Los microscopios de fuerza atómica AFM de última generación están diseñados para capturar imágenes de estructuras tan pequeñas como una fracción de nanómetro, un millón de veces más pequeñas que el ancho de un cabello humano. En los últimos años, las AFM hanprodujo primeros planos dignos de un escritorio de estructuras del tamaño de un átomo, desde cadenas individuales de ADN hasta enlaces de hidrógeno individuales entre moléculas.
Pero escanear estas imágenes es un proceso meticuloso y que requiere mucho tiempo. Por lo tanto, los AFM se han utilizado principalmente para obtener imágenes de muestras estáticas, ya que son demasiado lentos para capturar entornos activos y cambiantes.
Ahora los ingenieros del MIT han diseñado un microscopio de fuerza atómica que escanea imágenes 2.000 veces más rápido que los modelos comerciales existentes. Con este nuevo instrumento de alta velocidad, el equipo produjo imágenes de procesos químicos que tienen lugar en la nanoescala, a una velocidad cercanaa video en tiempo real.
En una demostración de las capacidades del instrumento, los investigadores escanearon una muestra de calcita de 70 por 70 micrones, ya que primero se sumergió en agua desionizada y luego se expuso al ácido sulfúrico. El equipo observó que el ácido se comía la calcita,expandiendo las fosas existentes del tamaño de un nanómetro en el material que se fusionó rápidamente y condujo a una eliminación capa por capa de calcita a lo largo del patrón de cristal del material, durante un período de varios segundos.
Kamal Youcef-Toumi, profesor de ingeniería mecánica en el MIT, dice que la sensibilidad y la velocidad del instrumento permitirán a los científicos ver que los procesos de tamaño atómico se reproducen como 'películas' de alta resolución.
"La gente puede ver, por ejemplo, condensación, nucleación, disolución o deposición de material, y cómo sucede esto en tiempo real, cosas que la gente nunca ha visto antes", dice Youcef-Toumi. "Esto es fantástico paraver estos detalles emergentes. Y se abrirán grandes oportunidades para explorar todo este mundo que está en la nanoescala ".
El diseño y las imágenes del grupo, que se basan en el trabajo de doctorado de Iman Soltani Bozchalooi, ahora un postdoc en el Departamento de Ingeniería Mecánica, se publican en la revista Ultramicroscopia .
El panorama general
Los microscopios de fuerza atómica generalmente escanean muestras usando una sonda o aguja ultrafina que se desliza a lo largo de la superficie de una muestra, trazando su topografía, de manera similar a cómo una persona ciega lee Braille. Las muestras se sientan en una plataforma móvil o escáner que se muevela muestra lateral y verticalmente debajo de la sonda. Debido a que los AFM escanean estructuras increíblemente pequeñas, los instrumentos tienen que trabajar lentamente, línea por línea, para evitar movimientos repentinos que puedan alterar la muestra o desenfocar la imagen. Tales microscopios convencionales típicamente escanean alrededor de unodos líneas por segundo
"Si la muestra es estática, está bien tomar de 8 a 10 minutos para obtener una imagen", dice Youcef-Toumi. "Pero si es algo que está cambiando, imagínese si comienza a escanear desde arriba muy lentamente.cada vez que llega al fondo, la muestra ha cambiado, por lo que la información en la imagen no es correcta, ya que se ha ampliado con el tiempo ".
Para acelerar el proceso de escaneo, los científicos han intentado construir plataformas más pequeñas y ágiles que escanean muestras más rápidamente, aunque sobre un área más pequeña. Bozchalooi dice que tales escáneres, aunque rápidos, no permiten que los científicos se alejen para ver unvista más amplia o estudio de características más grandes.
"Es como si aterrizaras en algún lugar de los Estados Unidos y no tienes idea de dónde aterrizas, y te dicen donde aterrizas, solo puedes mirar unas pocas cuadras y hasta una altura limitada"Bozchalooi dice: "No hay forma de obtener una imagen más grande".
Escaneo en sincronía
Bozchalooi ideó un diseño para permitir el escaneo a alta velocidad en rangos grandes y pequeños. La principal innovación se centra en un escáner multiactuado y su control: una plataforma de muestra incorpora un escáner más pequeño y más rápido, así como un escáner más grande y más lentopara cada dirección, que funcionan juntas como un solo sistema para escanear una amplia región tridimensional a alta velocidad.
Se han bloqueado otros intentos de escáneres multiactuados, principalmente debido a las interacciones entre los escáneres: el movimiento de un escáner puede afectar la precisión y el movimiento del otro. Los investigadores también han descubierto que es difícil controlar cada escáner por separado y llevarlos atrabaje con cualquier otro componente de un microscopio. Para escanear cada nueva muestra, Bozchalooi dice que un científico necesitaría hacer múltiples ajustes y ajustes a múltiples componentes en el instrumento.
Para simplificar el uso del instrumento multiactuado, Bozchalooi desarrolló algoritmos de control que tienen en cuenta el efecto de un escáner en el otro.
"Nuestro controlador puede mover el escáner pequeño de una manera que no excita al escáner grande, porque sabemos qué tipo de movimiento activa este escáner y viceversa", dice Bozchalooi. "Al final, sontrabajando en sincronía, así que desde la perspectiva del científico, este escáner parece un escáner único, de alta velocidad y gran alcance que no agrega complejidad al funcionamiento del instrumento ".
Después de optimizar otros componentes en el microscopio, como la óptica, la instrumentación y los sistemas de adquisición de datos, el equipo descubrió que el instrumento podía escanear una muestra de calcita hacia adelante y hacia atrás, sin dañar la sonda o la muestra.el microscopio escanea una muestra más rápido que 2,000 hertz, o 4,000 líneas por segundo - 2,000 veces más rápido que los AFM comerciales existentes. Esto se traduce en aproximadamente ocho a 10 cuadros por segundo. Bozchalooi dice que el instrumento no tiene límite en el rango de imagen y para una sonda máximavelocidad, puede escanear cientos de micras, así como características de imagen que tienen varias micras de altura.
"Queremos ir al video real, que es de al menos 30 cuadros por segundo", dice Youcef-Toumi. "Espero que podamos trabajar en mejorar el instrumento y los controles para que podamos tomar imágenes de video mientras mantenemos su gran tamañoalcance y mantenerlo fácil de usar. Eso sería algo genial de ver ".
Esta investigación fue apoyada, en parte, por el Centro de Agua Limpia y Energía Limpia del MIT y KFUPM, y por National Instruments.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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