A microscopia de força atômica (AFM) trouxe a resolução de imagem em escala atômica da microscopia de varredura por tunelamento, uma técnica que ganhou o Prêmio Nobel de Física, para superfícies não condutoras. Contudo, limitações permanecem ao tentar usar a técnica em sua forma mais sensível com amostras fotossensíveis em líquidos. Agora, pesquisadores da Universidade de Kanazawa mostram como superar essas restrições, conduzindo um cantilever de alguns micrômetros de tamanho em frequências megahertz com estabilidade e controle em líquido e sem potencialmente expor a amostra à luz.

Os microscópios de força atômica monitoram as forças em jogo entre uma superfície e uma ponta anexada a um cantilever para extrair informações sobre a topografia e composição da superfície. Ao oscilar o cantilever sobre a superfície em vez de arrastá-lo, a força das interações com o cantilever e a ponta pode ser inferida a partir de mudanças na amplitude de oscilação ou frequência de ressonância sem danificar a superfície.

Normalmente, um atuador piezo gera uma onda acústica que leva o cantilever a oscilar em sua frequência de ressonância. Contudo, esta abordagem está sujeita a contribuições espúrias para a ressonância dos componentes do dispositivo que liga o atuador ao cantilever. O impacto desses efeitos é maior para os cantiléveres mais sensíveis, que são pequenos e têm altas frequências de ressonância megahertz. As alternativas são fototérmicas, excitação eletrostática ou eletrostritiva do cantilever, mas se o material em estudo for fotossensível ou mantido em um líquido eletroquimicamente ativo, estes também têm desvantagens. Em vez disso, Takeshi Fukuma e colegas da Universidade de Kanazawa seguiram com uma abordagem de excitação magnética.

Os pesquisadores investigaram como implementar sua abordagem com três marcas de cantilever, que eles personalizaram adicionando uma conta magnética decorada com uma ponta de carbono em nanoescala. Eles então aplicaram um campo magnético alternado alimentando uma corrente AC em um minúsculo solenóide feito de um fio de 0,2 mm de diâmetro enrolado em torno de um cilindro de 3 mm de diâmetro.

Embora outros grupos tenham demonstrado anteriormente AFM dinâmico conduzido por excitação magnética, a abordagem mais uma vez apresenta problemas para pequenos cantiléveres. O loop de feedback para lidar com a latência do circuito e compensar a impedância dependente da frequência, de modo que o dispositivo cubra uma ampla largura de banda de frequência, não funciona tão bem em altas frequências. Em vez disso, os pesquisadores projetaram um circuito diferencial de malha aberta que alimenta uma tensão de bobina complexa proporcional à frequência e à tensão de entrada.

Para demonstrar a aplicabilidade de sua abordagem, eles mediram curvas de ressonância em cantiléver e a topografia em escala atômica de uma superfície de mica em solução salina tamponada com fosfato com vários cantiléveres personalizados, incluindo aqueles com frequência de ressonância de ordem megahertz.

Força atômica microscópica

A primeira imagem usando AFM foi relatada por Gerd Binnig, Calvin Quate e Christoph Gerber em 1986, cinco anos após o microscópio de tunelamento de varredura. A técnica é capaz de resolução em escala atômica e gera imagens medindo a força da soma de uma série de forças em jogo entre a ponta e a amostra, incluindo van der Waals e eletrostática.

AFM usa um cantilever com uma ponta minúscula anexada na extremidade. Para AFM estático, a ponta é arrastada sobre a superfície e a deflexão do cantilever é medida ou, a altura do cantilever é ajustada para manter uma deflexão constante. Em AFM dinâmico, onde o cantilever oscila em sua frequência de ressonância e bate na superfície com a ponta, o contato entre a ponta e a superfície está causando menos danos à amostra. É capaz de gerar imagens de alta sensibilidade sem fazer contato com a superfície em modo sem contato, monitorando o impacto das interações com a superfície na amplitude e frequência das oscilações do cantilever.

Além da excitação piezoelétrica e fototérmica do cantilever, as interações eletrostáticas e eletroestritivas podem ser usadas aplicando uma tensão de polarização entre a ponta e a superfície ou ambos os lados de um cantilever. Contudo, em muitos dos líquidos usados ​​para alojar as amostras, isso pode causar reações químicas descontroladas.

Malha fechada versus malha aberta com circuitos de diferenciação

Ao usar campos magnéticos para excitar oscilações no cantilever, o circuito que fornece corrente para a bobina solenóide precisa manter uma amplitude de corrente constante. Contudo, a impedância do circuito aumenta com a frequência, de modo que um sinal de tensão mais alta é necessário para manter uma amplitude de corrente constante. Isso geralmente é obtido com um ciclo de feedback, que converte a corrente da bobina em uma tensão e a compara com a tensão de entrada. Contudo, este loop de feedback torna-se instável em frequências megahertz.

No circuito de malha aberta usado em vez disso, a tensão de entrada é alimentada em um circuito de diferenciação que retorna uma tensão de bobina complexa que é proporcional à tensão de entrada e à frequência ( V _bobina =i ωV _no , Onde V _bobina é a tensão da bobina, V _no é a tensão de entrada e ω é a frequência.) Desta forma, a tensão da bobina escala automaticamente com a frequência, compensando as mudanças de impedância dependentes da frequência.