D21 Microscopía de fuerza atómica (AFM)

Tópico

La fuerza de interacción entre una punta diminuta y una superficie se puede medir a escala nanométrica gracias a la microscopía de fuerza atómica, conocida como AFM, una técnica que se aplica directamente sobre las setas adhesivas del insecto, sobre su cutícula, y sobre distintos sustratos de interés.

En su modo de curva de fuerza-distancia, la punta del AFM se acerca a la superficie y luego se retira de ella, y durante todo ese recorrido se registra cuánto se deflecta el cantiléver que sostiene la punta, en función de la posición exacta a la que un piezoeléctrico va desplazando esa punta —esta deflexión del cantiléver es, en el fondo, la señal bruta de la que se extrae toda la fuerza de interacción.

Para convertir esa deflexión del cantiléver en un valor real de fuerza, es fundamental calibrar con precisión la constante de muelle propia del cantiléver, y el método de Sader logra esa calibración de una forma particularmente elegante: relaciona la constante de muelle con la frecuencia de resonancia y el factor de calidad del propio cantiléver mientras vibra dentro del fluido, sin necesitar ningún patrón de referencia de fuerza externo con el cual comparar.

Con el cantiléver ya calibrado, la rama de aproximación de la curva de fuerza contra distancia se puede ajustar con el modelo de Hertz para extraer el módulo de Young de la muestra que se está midiendo: ese ajuste funciona porque, en un contacto elástico de tipo esférico como el que hace la punta del AFM contra la superficie, la fuerza crece con la distancia de penetración elevada a una potencia de tres medios, una relación característica de este tipo de contacto.

Cuando la punta del AFM es especialmente pequeña y rígida, con un radio menor a veinte nanómetros, el modelo de Hertz deja de ser el más adecuado, y en su lugar se aplica el modelo DMT: este modelo relaciona directamente la fuerza necesaria para separar la punta de la superficie, conocida como fuerza de pull-off, con la energía de adhesión de Dupré entre ambas, sin necesitar conocer cuánto se deformó la superficie durante el contacto.

Aplicadas sobre setas adhesivas individuales del insecto, estas curvas de fuerza revelan algo que ninguna medición promedio del conjunto de setas podría mostrar: cuánto varía la fuerza de adhesión de una seta a otra dentro de la misma estructura adhesiva, y cómo esa fuerza de adhesión cambia según la orientación con la que la seta hace contacto con la superficie, un efecto conocido como anisotropía adhesiva.

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