¿Se pueden ver los átomos?
Actualmente hay muchas formas de
ver o de medir “cosas” con resolución atómica, es decir de ver los átomos. En
esta ocasión vamos a fijarnos en una de ellas: el Microscopio de Efecto Túnel.
Este microscopio fue diseñado por Gerd Binning y Heinrich Röhrer y merecieron
por ello el Premio Nobel en el año 1986 (http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1986/).
Con este pequeño artículo queremos rendir un homenaje a Heinrich Röhrer
fallecido en mayo de este año.
El desarrollo del microscopio de
efecto túnel y posteriormente de todos los agrupados bajo la categoría de
Microscopias de Campo Cercano, han constituido una herramienta básica para el
estudio de los materiales en los últimos años. Es evidente que muchos de los
avances en el campo de la nanotecnología y la nanociencia no habrían sido
posibles sin el desarrollo de este instrumento, pero no sólo esta rama se ha
beneficiado de él. Aunque normalmente no nos demos cuenta de ello, la
superficie de los materiales es un elemento fundamental, y en muchos procesos
importantes juega un papel determinante. El microscopio de efecto túnel ha
permitido no sólo saber dónde y cómo están colocados los átomos en la
superficie, sino incluso moverlos.
Imágenes de los
átomos de una superficie de óxido de titanio y de la construcción de una
estructura que se conoce como corral cuántico, fabricada moviendo átomos de
hierro sobre una superficie de cobalto (imágenes extraídas de la página del
Instituto de Investigación en Nanociencia de Aragón, http://www.unizar.es/ina/equipos/microscopioSTM.htm)
En realidad el efecto túnel no es algo tan
distinto de lo que conocemos de la vida diaria… ¡Bueno, un poco distinto sí!
Cuando viajamos por una zona
montañosa, formada por muchas colinas y valles, si queremos ir de un valle a
otro, no hay más remedio que subir la montaña y luego bajar otra vez. Pero eso
es cansado, largo y a veces peligroso ¡imagina bajar por la pendiente de la
montaña de la imagen! Para hacer que los viajes sean más rápidos y cómodos se
hacen túneles que nos permiten atravesar las montañas fácilmente con un coche u
otro medio de transporte, o incluso andando. Pero hay túneles un poco
especiales por los que no se mueven coches ni trenes, sino partículas como los
electrones y que no están hechos para atravesar montañas, sino “capas de
material”, o “espacios vacíos”.
Empecemos por el principio. Los
materiales están hechos de átomos unidos unos a otros formando los materiales
sólidos tal como los vemos, nosotros no distinguimos los átomos porque son muy
pequeños, pero están ahí. Son tan pequeños que las leyes de la Naturaleza a las
que estamos acostumbrados en nuestro mundo, dejan de funcionar y empiezan a
pasar cosas nuevas o distintas.
Veamos un ejemplo. Imagina que tiras una pelota contra una pared, la pelota no puede atravesar la pared, rebotará y volverá a tus manos, a menos que la lances con suficiente energía como para que pueda saltar por encima.
Sin embargo si tirases la pelota contra una pared de un material frágil y no muy gordo o contra una ventana podría pasar otra cosa. Si tirásemos la pelota lo suficientemente fuerte podríamos atravesar la pared o ventana, aunque eso sí, rompiendo el cristal. ¡Pero si estuviéramos a escala atómica habríamos podido atravesar la pared sin romperla! Y a eso es a los que los físicos llaman “efecto túnel” Eso sí la pelota tendría que ser un electrón y la pared una lonchita de material muy muy pequeña.
Lo que hemos llamado efecto túnel
puede ocurrir también entre dos superficies metálicas separadas por una
distancia muy pequeña. Normalmente, los electrones no podrán abandonar el
material y saltar de una superficie a la otra, pero en algunas condiciones
podrán salvar esa distancia, y aparecer en la otra superficie.
Imagina que estás en el terreno montañoso del dibujo y para salir tienes que saltar y agarrar las asas de la parte de arriba. El terreno montañoso de abajo representa la superficie del material, con las montañas en el papel de los átomos. El muñeco es el electrón que tiene que conseguir atravesar la distancia entre las montañas y los valles y la punta de arriba, donde están las asas. Si el muñeco está en el valle, aunque salte, no llegará a alcanzar las asas, pero si está en la parte alta seguramente sí podrá.
Si estuviéramos mirando al
muñeco, cada vez que éste alcanzara las asas sabríamos que había saltado desde
un punto alto, por lo tanto podríamos hacer un esquema de dónde están
localizados los puntos más altos. Si la punta está enfrente de un valle, aunque
el muñeco salte no alcanzará, si está en la cima de la montaña con un pequeño
salto podrá alcanzar, y si está en un punto intermedio de la ladera, podrá
alcanzar las asas pero con mayor esfuerzo, saltando más.
El microscopio de efecto túnel
hace algo parecido. La punta se va moviendo muy cerca de la superficie que
estamos estudiando, pero sin rozar. Cuando los electrones de la superficie sean
capaces de atravesar el espacio entre la punta y a muestra, mediremos una
corriente eléctrica, pero esto sólo ocurrirá cuando la distancia de separación
entre la punta y la muestra sea lo suficientemente pequeña como para que se
produzca el efecto túnel. Si mantenemos la altura de la punta constante, los
cambios en la corriente que medimos estarán asociados a la topografía de la
muestra. También podríamos fijar la corriente que deseamos medir y dejar que la
aguja alcance la altura necesaria para que se produzca, en cualquiera de los
dos casos obtendríamos un mapa de la topografía de la superficie. Si la aguja
es suficientemente fina, seremos capaces de ver los átomos, ya que cuando la
punta esté justo enfrente de un átomo de la superficie será cuando pueda
producirse el efecto túnel de manera más eficiente, es decir tendremos una
corriente máxima. De esta forma podemos
ver la superficie de las cosas con gran detalle, en realidad hablamos de
resolución atómica, o sea que podemos distinguir los átomos que forman la
superficie. En el esquema de la parte derecha de la figura puedes ver a qué nos
referimos.
Mira cómo se parecen los dos
dibujos
En el siguiente enlace hay un
video muy cortito que ilustra el funcionamiento http://youtu.be/K64Tv2mK5h4
En el siguiente enlace puedes ver
una animación de imágenes tomadas con un microscopio túnel hasta alcanzar la
resolución atómica http://www.nano.geo.uni-muenchen.de/SW/images/zoom.html
Para explicar el efecto túnel con
más rigor tendríamos que recurrir a la naturaleza dual (onda-partícula) de las
partículas como los electrones. Aunque esta explicación está fuera del objetivo
de este artículo, sí podemos entrar con un poco más de detalle en el
funcionamiento del microscopio de efecto túnel. Hay una buena explicación en http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_t%C3%BAnel
para el efecto túnel y en http://es.wikipedia.org/wiki/Microscopio_de_efecto_t%C3%BAnel
para el microscopio de efecto túnel. También puedes mirar el blog de
divulgación http://lacienciaysusdemonios.com/2010/09/30/efecto-tunel-o-como-la-cuantica-se-rie-de-ti/.
No hay comentarios:
Publicar un comentario