El mundo nanométrico siempre es fascinante, pero ¿te has parado a pensar cómo es posible manipular las nanopartículas? En este artículo descubrirás como es posible conseguirlo.
Desde que en 1959 el físico Richard Feynman pronunciase su famoso discurso “Hay mucho espacio al fondo” (“There is plenty of room at the bottom”, en inglés) en el Instituto de Tecnología de California, donde asentó las bases del campo científico que más tarde se conocería como Nanotecnología, cada vez son más los hallazgos y métodos que nos permiten “jugar” con los átomos, moléculas y en definitiva, nanopartículas.
La evolución de los microscopios ha sido muy importante para poder desarrollar este tipo de ciencia. La sustitución de la luz visible como fuente de luz en los microscopios, por un haz de electrones, permitió que a principios del siglo XX aparecieran los primeros microscopios electrónicos, revolucionando así el campo de los materiales, la biología y la física. E. Ruska y M. Knoll fueron los primeros en desarrollar microscopios de este tipo, en el que se emplean los electrones como sonda. La principal ventaja se debe a que la longitud de onda que emiten los electrones es mucho más pequeña que la emitida por la luz visible empleada en los microscopios ópticos. De este modo, se puede visualizar la superficie de una muestra a una escala nanométrica.
Pero no fue hasta hace aproximadamente 30 años, con el desarrollo de los denominados microscopios de barrido con sonda o SPM por sus siglas en inglés (Scanning Probe Microscopy), cuando surgió la verdadera herramienta que permitiría no solo ver, sino también interaccionar con las nanopartículas. Estos microscopios están compuestos por una sonda con una punta muy afilada (del rango de nanómetros), y un sistema de control del posicionamiento de esta sonda por toda la muestra, el cual, generalmente está compuesto por materiales piezoeléctricos con una elevada precisión. A su vez, todo se controla e integra por medio de un ordenador que contiene el software adecuado.
Cuando la sonda se acerca a la superficie de la muestra, se producen ciertas interacciones de origen cuántico entre ambos elementos. El grado de esta interacción dependerá de la distancia a la que se encuentren. Así, se podrá ir generando una especie de mapa topográfico de toda la superficie de la muestra observada.
A esta familia de microscopios, pertenecen los Microscopios de Efecto Túnel (STM, Scanning Tunneling Microscopy), el cual fue inventado por G. Binning y H. Rohrer (investigadores de la compañía IBM) en el año 1981. En estos microscopios se aplica un voltaje entre la punta de la sonda y la muestra, de forma que cuando la distancia a la que se encuentran es de un nanómetro, los electrones podrán saltar desde la muestra hasta la sonda o viceversa, dependiendo del sentido que tenga el voltaje aplicado, esto es lo que se conoce como efecto túnel. De este modo, según varíe la distancia entre ambos elementos, la corriente generada variará y esa será la información que se utilizará para reproducir la imagen.
Este tipo de microscopio no solo permite ver la superficie de la muestra, sino que nos permite interaccionar con ella. La única limitación que presentan estos microscopios es que los materiales deben de ser conductores, por lo que sería imposible obtener imágenes de muestras no conductoras, como son las muestras biológicas.
Para paliar esta limitación, un poco más tarde, en 1989, G. Binning creó el Microscopio de Fuerza Atómica (AFM, Atomic Foce Microscopy). El fundamento de este microscopio se basa en que conforme disminuye la distancia entre la sonda y la muestra, van aumentando las fuerzas atractivas entre ambos elementos, hasta llegar a una cierta distancia en la que las fuerzas se hacen repulsivas. De nuevo, la distancia será la encargada de la magnitud de la fuerza que se originará entre ambos elementos y será la base para establecer el mapa topográfico de la muestra. Las fuerzas que intervienen son de diversa naturaleza, entre ellas las fuerzas Van der Waals.
Diversos estudios han demostrado que las nanopartículas movidas por este método, lo hacen por un mecanismo de deslizamiento y no por rodadura. Además como es lógico, cuanto más simétrica sea su forma, menos complicado serán de desplazar. En definitiva, los microscopios de AFM ofrecen una amplia variedad de aplicaciones en torno al mundo de la nanotecnología, aunque aún queda mucho por desarrollar y mejorar esta técnica.
En los microscopios AFM, la sonda tiene una punta aún más afilada y en su extremo está unida a una especie de palanca. Esta permitirá que la sonda oscile, según el grado de las fuerzas de atracción-repulsión que se originen entre la punta de la sonda y la superficie de la muestra. La amplitud de la oscilación disminuye conforme se acerca a la superficie. En el otro lado de esa palanca, incide un rayo de luz láser, éste se refleja y es captado por un fotodetector. Esta pieza detecta las pequeñas variaciones que sufre el haz de luz incidente y generará el mapa de relieve de la muestra.
Los microscopios AFM se utilizan para obtener imágenes de alta resolución, pero también se ha comprobado que pueden emplearse para interactuar y manipular las superficies a escala nanométrica. Mediante la punta de la sonda, se puede mover mecánicamente las nanopartículas, como si se tratase de una mano robótica que guiara la posición de las mismas, controlado por un software específico de un ordenador.
