Pioneros del AFM honrados con Premio Kavli en Nanociencia

Tras 30 años y más de 9,000 citas, los inventores del Microscopio de Fuerza Atómica (AFM) han sido galardonados con el Premio Kavli en Nanociencia.

El Premio Kavli se comparte entre Gerd Binnig, Christoph Gerber y Calvin Quate. Binnig y Gerber estuvieron previamente en IBM Research – Zurich, mientras Quate estaba en Universidad de Stanford. Durante un año sabático, Binnig estuvo en Stanford y Gerber en IBM Research en San José (ahora Almaden), fomentando colaboración estrecha.

Los tres científicos fueron honrados "por la invención y realización de microscopía de fuerza atómica, un avance en tecnología de medición y nanoescultura que sigue teniendo impacto transformador en nanociencia y tecnología."

El AFM se describió por primera vez en la edición del 3 de marzo de 1986 de Physical Review Letters bajo el título conciso "Atomic Force Microscope." El dispositivo combinó principios de microscopía de túnel de barrido (STM) con un perfilómetro de aguja, permitiendo imagen a resolución atómica.

Binnig, quien también co-inventó el STM con el fallecido Heinrich Rohrer, recibió el Premio Nobel de Física en 1986 por ese trabajo. Luego acreditó la idea del AFM a una intuición subconsciente que tuvo mientras yacía en un sofá, como se nota en una entrevista de 2004 en IEEE Spectrum Magazine.

Durante su tiempo en Stanford, Binnig reclutó la experiencia de Calvin Quate y su colega de IBM Christoph Gerber —quien había colaborado previamente en el STM— para llevar el AFM de concepto a realidad.

En una entrevista reciente con Physics World marcando el 30º aniversario, Gerber reflexionó sobre la evolución de la invención:

"Gerd sugirió que podríamos medir las fuerzas interactivas entre punta y muestra, en lugar de la corriente de túnel, y que un cantilever podría hacer esto. Hicimos un cálculo aproximado y nos dimos cuenta de que lograr resolución atómica requería detectar fuerzas en el nivel de 10^–10 N o incluso 10^–11 N!"

La capacidad de detectar fuerzas tan minúsculas dependió de dos materiales clave: oro y diamante. Gerber explicó:

"El corazón del dispositivo era una lámina de oro muy delgada, solo unos micrones de espesor, usada como cantilever. Adjuntamos un fragmento de un diamante triturado —originalmente de una aguja de tocadiscos— al cantilever para servir como punta."

Aunque la resolución atómica no se logró inmediatamente, el equipo estuvo lo suficientemente cerca para enviar un artículo. Dentro de un año desarrollaron un cantilever de silicio fabricado en lote que produjo las primeras imágenes de resolución atómica en una superficie de grafito.

Tras este hito, el trío impulsó la tecnología AFM en nuevas direcciones, especialmente en diseño de cantilever y aplicaciones.

Binnig pionero una sonda masivamente paralela para nanoestructuración, dirigida a desarrollar memoria no volátil. Su trabajo impulsó una ola de innovaciones en técnicas de nanopatroneo.

Gerber avanzó una "nariz artificial" usando un array de cantilevers, logrando avances en diagnóstico químico, bioquímico y médico. Continúa esta investigación con su grupo en la Universidad de Basilea, Suiza.

Quate se centró en cantilevers micromecánicos para aplicaciones de sensado en descubrimiento de fármacos, diagnóstico de alimentos, caracterización de materiales y detección de explosivos.

En las últimas tres décadas, los instrumentos AFM han evolucionado dramáticamente, mejorando sensibilidad y resolución mientras expanden a diversos campos.

En 2008, Markus Ternes y colegas en IBM Research – Almaden usaron el AFM para deslizar átomos individuales sobre una superficie y medir directamente las fuerzas involucradas.

Al año siguiente, un equipo de IBM Research – Zurich, liderado por Gerhard Meyer y Leo Gross, modificó la punta del AFM con una sola molécula de monóxido de carbono. Esta punta diatómica, de menos de un nanómetro, produjo imágenes que resolvían la estructura química interna de moléculas individuales —enlaces químicos en tiempo real.

Gross señaló: "Un diferenciador principal de nuestra técnica es que medimos moléculas individuales. Otra ventaja es que podemos usar la punta para iniciar reacciones químicas de moléculas individuales y rastrear los productos a escala atómica."

Meyer, Gross y Bruno Schuler publicaron recientemente un artículo sobre el 30º aniversario del AFM en Physics World, afirmando:

"La AFM de alta resolución ofrece oportunidades para entender y controlar procesos físicos, químicos y biológicos a nivel de moléculas individuales. Mejoras continuas en sensibilidad de fuerza, resolución temporal y espacial empujarán las fronteras de la nanociencia aún más. Quizás en otros 30 años el AFM podría evolucionar hacia un ensamblador atómico, como Richard Feynman imaginó en su charla de 1959 'There's Plenty of Room at the Bottom' —una herramienta que podría construir dispositivos, metamateriales y moléculas 3D atómicamente precisos."

"Independientemente, no hay duda de que el AFM continuará impulsando descubrimientos desde física fundamental hasta química y ciencias de la vida, desentrañando los mecanismos más enigmáticos de la naturaleza a escala nanométrica y más allá."

Este es el segundo Premio Kavli otorgado a un científico de IBM. Don Eigler recibió el Premio Kavli en Nanociencia 2010 por desarrollar manipulación atómica y elucidar fenómenos cuánticos con arreglos atómicos y moleculares precisamente controlados en superficies.

Los Premios Kavli honran a científicos que pioneros avances en nuestro entendimiento de la existencia en sus escalas más grande, más pequeña y más compleja. Otorgados bienalmente en astrofísica, nanociencia y neurociencia, cada premio lleva un galardón de $1 millón (EE.UU.). Los laureados son seleccionados por comités cuyos miembros son recomendados por seis de las sociedades y academias científicas más renombradas del mundo.