p Pesquisadores da Universidade do Texas em Dallas criaram um microscópio de força atômica em um chip, reduzindo drasticamente o tamanho - e, esperançosamente, o preço - de um dispositivo de alta tecnologia comumente usado para caracterizar propriedades de materiais. p "Um microscópio de força atômica padrão é um grande, instrumento volumoso, com vários loops de controle, eletrônicos e amplificadores, "disse o Dr. Reza Moheimani, professor de engenharia mecânica na UT Dallas. "Conseguimos miniaturizar todos os componentes eletromecânicos em um único pequeno chip."

p Moheimani e seus colegas descrevem seu protótipo na edição deste mês da IEEE Journal of Microelectromechanical Systems .

p Um microscópio de força atômica (AFM) é uma ferramenta científica usada para criar imagens tridimensionais detalhadas das superfícies dos materiais, até a escala nanométrica - que é mais ou menos na escala de moléculas individuais.

p O projeto básico do AFM consiste em um pequeno cantilever, ou braço, que tem uma ponta afiada presa a uma extremidade. Conforme o aparelho varre para frente e para trás na superfície de uma amostra, ou a amostra se move sob ele, as forças interativas entre a amostra e a ponta fazem com que o cantilever se mova para cima e para baixo conforme a ponta segue os contornos da superfície. Esses movimentos são então traduzidos em uma imagem.

p "Um AFM é um microscópio que 'vê' uma espécie de superfície da mesma forma que uma pessoa com deficiência visual faria, tocando. Você pode obter uma resolução que está muito além do que um microscópio óptico pode alcançar, "disse Moheimani, que detém a Cadeira Distinta James Von Ehr em Ciência e Tecnologia na Escola de Engenharia e Ciência da Computação Erik Jonsson. "Ele pode capturar recursos que são muito, muito pequeno."

p A equipe da UT Dallas criou seu protótipo de AFM no chip usando uma abordagem de sistemas microeletromecânicos (MEMS).

p "Um exemplo clássico de tecnologia MEMS são os acelerômetros e giroscópios encontrados em smartphones, "disse o Dr. Anthony Fowler, um cientista pesquisador no Laboratório de Dinâmica e Controle de Nanosistemas de Moheimani e um dos co-autores do artigo. "Estes costumavam ser grandes, caro, dispositivos mecânicos, mas usando a tecnologia MEMS, acelerômetros encolheram em um único chip, que pode ser fabricado por apenas alguns dólares cada. "

p O AFM baseado em MEMS tem cerca de 1 centímetro quadrado de tamanho, ou um pouco menor que uma moeda. É anexado a uma pequena placa de circuito impresso, cerca de metade do tamanho de um cartão de crédito, que contém circuitos, sensores e outros componentes miniaturizados que controlam o movimento e outros aspectos do dispositivo.

p AFMs convencionais operam em vários modos. Alguns mapeiam as características de uma amostra, mantendo uma força constante conforme a ponta da sonda se arrasta pela superfície, enquanto outros o fazem mantendo uma distância constante entre os dois. "O problema de usar uma abordagem de altura constante é que a ponta está aplicando forças variáveis ​​em uma amostra o tempo todo, o que pode danificar uma amostra que é muito macia, "Fowler disse." Ou, se você estiver digitalizando uma superfície muito dura, você poderia desgastar a ponta, "

p O AFM baseado em MEMS opera em "modo de toque, "o que significa que o cantilever e a ponta oscilam para cima e para baixo perpendicularmente à amostra, e a ponta entra em contato alternadamente e depois se levanta da superfície. Conforme a sonda se move para frente e para trás em um material de amostra, um ciclo de feedback mantém a altura dessa oscilação, em última análise, criando uma imagem.

p "No modo de toque, conforme o cantilever oscilante se move ao longo da topografia da superfície, a amplitude da oscilação quer mudar à medida que interage com a amostra, "disse o Dr. Mohammad Maroufi, um associado de pesquisa em engenharia mecânica e co-autor do artigo. "Este dispositivo cria uma imagem mantendo a amplitude da oscilação."

p Como os AFMs convencionais requerem lasers e outros componentes grandes para operar, seu uso pode ser limitado. Eles também são caros.

p "Uma versão educacional pode custar cerca de US $ 30, 000 ou $ 40, 000, e um AFM em nível de laboratório pode custar US $ 500, 000 ou mais, "Moheimani disse." Nossa abordagem de MEMS ao projeto AFM tem o potencial de reduzir significativamente a complexidade e o custo do instrumento.

p "Um dos aspectos atraentes sobre MEMS é que você pode produzi-los em massa, construir centenas ou milhares deles de uma só vez, então o preço de cada chip seria de apenas alguns dólares. Como resultado, você pode oferecer todo o sistema AFM em miniatura por alguns milhares de dólares. "

p Um tamanho e preço reduzidos também poderiam expandir a utilidade dos AFMs além das aplicações científicas atuais.

p "Por exemplo, a indústria de semicondutores pode se beneficiar desses pequenos dispositivos, em particular as empresas que fabricam os wafers de silício a partir dos quais os chips de computador são feitos, "Moheimani disse." Com nossa tecnologia, você pode ter uma série de AFMs para caracterizar a superfície do wafer para encontrar micro-falhas antes do produto ser despachado. "O protótipo do laboratório é um dispositivo de primeira geração, Moheimani disse, e o grupo já está trabalhando em maneiras de melhorar e agilizar a fabricação do dispositivo.

p "Esta é uma daquelas tecnologias em que, como eles dizem, 'Se você construir, eles virão.' Prevemos encontrar muitos aplicativos conforme a tecnologia amadurece, "Moheimani disse.