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El IF estrena primer microscopio STM a baja temperatura hecho 100% en la UNAM

Luciana de la Fuente
25/jun/2019

Después de siete años de trabajo, y gracias al empeño del investigador Carlos Villagómez, el pasado 9 de mayo finalmente fue inaugurado el primer microscopio en México y América Latina de efecto túnel a ultra alto vacío y baja temperatura hecho completamente en el Instituto de Física de la UNAM.

Se le conoce como STM LT-UHV, que significa Scanning Tunneling Microscope Low-Temperature-Ultra high vacuum. Y con él, será posible estudiar diferentes líneas de investigación, principalmente: transporte electrónico, autoensamblaje, máquinas moleculares y creación de nanoestructuras atómicas.

Por medio del STM, en condiciones ideales de medición y preparación, los investigadores del IF ahora podrán controlar el paso de electrones a través de una nanoestructura o molécula, así como manipular la transferencia de carga entre moléculas y superficies o controlar el transporte electrónico en moléculas individuales o nanoestructuras. Esto es importante porque significa que podrán estudiar catálisis de átomos individuales; autoensamblaje y quiralidad de moléculas, estructuras supramoleculares en superficies, y máquinas moleculares: interruptores, rotores, moléculas funcionalizadas con propiedades mecánicas o electrónicas, todo a la escala atómica y molecular.

Además, se podrán hacer caracterizaciones de moléculas: desde la geometría de adsorción (sitios de adsorción, conformación de moléculas) hasta espectroscopía IETS (Inelastic Electron Tunneling Spectroscopy), una técnica de estudio para obtener las vibraciones de las moléculas adsorbidas en una superficie.

Carlos Villagómez. Foto: Carlos Antonio Sánchez/Unidad de Comunicación.

El construir un STM 100% mexicano significó un ahorro económico importante así como un avance científico y tecnológico en la microscopía a sonda local. Por lo regular, un microscopio STM comercial cuesta alrededor de un millón de dólares, un costo que supera varias veces el valor del construido por Villagómez.

“Decidí construir este microscopio porque nos ayudará a estudiar muchas estructuras atómicas y moleculares. Manipularemos átomos y moléculas con gran precisión para crear nanoestrucuras que sólo pueden controlarse a baja temperatura”, afirma Villagómez.

Existen otros dos STM a ultra alto vacío en Latinoamérica, uno, que es comercial, se encuentran en el Centro Atómico de Bariloche en Argentina, y el otro, en el Centro de Nanociencias y Nanotecnología (CNyN) de Ensenada, que es a temperatura ambiente. Sin embargo, este STM es el primero en su tipo en la región ya que funciona a baja temperatura (helio y nitrógeno líquido), lo que permite la manipulación de moléculas y átomos individuales de manera controlada.

Para construirlo, Villagómez contó con la participación de los estudiantes de licenciatura Bernardo Fuentes Pérez, Julio César Izquierdo Azuara, Marco Antonio Álvarez Alvarado y el postdoc Marco Antonio Sánchez Alejo.

El primer microscopio de efecto túnel a ultra alto vacío y baja temperatura, STM LT-UHV. Foto: Carlos Villagómez.

¿Cómo funciona?

El primer STM fue desarrollado en 1981 por los físicos europeos G. Binnig y H. Rohrer, quienes posteriormente fueron reconocidos con el Premio Nobel de Física en 1986 por su trabajo, que compartieron con Ernst Rutska por desarrollar el microscopio electrónico.

El funcionamiento básico del STM consta de una punta nanométrica que se acerca a una superficie conductora colocada aproximadamente a un nanómetro de distancia. Entonces se produce el flujo de corriente por medio del efecto cuántico de tunelamiento de electrones. Así, los electrones pasan de la punta a la muestra y viceversa en polarización inversa.

Posteriormente, el STM crea imágenes con base a la densidad local de los estados electrónicos que el microscopio barre en un área sobre los ejes X,Y, y cada punto en el eje Z varía de altura de acuerdo al flujo de corriente que mide un sistema de control retroalimentado.

Video-Resumen del funcionamiento del STM. Realización: Carlos Antonio Sánchez/Unidad de Comunicación.

Microscopio para impulsar el talento mexicano

Los dos mayores retos para hacer el STM fue la obtención de recursos y hacer componentes de alta precisión en nuestros talleres. En el caso del financiamiento se optó por conseguirlo de diversas fuentes, como el Instituto de Ciencia y Tecnología de la Ciudad de México, el CONACYT y la UNAM.

“En el momento en que yo entré a la UNAM no había un programa de CONACYT que cubriera el costo total de un microscopio así, entonces, la decisión fue conseguir el financiamiento completo o realizarlo nosotros”, cuenta Villagómez a Noticias IFUNAM.

Gracias a su paso por distintas instituciones europeas, como el Center for Materials Elaboration and Structural Studies, en Toulouse, Francia, la Universidad Libre de Berlín y el Fritz-Haber Institute de la Sociedad Max Planck en Alemania, donde adquirió experiencia en la realización de experimentos y construcción de este tipo de microscopios, Carlos Villagómez decidió crearlo él mismo.

“Era algo que impulsaría a México en el desarrollo de equipos científicos de frontera y, finalmente, la decisión fue realizarlo con diferentes programas de financiamiento que nos permitieran un resultado total”, comenta Villagómez.

Su construcción requirió aproximadamente tres años para la obtención de los recursos y los materiales, y luego, otros cuatro años de implementación. Se hizo, por ejemplo, un sistema de ensamblaje con precisión milimétrica para acoplar las cámara, bombas iónicas y criostato de baja temperatura; así como de limpieza extrema: a todos los componentes se les estudió su composición química para comprobar que fueran totalmente puros y aptos para alcanzar ultra alto vacío sin ningún tipo de contaminante como polvo, aceites, huellas dactilares, etc.

Gracias a esto, el STM cuenta con ventajas destacables. Una de ellas es que cuenta con una cámara de medición aislada de la cámara de preparación de tal manera que el acondicionamiento de la muestra se hace in situ, es decir, la limpieza y deposición de moléculas ocurre en ultra alto vacío, por lo tanto, la muestra se prepara en condiciones ultra limpias y se evita la contaminación de la cámara de medición.

a) Terrazas atómicas del oro Au(111), cada escalón monoatómico es de ~2.3 Å, 200 nm x 200 nm, b) Reconstrucciones herringbones del oro Au(111) al borde de un escalón monoatómico, cada línea blanca tiene una corrugación de 0.2 Å respecto a la terraza, 30 nm x 30 nm. Imágenes tomadas con el STM LT-UHV hecho en casa en el IF.

El hecho de haberlo desarrollado en la UNAM permitirá que para su mantenimiento o posible reparación, se usen componentes del laboratorio que fueron utilizados para su construcción, evitando así la intervención de técnicos externos y refacciones de uso comercial, que suelen ser sumamente costosas.

"En los microscopios comerciales no se saben los detalles de la implementación y podría decirse que se hacen mediciones a través de una caja negra que gobierna la punta nanométrica", dice Villagómez. Esto hace que resulte poco práctico modificar la máquina para otros experimentos de frontera, por ejemplo el acoplar un sistema óptico al microscopio. Lo cual sí puede ser posible en el STM del IFUNAM, porque se le puede aumentar otras técnicas de medición (LEED, espectroscopía Auger, sistema óptico, etc.).

Carlos Villagómez y su equipo. Foto: Carlos Antonio Sánchez/Unidad de Comunicación.

La satisfacción mayor de Villagómez es que la construcción de este STM significó un desarrollo para los talleres del Instituto, pues ganaron experiencia en la realización de instrumentación de componentes mecánicos y electrónicos.

“Hicimos una sinergia entre desarrollos mecánicos propios que tuvimos en el Taller Mecánico (del IFUNAM) e instrumentación comercial para que pudiéramos tener todas las características funcionales del microscopio al 100%”, agrega.

“La satisfacción de poderlo ver trabajando es sumamente grande”, dice el investigador. “Tener el concepto de la máquina y llevarlo a la realización física, aun con todo lo que podemos tener de desventaja de infraestructura respecto a otros países, requiere mucha concentración, mucho esmero en la realización de cada parte de la máquina”, comenta orgulloso.

Carlos Villagómez y su equipo. Foto: Carlos Antonio Sánchez/Unidad de Comunicación.