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 con precisión atómica. Utilizando métodos convencionales, hasta ahora era prácticamente imposible registrar cuantitativamente los potenciales eléctricos que ocurrenen la vecindad inmediata de moléculas o átomos individuales. El nuevo método de microscopía de escaneo de puntos cuánticos, que se presentó recientemente en la revista Materiales de la naturaleza por científicos de 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.
Los núcleos atómicos positivos y los electrones negativos en los que se compone toda la materia producen campos de potencial eléctrico que se superponen y se 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 muchospropiedades y funciones de los materiales en la nanoescala. Casi todos los métodos establecidos capaces de obtener imágenes de tales potenciales se basan en la medición de fuerzas causadas por cargas eléctricas. Sin embargo, estas fuerzas son difíciles de distinguir de otras fuerzas que ocurren en la nanoescala, lo que impidemediciones.
Hace cuatro años, sin embargo, los científicos de Forschungszentrum Jülich descubrieron un método basado en un principio completamente diferente. El escaneo de la microscopía de puntos cuánticos implica unir una sola molécula orgánica, el "punto cuántico", a la punta de un microscopio de fuerza atómica.Esta molécula luego sirve como sonda. "La molécula es tan pequeña que podemos unir electrones individuales desde la punta del microscopio de fuerza atómica a la molécula de manera controlada", explica el Dr. Christian Wagner, jefe de la Manipulación Mecánica Controlada deGrupo de moléculas en el Instituto Peter Grünberg de Jülich PGI-3.
Los investigadores reconocieron de inmediato cuán prometedor era el método y presentaron una solicitud de patente. Sin embargo, la aplicación práctica aún estaba muy lejos. "Inicialmente, fue simplemente un efecto sorprendente que fue limitado en su aplicabilidad. Todo eso ha cambiado ahora."No solo podemos visualizar los campos eléctricos de átomos y moléculas individuales, también podemos cuantificarlos con precisión", explica Wagner. "Esto fue confirmado por una comparación con cálculos teóricos realizados por nuestros colaboradores de Luxemburgo. Además, podemos obtener imágenes de grandes áreasde una muestra y así mostrar una variedad de nanoestructuras a la vez. Y solo necesitamos una hora para obtener una imagen detallada "
Los investigadores de Jülich pasaron años investigando el método y finalmente desarrollaron una teoría coherente. La razón de las imágenes muy nítidas 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, por lo tanto, se pueden medir. La punta del microscopio actúa como un escudo protector que amortigua los campos disruptivos de las áreas de la muestra queestán más lejos ". Por lo tanto, la influencia de los campos eléctricos protegidos disminuye exponencialmente, y el punto cuántico solo detecta el área circundante inmediata", explica Wagner. "Nuestra resolución es mucho más nítida de lo que podría esperarse incluso con una sonda puntual ideal".
Los investigadores de Jülich deben la velocidad a la que se puede medir la superficie completa de la muestra a sus socios de la Universidad de Otto von Guericke Magdeburg. Los ingenieros desarrollaron un controlador que ayudó a automatizar la secuencia compleja y repetida de escaneo de la muestra ". Una fuerza atómicael microscopio funciona un poco como un reproductor de discos ", dice Wagner." La punta se mueve a través de la muestra y junta una imagen completa de la superficie. Sin embargo, en el trabajo previo de microscopía de puntos cuánticos de escaneo, tuvimos que movernos a un sitio individual en elmuestrear, medir un espectro, pasar al siguiente sitio, medir otro espectro, y así sucesivamente, para combinar estas medidas en una sola imagen. Con el controlador de ingenieros de Magdeburg, ahora podemos simplemente escanear toda la superficie, al igual que usarun microscopio de fuerza atómica normal. Aunque solía llevarnos de 5 a 6 horas para una sola molécula, ahora podemos obtener imágenes de áreas de muestra con cientos de moléculas en solo 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 solo es posible en el vacíoa bajas temperaturas. Por el contrario, los microscopios normales de fuerza atómica también funcionan a temperatura ambiente, sin necesidad de vacío o preparaciones complicadas.
Y, sin embargo, el Prof. Stefan Tautz, director de PGI-3, es optimista: "Esto no tiene que limitar nuestras opciones. Nuestro método aún es nuevo y estamos entusiasmados con los primeros proyectos para que podamos mostrar lo que puederealmente."
Existen muchos campos de aplicación para la microscopía de puntos cuánticos. La electrónica de semiconductores está empujando los límites de escala en áreas donde un solo átomo puede marcar la diferencia en la funcionalidad. La interacción electrostática también juega un papel importante en otros materiales funcionales, como los catalizadores. La caracterizaciónde biomoléculas es otra vía. Gracias a la distancia relativamente grande entre la punta y la muestra, el método también es adecuado para superficies rugosas, como la superficie de las moléculas de ADN, con su característica estructura 3D.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Forschungszentrum Juelich . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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