Analizar los materiales de forma exhaustiva para descubrir la aparición de defectos y sus posibles soluciones está en auge hoy en día, por ello, os presentamos una técnica de análisis, utilizada por nuestro equipo de ingeniería forense, que nos permitirá conocer con gran precisión la superficie de los materiales: la microscopía AFM

¡Descubre de que se trata en este post!

El origen de la microscopía AFM

El interés en la topografía de los materiales ha estado siempre presente en numerosas ramas de las ciencias, debido a que las propiedades superficiales de un material influyen directamente en su aplicabilidad.

Primero, la técnica AFM se presentó como una herramienta versátil, capaz de trabajar eficazmente en la ciencia de los materiales, desde el punto de vista químico, físico o biológico. Además, su importancia se incrementó al permitir realizar el estudio cuantitativo de la estructura tridimensional de la superficie y de sus propiedades tales como mecánicas, electrónicas, magnéticas y químicas. Asimismo, destacó su uso en ambientes de vacío o líquidos, permitiendo incluso evaluar los cambios en las propiedades superficiales de un material cuando está dándose una reacción química en su superficie.

Funcionamiento teórico de la microscopía AFM

A diferencia de otras técnicas de análisis como SEM o TEM que obtienen la señal mediante lentes óptica que interaccionan con electrones, utiliza una sonda de barrido, es decir, en realidad, analiza la superficie de la muestra punto por punto con una sonda fina, creando finalmente una imagen de todos los puntos medidos.

Esta sonda de medida, permite analizar las propiedades superficiales de la muestra con una alta resolución lateral y vertical. En conclusión, se ha demostrado que el AFM puede alcanzar una resolución vertical subnanométrica y una resolución lateral de pocos nanómetros, pudiendo crear una imagen de longitud del orden de 0,1 mm a menos de 1 nm. 

Aplicaciones de la microscopía AFM

Con un AFM, la topografía, y también los perfiles de casi cualquier superficie, se pueden medir con una resolución nanométrica. El instrumento se basa en su detección mecánica de la superficie con una punta muy fina y sirve para obtener imágenes y análisis espectroscópicos de una variedad de propiedades de superficies y materiales con resolución nanométrica.

También, actúa como el soporte para el desarrollo de los materiales de escala nanométrica, permitiendo su caracterización y comprensión. Por ello, el AFM tiene numerosas aplicaciones en diferentes ramas de la ciencia:

Química

Destaca uso en el análisis de las propiedades de una celda electroquímica donde está ocurriendo una reacción química. Gracias a la microscopia de fuerza atómica se puede llevar a cabo el seguimiento de una reacción a través, por ejemplo, del material depositado en un electrodo.

Ciencias de materiales

Cabe destacar su uso en la detección de defectos en pinturas. La rugosidad de una superficie sobre la que se ha aplicado un recubrimiento puede ser un indicador de la calidad del mismo. Por ello, el AFM es una herramienta muy eficaz en la detección de defectos superficiales.

Biofísica

Destaca el estudio de la mecánica celular mediante AFM. De la misma forma que hemos mencionado previamente en las aplicaciones de la química, se pueden estudiar procesos de mecánica de las células gracias a la detección de cambios de propiedades superficiales por AFM.

Microelectrónica

El AFM permite caracterizar semiconductores. Gracias a la alta sensibilidad de la microscopia de fuerza atómica, es posible evaluar la capacidad superficial de ciertos materiales cuando se hace pasar por ellos una corriente eléctrica.

Biología

Uno de los principales usos se da en el análisis de los entornos de células vivas, ya que el AFM nos permite evaluar con alta precisión el medio donde se encuentran células en sus diferentes etapas de diferenciación.

Uso de AFM para determinar las propiedades de la célula electroquímica

Estudio mecánico celular a través de AFM

Análisis de los entornos de célula vivas con la técnica AFM

Ventajas y desventajas de la microscopía AFM

La microscopía de fuerza atómica supuso un gran avance en el análisis de superficies, lo que permitió la investigación del mundo nanométrico. Sin embargo, su uso es muy específico y presenta algunas limitaciones. A continuación, veremos las ventajas y desventajas que ofrece esta técnica de análisis:

 

Principales ventajas de la microscopía de fuerza atómica 

  • Pude analizar materiales de cualquier naturaleza, independientemente de su conductividad eléctrica
  • Es posible realizar medidas en cualquier medio, ambiente, vacío o líquido
  • Obtiene medidas con una resolución vertical subnanométrica y una resolución lateral de pocos nanómetros
  • Realiza mapeados y perfiles de rugosidad en tres dimensiones
  • Permite el estudio de propiedades superficiales tales como adherencia, dureza, conductividad, eléctricas, magnéticas o de composición química

Desventajas de la microscopía de fuerza atómica

  • El tiempo requerido para medir grandes superficies es muy elevado ya que el área escaneada normalmente no supera los 150x150 mm, y la altura máxima es del orden de micras
  • La calidad de la imagen depende en gran medida de la geometría de la sonda
  • La velocidad de escaneo suele ser lenta en comparación con otro tipo de microscopía como la microscopia electrónica de barrido.

Caso de éxito utilizando la técnica AFM

Con el uso de la técnica AFM, es posible determinar información de la topografía de una superficie obteniendo imágenes y perfiles de la rugosidad de la superficie.

En primer lugar, los poros, según su tamaño, pueden ser detectados mediante esta técnica. En segundo lugar, se pueden observar defectos de la superficie y trazar su perfil. Un ejemplo claro es, conocer si el uso de un recubrimiento o coating modifica la rugosidad de un material pudiendo afectar posteriormente a su adhesión o apariencia estética.

En resumen, el análisis de la superficie de los materiales como herramienta de mejora de producto está de moda, y la microscopía de fuerza atómica puede ser el medio para estudiar y solucionar defectos que aparecen la superficie de cualquier material.

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