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Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) modos de Atómica (AFM), modos de operación y aplicaciones
Gema Rodríguez Crespo
Eva Carbonero, Victoria Sánchez
Ciclo Conoce el ICTP23 Julio 2013
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MICROSCOPÍA DE SONDA DE BARRIDO (SPM)MICROSCOPÍA DE SONDA DE BARRIDO (SPM)
• Microscopio de efecto túnel (STM)Microscopio de efecto túnel (STM)• Microscopio de fuerza atómica (AFM)
Premio Nobel Física 1986
H. RohrerG. Binnig
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MICROSCOPÍA DE EFECTO TUNEL (STM)MICROSCOPÍA DE EFECTO TUNEL (STM)
y y
xz
y y
x
x y
z
LIMITACIONESResolución:No se puede emplear sobre materiales aislantesNo se puede aplicar a muestras biológicas o
li é i
•Lateral 2D: 2 Å•Vertical: 0.1 Å
poliméricas
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MICROSCOPÍA DE FUERZA ATÓMICA (AFM)MICROSCOPÍA DE FUERZA ATÓMICA (AFM)
Punta
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MICROSCOPÍA DE FUERZA ATÓMICA (AFM)MICROSCOPÍA DE FUERZA ATÓMICA (AFM)
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PUNTAS AFMPUNTAS AFM
SNL tip RTESP tipTip radius 2 nm Tip radius 8 nm
Imágenes cortesía de Bruker, http://www.brukerafmprobes.com/
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Contacto continuo entre punta y muestra
MODOS DE TRABAJO AFMMODOS DE TRABAJO AFM
Contacto continuo entre punta y muestra
MODO CONTACTO (Contact mode)
MEDIDA DE FUERZAS (Curva de fuerza Force Volume)MEDIDA DE FUERZAS (Curva de fuerza, Force Volume)
Contacto intermitente entre punta y muestra
CONTACTO INTERMITENTE (Tapping mode)CONTACTO INTERMITENTE (Tapping mode)
CONTRASTE DE FASE (Phase Contrast mode)
No contacto entre punta y muestra (Non‐contact mode)p y ( )
Otros modos:
Medida de fuerzas magnéticas (Magnetic Force Microscopy, MFM)
Medida de fuerzas eléctricas (Electric Force Microscopy, EFM)
Medida de potencial de superficie ( Surface Potencial Microscopy)
Medida de fuerzas químicas ( Chemical Potencial Microscopy)
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AFM enAFM en MODO CONTACTOMODO CONTACTO
Fuerza constante C d f Curvas de fuerza
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AFM enAFM en MODO CONTACTOMODO CONTACTO
Fuerza constante
• TopografíaTopografía• Afectada por la respuesta mecánica del material
Curvas de fuerzaCurvas de fuerza
Permite distinguir zonas con diferente comportamiento mecánico
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AFM MODO CONTACTO AFM MODO CONTACTO INTERMITENTEINTERMITENTETappingTapping ModeModepp gpp g
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CONTACTO INTERMITENTECONTACTO INTERMITENTE –– Contraste de faseContraste de fase
Topografía
Fase
Modo No ContactoModo No Contacto
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Modo de trabajo Ventajas Inconvenientes
ContactoAltas velocidades de barridoResolución atómica
Fuerzas laterales pueden distorsionar la imagenFuerzas normales fuertes
Resolución atómicaDaño muestras blandas
Contacto Mayor resolución lateral
M l id d d b idContactointermitente
lateralMenor interacción con la muestra
Menor velocidad de barrido
No contacto
No se aplica fuerza sobre la muestraÚtil para muestras hid fóbi
Menor resolución lateralMenor velocidad de barrido
hidrofóbicas
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Otros modosOtros modos
MFMMFMMFMMFM
Vertices magnéticos en nanodots triangularesJaafar et al. Physical Review B 2010, 81, 054439
EFMEFM
Agregados de negro de carbono en una matriz de cauchoImagen cortesía de Bruker AXS
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MFMMFM
Otros modosOtros modos
MFMMFMEFMEFM
MICROSCOPÍA DE FUERZAS QUIMICASMICROSCOPÍA DE FUERZAS QUIMICAS
f l dPuntas funcionalizadas
Fisisorción Quimisorción Modificación covalente
Hinterdorfer, P., Dufrêne, Y.F. Detection and localization of single molecular recognition events using atomic force microscopy. Nature Methods 2006, 3, 5, 347.
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Direct imaging of covalent bond structure in single‐molecule chemical reactionsOteyza, D.G. et al. Science 2013, 340 (6139), pp. 1434‐1437.
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Descripción AFM de ICTPDescripción AFM de ICTP
MultiMode SPM, Bruker
Nanoscope IVaNanoscope IVa
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Descripción AFM de ICTPDescripción AFM de ICTP
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Descripción AFM de ICTPDescripción AFM de ICTP
Escáner “J”100 m
Soporte puntax‐y: 100 umz: 5 um
Punta
RTESPTapping
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Medidas en celda de líquidosMedidas en celda de líquidos
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Algunas cuestiones prácticas…Algunas cuestiones prácticas…
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Preparación de muestrasPreparación de muestras
Vidrio Mica
Silicio
Casting Spin coating Ultramicrotomo Ultramicrotomo
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Artefactos en la Artefactos en la imágenimágen
Punta sucia o en mal estado
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Artefactos en la Artefactos en la imágenimágen
Interferencia óptica C i ióInterferencia óptica Contaminación muestra
Parámetros mal ajustados
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¿ Qué podemos medir con un AFM?¿ Qué podemos medir con un AFM?
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Topografía Topografía
Nanoparticulas cargadas con heparinaFelisa Reyes – ICTP, CSIC
Fibras electrospinning PAN‐MAMukhatyar et al. Biomaterials 2011, 32, 3958
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Topografía Topografía
topography phase
HidroxiapatitaLuis Rodríguez – ICTP, CSIC
20
10
0
-10Z[D
eg]
14
12
10
8
6
4Z[nm
]
50403020100
-20
X[nm]50403020100
2
0
X[nm]
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Topografía Topografía
Fotolitografía en superficies de PSg p
Palacios M., García O., Rodríguez‐Hernández J. Langmuir 2013, 29, 2756−2763
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Topografía Material Biológico Topografía Material Biológico
Células vivas (osteoblastos) en medio de cultivo( )
DNA
Imágenes cortesía de Bruker AXS
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Patrón de adhesión de proteínas de la matriz extracelular en superficies poliméricas
P l (EA HEA)
Adhesión proteínasAdhesión proteínas
Col IVPoly (EA‐co‐HEA)
> XOH
Coelho et al.Tissue Engineering: Part A 2011, 17,17‐18, 2245
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EstructuraEstructura
Estructura cristalina
Time evolution of the growing crystal observed by in‐situ AFM observation.
Liuxin Jin et al. Polymer 2009, 50, 25, 6157 – 6165
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EstructuraEstructura
2.2 µm2.2 µm
TopografíaFase
polipentafluoroestireno‐b‐ps‐b‐pegmaSandra Muñoz – ICTP, CSIC
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EstructuraEstructura
Altura FasesJ. Pyun, T. Kowalewski, K. MatyjaszewskiMacromol. Rapid Commun. 2003, 24, 1043–1059
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Materiales compuestosMateriales compuestos
0.5% 1%
2% 3%
L. Peponi et al. Composites Science and Technology 2008 ,68, 1631‐1636
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AFM / EFMAFM / EFM
L. Peponi et al. Carbon 2010, 48, 2590‐2595
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Curvas de FuerzaCurvas de Fuerza
La adhesión se puede determinar localmente mediante Curvas de FuerzaLas curvas de fuerza permiten distinguir zonas con diferente comportamiento mecánico
D. Olmos, F.J. GonzálezUC3M
El resultado puede verse afectado por la topografía de la muestra
UC3M
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NanoindentaciónNanoindentación con AFMcon AFM
L t d AFM d tili i d t AFMLa punta de AFM se puede utilizar para indentar con AFMSe puede obtener una imagen de la indentación
Acercar punta‐muestra
Contacto punta‐muestra
Indentación
Alejar punta‐muestra
Imagen de huella
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NanoindentaciónNanoindentación con AFMcon AFM
L t d AFM d tili i d t AFMLa punta de AFM se puede utilizar para indentar con AFMSe puede obtener una imagen de la indentación
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ConclusionesConclusiones
• La Microscopía de Fuerza Atómica es una herramienta versátil paraconocer y caracterizar mejor los materiales poliméricos
• Permite emplear diferentes modos de medida tanto topográficos comofuncionales, si bien para polímeros el mas utilizado es el modo contactointermitente (Tapping)
• Con un AFM podemos medir diferentes aspectos de muestraspoliméricas como:
‐Topografía‐ Distribución de fases cristalinas y amorfasDistribución de fases cristalinas y amorfas‐ Organización de fases en polímeros nanoestructurados‐ Propiedades de adhesión‐ Indentación‐ Indentación‐ Propiedades magnéticas, eléctricas‐Propiedades en inmersión
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