionar un voladizo AFM para la obtención de imágenes. Algunas de las características clave incluyen el radio de la punta y la geometría de la sonda, ya que esto afecta la representación general de las características de la superficie. Por lo general, los investigadores usan puntas con radios por debajo de 10 nm para obtener imágenes de nanopartículas.
Es importante tener voladizos estables para obtener imágenes exitosas en modo de contacto intermitente. La estabilidad en voladizo se puede mantener proporcionando la energía adecuada que pueda superar las fuerzas de adhesión entre la punta y la muestra. Los científicos han declarado que una rigidez en voladizo de alrededor de 40 Nm-1 se puede utilizar para superar problemas relacionados con las fuerzas de adhesión.
Procesamiento de imágenes AFM
Una vez que la imagen de AFM se genera en tiempo real, se puede ver, editar y analizar mediante el software proporcionado por el fabricante de AFM. Por lo general, las imágenes AFM se aplanan en línea 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 perfiles de líneas transversales, lo que ayuda a medir la altura de las partículas en función de los datos de píxeles. Es importante analizar un grupo de partículas, así como una sola partícula para la caracterización.
Siga leyendo: Guía de preparación de muestras de AFM.
Referencias y lecturas adicionales
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