Mover los átomos con el microscopio de barrido de túneles (STM)

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Por Earl Boysen, Nancy C. Muir, Desiree Dudley, Christine Peterson

Lograr la visión ascendente de la nanotecnología (la capacidad de construir materiales mediante la manipulación de átomos) implica mover átomos y moléculas a lugares precisos. El STM (microscopio de barrido de túneles) tiene la capacidad de mover átomos en una superficie.

Una punta STM se estrecha a una punta afilada, idealmente compuesta de un solo átomo. Cuando la punta se acerca mucho a la superficie de la muestra, con una separación de aproximadamente 1 nm, se produce una corriente eléctrica (llamada corriente de túnel) entre la punta del STM y la muestra. La cantidad de corriente de túnel aumenta a medida que disminuye el espacio entre la punta y la superficie.

Este cambio en la corriente de túnel genera una imagen topográfica de la superficie. Si la punta del STM, mientras explora la superficie de la muestra, se encuentra con un átomo sentado en la superficie, la abertura se encoge y la corriente del túnel sube.

Debido a que la punta y la muestra no tienen contacto físico, los electrones tienen que hacer un túnel a través del espacio entre la punta y la muestra para producir una corriente eléctrica. Las reglas de la mecánica cuántica, que gobiernan el comportamiento de las partículas subatómicas, se aplican cuando se trabaja a esta pequeña escala, por lo que este movimiento de electrones a través de un hueco se denomina tunelización mecánica cuántica.

La punta de un microscopio de barrido de túneles.

Entonces, ¿cómo mueve un STM los átomos exactamente? Un físico llamado Johannes van der Waals descubrió una de las fuerzas más débiles que actúan sobre las moléculas y los átomos. Esta fuerza de van der Waals permite al STM mover átomos.

Para mover un átomo en particular a un punto diferente de la superficie de una muestra, coloque la punta STM por encima del átomo. A continuación, se baja la punta hasta el punto en que la fuerza de van der Waals es lo suficientemente fuerte como para hacer que el átomo se pegue a otro átomo en el extremo de la punta STM cuando se mueve más tarde.

Después de que el STM mueve el átomo al punto deseado, se levanta la punta del STM y el átomo permanece en su lugar. Alguna alma industriosa del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) lo intentó con átomos de cobalto en una superficie de cobre, moviendo los átomos de cobalto para formar el logotipo del NIST.

Crédito: Imagen cortesía del National Institute of StandardsCobalt atoms arreglada con un microscopio de barrido de túnel.

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