¡Genial! Un nuevo microscopio de puntos cuánticos puede medir con precisión el potencial eléctrico de átomos individuales.

¡Un nuevo microscopio de puntos cuánticos revela el potencial de los átomos individuales! Un equipo de investigadores en colaboración con las universidades de Julich y Magdeburg ha desarrollado un nuevo método para medir el potencial de muestras con precisión atómica. Hasta ahora, ha sido casi imposible registrar cuantitativamente el potencial eléctrico que se produce cerca de una sola molécula o átomo utilizando métodos tradicionales. Este nuevo método de microscopía de puntos cuánticos de barrido, publicado en Nature Materials por científicos de Julich del Centro Forschens de Alemania y socios de otras dos instituciones, puede abrir nuevas oportunidades para la fabricación de chips o la caracterización de biomoléculas como el ADN.

Toda materia está compuesta por núcleos positivos y electrones negativos, que generan campos potenciales que se superponen y compensan entre sí incluso a corta distancia. Los métodos tradicionales no permiten mediciones cuantitativas de estos campos de área pequeña, que determinan las propiedades y funcionalidad de muchos materiales a escala nanométrica. Casi todos los métodos existentes que pueden obtener imágenes de este potencial se basan en mediciones de la fuerza inducida por la carga. Sin embargo, estas fuerzas son difíciles de distinguir de otras fuerzas que ocurren a nanoescala, lo que dificulta las mediciones cuantitativas. Sin embargo, hace cuatro años, los científicos del Centro Forsonsiqin descubrieron un método basado en un principio completamente diferente.

El microscopio de barrido de puntos cuánticos une una única molécula orgánica (punto cuántico) a la parte superior del microscopio de fuerza atómica, y esta molécula sirve como sonda. La molécula es tan pequeña que podemos unir un solo electrón desde la parte superior de un microscopio de fuerza atómica a la molécula de forma controlada. Los investigadores reconocieron inmediatamente lo prometedor de este enfoque y presentaron una solicitud de patente. Pero las aplicaciones prácticas todavía están muy lejos. Al principio, esto fue sólo un efecto sorprendente cuya aplicabilidad era limitada. Todo ha cambiado ahora. No sólo podemos visualizar los campos eléctricos de átomos y moléculas individuales, sino que también podemos cuantificarlos con precisión. Esto se confirmó mediante la comparación con cálculos teóricos de los socios luxemburgueses.

Además, se pueden obtener imágenes de la muestra en un área grande, lo que permite revelar una variedad de nanoestructuras simultáneamente y obtener imágenes detalladas en solo una hora. Los investigadores dedicaron varios años a estudiar este método y finalmente llegaron a una teoría coherente. La razón de estas imágenes tan nítidas es un efecto que mantiene la punta del microscopio a una distancia relativamente grande de la muestra, del orden de 2 a 3 nanómetros, algo que sería inimaginable con un microscopio de fuerza atómica normal. En este caso, es importante saber que todos los elementos de una muestra generan campos eléctricos que afectan a los puntos cuánticos y, por tanto, pueden medirse. La punta del microscopio actúa como un escudo protector, suprimiendo los campos magnéticos dañinos alejados de la muestra.

Como resultado, el impacto de los campos eléctricos de protección disminuye exponencialmente y los puntos cuánticos solo detectan el área circundante inmediata, por lo que la resolución es mucho mayor que la de un detector puntual ideal. Los investigadores de Julich atribuyen la rapidez con la que se mide la superficie completa de la muestra a un socio de la Universidad Otto von Guericke de Magdeburgo. Los ingenieros desarrollaron un controlador que ayuda a automatizar el escaneo de secuencias complejas y repetitivas en muestras. Un microscopio de fuerza atómica funciona un poco como una grabadora. La punta de la aguja pasa a través de la muestra, uniendo una imagen completa de la superficie. Sin embargo, en el trabajo preliminar de microscopía de puntos cuánticos de barrido, deben trasladarse a un lugar separado de la muestra.

Mida un espectro, muévase a la siguiente posición, mida otro espectro, etc. para combinar estas mediciones en una sola imagen. Con el controlador del ingeniero de Magdeburgo ahora es posible escanear toda la superficie de la misma manera que con un microscopio de fuerza atómica normal. Una molécula solía tardar entre 5 y 6 horas, pero ahora podemos obtener imágenes de un área de una muestra que contiene cientos de moléculas en una hora. Pero también existen algunas desventajas. La preparación de las mediciones requiere mucho tiempo y energía. Para medir puntos cuánticos, las moléculas deben estar previamente unidas a la punta, lo que sólo es posible en el vacío criogénico. Por el contrario, los microscopios de fuerza atómica habituales también pueden funcionar a temperatura ambiente sin necesidad de vacío ni de una preparación compleja.

¿Sin embargo, Stefan? El profesor Stefan Tautz es optimista: esto no tiene por qué limitar nuestras opciones. Este enfoque sigue siendo innovador y emocionante para este primer proyecto, por lo que podemos mostrar lo que realmente puede hacer. La microscopía de puntos cuánticos tiene muchas aplicaciones y la electrónica de semiconductores está superando los límites de las escalas de campo en las que los átomos pueden cambiar su funcionalidad. Las interacciones electrostáticas también juegan un papel importante en otros materiales funcionales como los catalizadores. La caracterización de biomoléculas es otro enfoque. Debido a la gran distancia entre la punta y la muestra, este método también es adecuado para superficies rugosas, como la superficie de las moléculas de ADN, que tienen una estructura tridimensional única.