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Crédito: nGauge

Desde la invención del microscopio de fuerza atómica (AFM) en 1986, la ciencia se ha vuelto cada vez más dependiente de estos instrumentos de imagen que permiten una resolución espacial y temporal como nunca antes. Cada año se publican miles de artículos científicos en los que se utilizan AFM para caracterizar materiales, medicamentos y más. Gracias a AFM, los investigadores ahora se están acercando a las diminutas partículas que caracterizan las enfermedades de mal plegamiento como el Alzheimer, el Parkinson y las enfermedades de Huntington, la diabetes y la tuberculosis. Se han ganado premios Nobel gracias a estos instrumentos.

Se necesitaría todo un libro para elogiar los logros y el progreso que permiten estos microscopios. Pero siempre hay lugar para algo mejor, más inteligente, más rápido; y una empresa llamada Integrated Circuit Scanning Probe Microscopes (ICSPI Corp) afirma que puede fabricar un AFM que sea pequeño, fácil de usar y cueste unas 10 veces menos que muchos AFM de gama alta.

componentes AFM. Crédito: wisc.edu

AFM funciona acercando una punta atómicamente afilada a una superficie. Hay una fuerza de atracción entre la punta y la superficie y esta fuerza se mantiene igual durante todo el experimento. A medida que la punta de la sonda explora la superficie de un lado a otro, la punta subirá y bajará con las diferentes características de la superficie. Dado que todo esto está sucediendo a una escala muy pequeña, no podemos ver la punta directamente. Se apunta un láser en la punta y se refleja en un sensor. A medida que la punta sube y baja, el láser golpea diferentes partes del sensor. Con la información que recopila el sensor, se puede recrear una imagen de la superficie.

Imagen de resolución atómica del grafeno, demostrando su estructura uniforme de panal de abeja. Crédito: vt.edu

Esta reducción drástica, que ha estado en proceso durante la última década, fue posible gracias a un chip de silicio de 1×1 mm llamado chip nGauge AFM. En este pequeño chip, los investigadores pudieron apilar un escáner MEMS de 3 ejes, una punta afilada y un sensor para medir las interacciones entre la punta y la muestra, todo teniendo en cuenta un volumen asombrosamente pequeño.

El primer AFM de un solo chip del mundo
es un instrumento de grado de investigación que se reduce en un factor de un millón para caber en un microchip. Crédito: nGauge

Logramos integrar todos los escáneres, sensores y la punta (esencialmente, todo el AFM) en un solo chip de 1×1 mm. Esto elimina la necesidad de las voluminosas y costosas etapas de escáner piezoeléctrico y los sistemas de detección láser que se utilizan en los AFM convencionales. Los chips AFM se fabrican con tecnología CMOS, la misma tecnología avanzada que nos brinda procesadores, RAM y prácticamente toda la microelectrónica en la actualidad. La fabricación de CMOS es muy escalable y permite la fabricación por lotes, lo que reduce los costes. Se realiza un paso de procesamiento adicional en los chips CMOS para liberar las estructuras mecánicas a microescala. Se sabe que estas microestructuras, llamadas MEMS, tienen una resolución y sensibilidad extremadamente altas, lo que las hace perfectamente adecuadas para la microscopía de fuerza atómica, dijo Duncan Strathearn, uno de los cofundadores de nGauge, a ZME Science.

Una máquina AFM tradicional es muy voluminosa, tiene aproximadamente el tamaño de un escritorio y cuesta $ 100,000 en adelante. ICSPI Corp, que es un spin-off de la Universidad de Waterloo, innovó fuertemente y logró crear un microscopio que cuesta 10 veces menos, con poco compromiso en la calidad en comparación con los AFM de gama alta. Además, la tecnología funciona mejor en algunas aplicaciones que requieren la obtención de imágenes de objetos a nanoescala más pequeños que las longitudes de onda de la luz.

Microscopio pequeño para obtener imágenes de cosas muy pequeñas. Crédito: nGauge

Si bien los AFM de un solo chip actualmente no pueden lograr las resoluciones de subangstrom de los mejores AFM de la actualidad, su rendimiento está a la par con los sistemas de rango medio. De hecho, son superiores a los AFM tradicionales en muchos aspectos. Su pequeño tamaño conduce a una mejor inmunidad a las vibraciones, menor deriva y mayores velocidades de exploración. El factor de forma compacto puede dar lugar a nuevas aplicaciones al permitir la fácil integración en equipos estándar como estaciones de sonda, microscopios electrónicos o líneas de montaje. Por primera vez también es posible colocar el AFM en la muestra en lugar de al revés. La integración completa también facilita la operación, ya que no hay láser para alinear, y las puntas son fáciles de intercambiar ya que todo el chip AFM es desechable. El hecho de que el chip sea desechable significa que es fácil mantenerse actualizado con los últimos avances, ya que periódicamente se lanzarán diseños mejorados de chips AFM, dijo Strathearn.

Estudiantes de secundaria aprendiendo a usar el microscopio nGauge. Crédito: nGauge

Strathearn y sus colegas llevaron recientemente su microscopio nGauge a una clase de secundaria, con excelentes resultados. La mayoría de estos niños nunca habían oído hablar de un AFM, y mucho menos de usar uno. Con una reducción tan sustancial en el precio, las imágenes AFM podrían democratizarse y estar ampliamente disponibles en las aulas, al igual que los telescopios ópticos tradicionales son omnipresentes en la actualidad. Mirar una célula de cebolla ampliada en una clase de biología puede ser una experiencia transformadora, pero imagina usar un AFM para obtener imágenes de ADN en la escuela secundaria. Luego, están las innumerables aulas universitarias o startups cuyo trabajo ahora podría llevarse al siguiente nivel gracias a esta innovación.

Los AFM son instrumentos muy versátiles que se utilizan para una variedad de aplicaciones en la investigación y la industria. Hasta ahora, el costo y la complejidad de estos instrumentos los han hecho inaccesibles para muchos usuarios potenciales. El bajo costo y la facilidad de uso sin precedentes de los AFM nGauge permitirán el acceso a imágenes a nanoescala para aplicaciones que incluyen investigación fundamental sobre el cáncer, control de calidad de superficies galvanizadas o pulidas y mediciones in situ en líneas de ensamblaje, por nombrar solo algunas. Esta tecnología tendrá un impacto transformador en la metrología y la ciencia a nanoescala al abrir los campos a una amplia gama de nuevos usuarios al tiempo que mejora las capacidades de los usuarios experimentados de AFM, agregó Strathearn.

Los primeros pedidos anticipados del microscopio nGauge estarán disponibles a partir del 12 de julio.

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