Científicos rusos desarrollan una nueva configuración del microscopio de fuerza atómica para aplicarlo a nanotubos

Nanotubos de carbono. Imagen: MStroeck

Científicos rusos pudieron medir por primera vez las propiedades electromecánicas de los nanotubos de un diámetro mil veces menor al de un cabello humano. Para ello modificaron la configuración del microscopio de fuerza atómica para que la sonda de exploración no dañe la muestra durante el desplazamiento por la superficie. Los investigadores usaron este método perfeccionado para caracterizar las propiedades electromecánicas de los nanotubos peptídicos no unidos al sustrato. El estudio de sus propiedades es necesario para la creación de nuevos materiales biocompatibles y dispositivos en miniatura. Los resultados han sido publicados en la última edición de Ultramicroscopy.

Los materiales y dispositivos basados ​​en nanotubos tienen muchas aplicaciones: desde el diagnóstico y tratamiento de enfermedades hasta la creación de sistemas de refrigeración para la electrónica. Sin embargo, para obtener materiales con las características requeridas, es necesario estudiar en detalle las propiedades de los nanotubos y aprender a controlarlos. Para ello se usa la microscopía de fuerza atómica, basada en el escaneo de la superficie de la muestra con una sonda especial. La sonda es una aguja del tamaño de una punta de solo unas pocas milésimas de micra. Se mueve a lo largo de la muestra y registra la interacción de la fuerza punto por punto. En base a estos datos, la electrónica determina el relieve de la superficie, forma su imagen tridimensional y también rastrea las propiedades electromecánicas del objeto.

Con el método de escaneo convencional, la sonda contacta continuamente con la muestra y puede dañar severamente los nanotubos que no están unidos al sustrato. Para evitar daños, los investigadores de la Universidad ITMO (Rusia), la Universidad Estatal de Física y Tecnología de Moscú y la Universidad de Aveiro en Portugal, junto con colegas de la compañía NT-MDT Spectrum Instruments, modificaron la configuración del microscopio de fuerza atómica. La principal diferencia del método es que durante el escaneo la sonda se mueve al siguiente punto de medición por encima de la muestra sin contactarlo.

“Después de cada medición, la aguja se retira de la superficie, la muestra se desplaza ligeramente y la aguja desciende a un nuevo punto. No rasguñamos la superficie, sino que sondeamos suavemente desde arriba, y los objetos pequeños no comprometidos permanecen intactos. Para hacer esto, además de los algoritmos de medición, desarrollamos una electrónica de alta velocidad, que continuamente procesa en tiempo real la señal de interacción entre la aguja y la superficie”, explica Arseniy Kalinin, del departamento de desarrollo de NT-MDT Spectrum Instruments y autor principal del artículo.

Los científicos han utilizado este nuevo método para estudiar nanotubos a partir de péptidos. Los investigadores midieron simultáneamente la elasticidad de los nanotubos peptídicos y describieron cómo se comportan en un campo eléctrico. Como resultado, fue posible estudiar las propiedades mecánicas de los nanotubos e identificar en ellos una polarización espontánea, o un cambio de cargas positivas y negativas fuera del campo eléctrico. Además, los científicos por primera vez pudieron medir directamente la respuesta piezoeléctrica, es decir, una señal que caracteriza la propiedad de un objeto para variar su tamaño bajo la acción de un campo eléctrico.

"El efecto piezoeléctrico permite convertir una señal eléctrica en una mecánica y viceversa. Según este principio funcionan, por ejemplo, los micrófonos, los dispositivos de ultrasonido y los motores en miniatura en las lentes de las cámaras. Por lo general, las propiedades piezoeléctricas y la elasticidad se miden por separado. Con este nuevo método podemos medirlos simultáneamente sin destruir los objetos de estudio”, señala Kalinin.

Gracias a la polarización espontánea, los nanotubos peptídicos pueden usarse en dispositivos de refrigeración compactos. “Es imposible aumentar la velocidad de las computadoras sin un enfriamiento efectivo. Para ello se puede utilizar dispositivos compactos con el principio de funcionamiento, similar a un refrigerador convencional en el que se almacenan los productos. Si hacemos tales dispositivos a partir de nanotubos peptídicos, podemos reducir significativamente su tamaño. Nuestra tarea es estudiar las propiedades de los nanotubos de la mejor manera posible y aprender a usarlos de manera efectiva”, dice Alexánder Tselev, codirector del Laboratorio Internacional “Materiales y Estructuras para Convertidores de Energía Eléctrica”, ​​en la Universidad ITMO. 

En octubre de 2017, físicos de Francia y Hong Kong desarrollaron una configuración de un microscopio de fuerza atómica, que permite observar el movimiento de células vivas. Como sonda del microscopio se eligió una aguja larga parcialmente sumergida en líquido, y se usaron simultáneamente dos frecuencias de oscilación de la aguja. Usando el método propuesto, es posible obtener una imagen de mayor resolución en comparación con los métodos tradicionales de microscopía óptica, así como medir la dinámica de los cambios en las propiedades mecánicas de las células.

 

María Cervantes

Si te gustó esta noticia, entérate de más a través de nuestros canales de Facebook y Twitter

Suscríbete

Déjanos tu mail para recibir nuestro boletín de noticias

La confirmación ha sido enviada a tu correo.