22/05/2015 Olhar Nano - Entenda a microscopia de fora atmica (AFM)

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25JUN ENTENDA A MICROSCOPIA DE FORA ATMICA (AFM)

O Olhar Nano j publicou uma rtigo que trata das diferenas entre os dois principais tipos de

microscpio eletrnico: o microscpio eletrnico de transmisso (MET) e o microscpio

eletrnico de varredura (MEV). Para conhecer suas diferenas, clique aqui. Nesse artigo,

trataremos de um outro tipo de microscpia, a microscopia de varredura por sonda

(SPM, do ingls scanning probe microscopy).

As tcnicas de SPM surgiram em 1982, com a publicao de um artigo na Physical Review

Letters; os autores, Gerd Binnnig e Henrich Roher (Na poca funcionrios da IBM),

ganharam o prmio Nobel de Fsica em 1986, graas inveno. A SPM possui diversas

vantagens, como possibilidade de analisar amostras biolgicas, trabalhar com amostras em

meio lquido ou em ar, possibilidade de mapeamento de propriedades eltricas, magnticas,

pticas, adesivas e com resoluo que podem chegar at a escala atmica. Alm disso essa

tcnica tambm pode ser utilizada para manipular tomos individuais (Nanomanipulao).

Princpio bsico

Nos microscpios de varredura por sonda, no existem lentes que focalizam a luz ou feixe de

eltrons como nos microscpios pticos e eletrnicos, respectivamente. Ao invs disso, uma

sonda colocada em contato com a amostra e se movimenta varrendo toda a superfcie

estudada, enviando os dados a um computador que constri ento a imagem da topogrfica da

amostra. Numa analogia didtica, isso pode ser compreendido como um cego lendo um texto

em Braille ; embora ele no capte a luz diretamente, capaz de colocar seu dedo em contato

com as letras (Que possuem um pequeno relevo) e dessa forma perceber as nuances de cada

smbolo, de maneira que seu crebro capaz de converter essa informao nos smbolos

lingusticos. Veja a Figura 1 para entender melhor essa comparao:

Figura 1. Um cego capaz de ler as palavras mesmo sem enxerg-las opticamente; ao invs disso, ele varre

as linhas com a ponta do dedo e detecta variaes no relevo que codificam (Atravs do mtodo de Braille) as

letras, nmeros e outros smbolos

No caso do microscpio, a sonda constituda por um conjunto haste-agulha.

Na microscopia de fora atmica (AFM, do ingls, atmic force microscopy), o conjunto

haste-agulha (Chamado cantilever) utilizado na varredura e est associado a uma pequena

mola. Quando a agulha passa pela amostra, o conjunto sofre uma pequena deformao em

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funo da fora entre os tomos da ponta da agulha e os tomos da amostra. Essa deformao

ento pode ser medida com um sensor ptico que equipa o microscpio (Veja Figura 2) e os

dados da magnitude da deformao so utilizados pelo computador para construir uma imagem

tridimensional da superfcie da amostra.

Figura 2. O cantiveler sobre deformao ao varrer a amostra e essa deformao meida por um sensor ptico

que faz uso de um feixe de laser

Com utilizao de sondas especficas, pode-se estudar outras propriedades da amostra,

como a microscopia de fora magntica (MFM), microscopia de varredura trmica

(SThM), etc. A Tabela 1 fornece alguns exemplos:

SPM Interaes Resoluo Aplicaes

AFM Van der Waals, eletrostticas 1 A qualquer superfcie

MFM Magnticas 250 A superfcies magnticas

STM Eltron-eltron 0,1 A superfcies condutoras

NSOM Eletrodinmicas 500 A espectroscopia

SThM Fonons 500 A adsoro fototrmica

SICM Correntes inicas 1000 A canais inicos

SCM Eletrostticas 10 A medidas de capacitncia

Tabela 1. Resoluo e aplicaes das famlias de SPM

Voltando ao AFM, conforme a agulha presa ao cantilever passa pela superfcie da amostra,

variaes topogrficas (De relevo) induzem a deformaes, conforme f dito anteriormente, que

podem ser detectadas pelo sensor e utilizadas para construo da imagem. Uma das exigncias

que o sistema possua uma constante elstica baixa (Aproximadamente 10 N/m); assim, ele

pode deformar-se sem danificar a superfcie da amostra, levando a resultados falsos na

construo da imagem. Alm disso deve-se ter em mete que a natureza das foras (Atrativa ou

repulsiva, de Van der Waals ou Coulombianas) depende da distncia entre os tomos da ponta

da agulha e os tomos da amostra, que varia de acordo com os picos e vales nanomtricos

da superfcie. A Figura 3 mostra uma imagem obtida atravs de AFM, onde possvel ver

claramente a superfcie rugosa da amostra:

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Figura 3. Exemplo de imagem obtida atravs de microscopia de fora atmica

Modos de operao do AFM

Basicamente, um AFM pode ser operado em dois modos: contato e no-contato. No modo

contato, a fora exercida pelo ponta do AFM calculada atravs do produto da deformao da

base pela constante elstica:

F = K.Z

Onde F a fora, K a constante elstica e Z a deformao da base do cantilever.

J no modo no-contato, a agulha varre a amostra a uma distncia minscula (Entre 10 e

100 nm), suficiente para que esteja sujeita a foras de Van der Waals e de dipolo magntico,

mas sem tocar a amostra. Nesse caso a medida feita atravs de outro artifcio; o sistema

colocado para vibrar atravs da atuao de um cristal piezoeltrico e conforme fica sujeito s

foras citadas acima, a frequncia de oscilao se modifica. Atravs da variao da frequncia

de oscilao, possvel calcular a nova constante elstica do sistema e ento calcular as

foras a que o sistema est sujeito. esse modo possui maior sensibilidade e melhor relao

sinal/rudo.

Outros modos de operao incluem o modo contato intermitente (Um intermedirio entre os

dois modos descritos acima), o modo de fora lateral, o modo de fora qumica, o modo

de fora modulada, modo de fora eltrica, etc.

Aplicaes

A microscopia de fora atmica vem sendo muito aplicada no estudo de polmeros, sendo um

dos principais mtodos para caracterizao topogrfica desses materiais, permitindo tambm

estudos de desgaste microscpico de embalagens e filmes, peas de veculos, etc. Estudos

tribolgicos e de condutividade em polmeros tambm podem ser conduzidos.

A porosidade de membranas polimricas tambm uma importante aplicao da AFM, pois

essa tcnica permite revelear variaes morfolgicas dos poros. Essa informao muito til

para interpretar diferenas nas propriedades de transporte de membranas distintas.

O estudo de estruturas biolgicas atravs da AFM tambm comum. Essa tcnica vem sendo

utilizada para estudar DNA e RNA e constitui-se em uma importante ferramente para o

sequenciamento das bases nitrogenadas. Alm disso, a AFM pode ser utilizada para clivar

molculas de DNA, trabalho feito normalmente por enzimas especficas.

Na cincia forense, a AFM foi utilizada na Sua para examinar a tinta de caneta em

documentos submetidos percia. A tcnica de AFM, conforme dito anteriormente, capaz de

estudar a superfcie tridimensional e morfologia de uma amostra, fornencendo informaes

essenciais para determinar a seqncia de linhas feitas pela tinta liberada atravs da esfera

de canetas esferogrficas. Alm disso, uma vez que a AFM pode ser operada sob condies

ambientes, condies de vcuo e sem revestimento condutor de amostras, danos potenciais

para a amostra durante a investigao podem ser evitados, conservando assim as evidncias.

A profundidade da marca de tinta, a amplitude e imagens de fase de tinta no papel so

apresentadas na figura abaixo. Veja a Figura 4:

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Figura 4. Utilizao forense da AFM

Talvez uma das aplicaes mais interessantes da AFM seja na manipulao de tomos

individuais; de fato, a ponta de prova pode ser utilizada, com os cuidados corretos, para

empurrar tomos e assim construir nanoestruturas e escrever em escala nanomtrica,

armazenar dados, etc. Veja alguns exemplos (Cada "bolinha" corresponde a um tomo

individual!):

CONCLUSO

Existe uma grande variedade de tcnicas que compe a microscopia de varredura por

sonda. Entre elas, a AFM possui um destaque em funo da larga aplicabilidade e das poucos

exigncias de operao em relao natureza da amostra e condies ambientes. Essas

aplicaes variam entre anlises topogrficas de amostras diversas, incluindo polmeros,

materiais biolgicos, evidncias criminais at a manipulao de nanopartculas e at mesmo

tomos individuais.

Com certeza a AFM uma tcnica de importncia fundamental para a nanotecnologia e a

Cincia em geral e que est em constante desenvolvimento; com certeza ser empregada

ainda por muitos anos e ser uma das responsveis por grandes inovaes cientficas e

tecnolgicas que o futuro nos guarda.

REFERNCIAS

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Binning, G., Quate, C.F.,Gerber, C. Atomic Force microscopy. Physical Review Letters, 1986,

Vol. 56, 9, 930-933

Duran, N., Mattos, L.H.C., Morais, P.C.. Nanotecnologia, introduo, preparao e

caracterizao de nanomateriais e exemplos de aplicao. Artliber, 2006, So Paulo

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