VII Carnaval de Física: Un microscopio de fuerza atómica gigante fabricado con un lápiz y un diapasón es capaz de leer la tinta de la superficie de un billete de papel

El navegante acoge este mes el VII Carnaval de la Física. ¿Qué contar? No sé, se puede hablar de Baltasar Garzón como persona “física” o del futuro Felipe VI como usuario del “pie de rey” pero me parece que será mejor seguir la línea que  se está convirtiendo en tradición en este blog, experimentos de física “creativa” (o recreativa). “La creatividad humana está llamada a jugar un gran papel para encontrar estas formas… [aunque] todavía es necesario el uso de la intuición para imaginar qué formas pueden tener...” finaliza su entrada para el Carnaval nuestro amigo César, en Experiencia Docet. Bueno, os lo copio sin elipsis, ni puntos suspensivos: “La creatividad humana está llamada a jugar un gran papel para encontrar estas formas con fuerzas repulsivas: todavía es necesario el uso de la intuición para imaginar qué formas pueden tener repulsión.” Fuerzas repulsivas y formas. Formas y fuerzas repulsivas… imaginación… creatividad… Me parece que tengo que hablar del microscopio de fuerza atómica gigante.

Un microscopio de fuerza atómica (AFM) cuesta unos 100 000 Euros, funciona a unos 32 kHz y puede escanear un área cuadrada de unos 20 micrómetros cuadrados. Unos físicos holandeses nos proponen fabricar por unos 2000 Euros un AFM “gigante” que funciona a unos 6 kHz (por lo que genera un sonido que es audible) y puede escanear un área similar a la de una moneda de 1 Euro. Este microscopio de fuerza atómica “gigante” es capaz de “leer” la superficie de un billete de 100 dólares gracias al grosor de la tinta (unas decenas de micrómetros). Realmente curioso. Os recuerdo, siguiendo a la wikipedia, que el Microscopio de Fuerza Atómica (AFM por sus siglas en inglés, Atomic Force Microscope) es “un instrumento mecano-óptico capaz de detectar fuerzas del orden de los piconewtons que al rastrear la superficie de una muestra mediante una sonda o punta afilada de forma piramidal o cónica es capaz de registrar continuamente su topografía. El microscopio de fuerza atómica ha sido esencial en el desarrollo de la nanotecnología, para la caracterización y visualización de muestras a dimensiones nanométricas.” ¿Se puede fabricar un AFM de escala macroscópica que nos permita ver en vivo y en directo cómo funciona este dispositivo? Eso es lo que nos proponen los holandeses E. Bosma, H. L. Offerhaus, J. T. van der Veen, F. B. Segerink y I. M. van Wessel en “Large scale scanning probe microscope: Making the shear-force scanning visible,” American Journal of Physics 78: 562-566,  June 2010 [versión gratis en la web]. Un tutorial en inglés sobre el AFM.

El AFM está basado en las fuerzas atractivas de van der Waals y las fuerzas repulsivas de Pauli entre la punta y la superficie, por lo que puede visualizar superficies de materiales no conductores de la electricidad. En el AFM gigante la punta utilizada es un palillo de madera con forma de lápiz que está acoplado a un diapasón que vibra. Las vibraciones son medidas gracias a un haz láser que se refleja en un pequeño espejo acoplado al diapasón y es recogido por un fotodiodo. Un diapasón normal, de los utilizados por los músicos, que vibra a 440 Hz, no es una buena elección ya que la velocidad de escaneo depende del tiempo de relajación, por lo que obtener una imagen de 64×64 píxeles requeriría más de una hora (4096 segundos). Para escanear más rápido hay que utilizar una frecuencia más alta. La figura de abajo muestra el diapasón finalmente diseñado y sus tres primeros modos de vibración (obtenidos mediante simulación por ordenador). Para mover la punta del microscopio sobre la superficie a escanear barriéndola línea a línea hay que utilizar un actuador (en el AFM gigante se ha utilizado un elemento piezoeléctrico) y un controlador realimentado. Cualquier ingeniero industrial o electrónico puede diseñarlo fácilmente.

En resumen, no se trata del experimento casero que cualquiera puede hacer en su casa una tarde de domingo, pero en un laboratorio de física de cualquier universidad se puede realizar sin grandes dificultades y los resultados son espectaculares. En las escuelas de ingeniería, es un dispositivo ideal para un proyecto fin de carrera. Los museos de ciencia también podrían incluir uno en sus salas de exposiciones.