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Uma nova era na microscopia: como o milagre científico da geração de imagens em escala atômica é alcançado?
Desde o advento do microscópio de tunelamento de varredura (STM) em 1981, a microscopia de sonda de varredura (SPM) se tornou uma tecnologia de ponta para estudar estruturas de superfície. Essa técnica foi demonstrada pela primeira vez por Gerd Binnig e Heinrich Rohrer, que usaram um circuito de feedback para controlar com precisão a distância entre a sonda e a amostra, permitindo assim imagens em escala atômica. Com a evolução da tecnologia, o SPM atual não só pode obter imagens de alta resolução de estruturas de superfície, mas também capturar imagens simultaneamente de múltiplas interações físicas, proporcionando aos cientistas uma nova perspectiva para explorar o mundo microscópico.
A chave para a microscopia de sonda de varredura é o uso de atuadores piezoelétricos para controlar o movimento preciso no nível atômico.
A diversidade da microscopia de varredura por sonda reside nas muitas tecnologias que ela derivou, incluindo microscopia de força atômica (AFM), microscopia de força química (CFM), microscopia de força eletrostática (EFM), microscopia de tunelamento de varredura (STM), etc. Cada tecnologia tem suas vantagens e áreas de aplicação exclusivas. Por exemplo, o AFM usa pequenos movimentos de uma sonda para medir forças na superfície de uma amostra, criando uma imagem de alta resolução da topografia da superfície.
Diferentes modos de varredura, como o modo de interação constante e o modo de altura constante, permitem que os cientistas obtenham informações detalhadas sobre a amostra de diferentes maneiras.
No modo de interação constante, a sonda mantém uma interação constante com a superfície da amostra, e os dados medidos são convertidos em um mapa térmico que mostra a topografia da superfície da amostra. No modo de altura constante, a superfície da amostra é escaneada sem mover a sonda. Embora o modo de altura constante possa eliminar artefatos causados pelo feedback, sua operação é relativamente difícil e requer um controle extremamente alto da sonda.
Para atingir resolução em nível atômico, o design e o material da sonda também são cruciais. Normalmente, a ponta da sonda deve ser bem afiada para que sondas com ponta de átomo único forneçam os melhores resultados de imagem. Isso envolve não apenas a tecnologia de fabricação da sonda, mas também um profundo entendimento da seleção de materiais.
A resolução atual da microscopia de varredura por sonda é limitada pelo volume de interação sonda-amostra e não pelo limite de difração.
A vantagem da microscopia de sonda de varredura é que ela não requer um ambiente de vácuo para operar, permitindo que observações sejam feitas em ar ou líquidos convencionais. Mas, ao mesmo tempo, essa tecnologia também enfrenta alguns desafios, como a baixa velocidade de aquisição de imagens e o impacto do formato específico da sonda nos dados quando a amostra tem grandes mudanças de altura.
Uma técnica relacionada é a microscopia de fotocorrente de varredura (SPCM), que usa um feixe de laser focado em vez de uma sonda para permitir testes de materiais com resolução espacial. Essa técnica é particularmente importante na indústria optoeletrônica porque permite a análise de como as propriedades ópticas de um material variam com a posição.
O SPCM excita materiais semicondutores por meio de lasers para gerar fotocorrente e faz varreduras em diferentes posições para obter um mapa de propriedades optoeletrônicas.
Pesquisadores que usam SPCM podem analisar informações como a dinâmica de defeitos do material, o comprimento de difusão do portador minoritário e o campo elétrico, o que pode ajudar a melhorar ainda mais as propriedades ópticas do material.
Com o avanço da tecnologia de computadores, os sistemas SPM modernos geralmente dependem de software avançado de visualização e análise para gerar imagens. Nesse processo, o software de renderização de imagens se torna indispensável, e diferentes pacotes de software, como Gwyddion e SPIP, são amplamente utilizados no processamento e análise de dados SPM.
Com o avanço contínuo da tecnologia, o escopo de aplicação dos microscópios de sonda de varredura continuou a se expandir. Não se limita apenas à pesquisa básica de ciência de materiais, mas também é amplamente utilizado em biologia, química, nanotecnologia e outros campos. Essas tecnologias permitem que os cientistas explorem o mundo microscópico de uma perspectiva totalmente nova e obtenham observações mais precisas.
Ao explorar o infinito mundo microscópico, nós apenas descascamos uma fina camada de ciência. Quais milagres despercebidos serão revelados no futuro?
