O princípio fundamental da Microscopia de Força Atômica (MFA) é obter imagens de uma superfície através das medidas de deflexão de uma sonda de dimensões nanométricas. Nos seus mais de 25 anos de história, a MFA vem expandindo rapidamente seu campo de aplicação para diversas áreas da ciência (Tararam et al., 2017).
Conforme descrito por (Herrmann et al., 1997), o precursor do MFA foi o microscópio de varredura por tunelamento, “scanning tunneling microscope” -
STM. A técnica chegou ao conhecimento da comunidade científica em 1982, com a publicação de um artigo, no Physical Review Letters de Binnig e colaboradores (1982). O MFA oferece a vantagem sobre o STM de que qualquer tipo de material pode ser medido e a operação pode ser conduzida sob condições atmosféricas normais, em condições controladas e em meios líquidos (Zanette, 2010).
O Microscópio de Força Atômica surgiu para resolver uma limitação do STM quanto à condutividade das amostras que podem ser analisadas, pois com o MFA é possível estudar também todo o tipo de material isolante, já que este não utiliza corrente de tunelamento, mas forças de interação atômica, para produzir imagens (Pinto et al., 2013).
Herrmann et al. (1997) apontam que o primeiro MFA comercial, com produção em série, foi apresentado em 1989. A partir desta data, os trabalhos publicados utilizando o MFA (como ferramenta essencial ou de suporte) tiveram aumento considerável (Zanette, 2010).
Neste tipo de microscópio as imagens são geradas através da medida das forças de atração ou repulsão entre a superfície da amostra e uma sonda ou agulha bem fina que varre a amostra. Esta varredura é feita, por intermédio de um sistema piezoelétrico, com deslocamento, nas posições x, y e z com precisão de décimo de Angstron, o que se dá através da variação da tensão aplicada no mesmo. O deslocamento é controlado por um circuito de realimentação cuja função é manter a força e/ou altura constante (Hermann et al., 1997). Como as forças envolvidas são da ordem de 10-12 N, foi necessário desenvolver um sistema de detecção ultra sensível. A solução prática encontrada para medir forças desta ordem foi colocar a agulha na ponta de uma haste (cantiléver) com baixa constante de mola. Desta forma, a deflexão no cantiléver causada pela interação da agulha com a amostra pode ser medida. Um sistema ótico, com feixe a laser e um fotodetector, determinam o quanto o cantiléver deflete devido a topografia da amostra. Com os dados da deflexão do cantiléver nos eixos x, y e z, reconstrói-se a imagem por intermédio de software específico. No modo contato, a força que o cantiléver exerce sobre a amostra, provocada pelo deslocamento do eixo z do piezo, permite a quantificação de propriedades do material sendo analisado. No entanto, esta
64 força deve ser controlada para que não ocorra danos ao sistema amostra- agulha (Herrmann et al., 1999).
O princípio básico de funcionamento do microscópio de força atômica pode ser visto no diagrama em blocos ilustrado na Figura 21.
Figura 21. Ilustração do princípio de funcionamento de um microscópio de força atômica.
Ao fazer a análise/varredura de uma superfície, as mudanças na força de interação existente entre a agulha e a amostra causam deflexões da haste que, medidas ponto a ponto, permitem ao computador gerar um mapeamento topográfico da superfície. Para medir estas flexões da haste, o feixe do laser incidente na parte superior da haste é refletido em direção a um fotodetector que mede as variações de posição do feixe do laser.
O sinal da deflexão da haste enviado ao fotodetector alimenta um sistema eletrônico de feedback (retroalimentação) que envia um comando para o scanner se mover no sentido vertical de modo a manter a força de interação agulha-superfície ou a distância agulha-superfície constante.
A força de interação ponta-superfície é controlada por um parâmetro operacional, o set point, que é um valor fixo de tensão elétrica que estabelece indiretamente a distância entre ponta e amostra, determinado pelo operador do microscópio. Quando a ponta passa por uma elevação na superfície da amostra, por exemplo, o sistema de controle envia um sinal elétrico para que o scanner suba, até que o valor do set point seja retomado. Quando a superfície da amostra possui uma cavidade, o sistema de controle faz com que o scanner desça para que novamente seja retomado o valor de referência (set point). Os valores de tensão elétrica enviados ao scanner para movimentá-lo verticalmente a cada ponto da superfície, convertidos em distância após adequada calibração, são armazenados por um software que transforma estes dados em imagens topográficas.
4.7.1 Modo de operação do MFA
Existem basicamente três regiões de interação entre sonda e amostra que dependem da distância entre ambas: região livre, região atrativa e região repulsiva (Zanette, 2010; Herrmann et al., 1997; Pinto et al., 2013). Essas regiões podem ser visualizadas pelo gráfico da energia potencial versus distância, mostrado Figura 22.
Figura 22. Curva de força pela distância de separação entre a agulha e amostra (Herrmann et al., 1997).
66 Cada modo de operação de um microscópio de força atômica é estabelecido de acordo com a região de interação em que atua de forma majoritária. São três os modos básicos de operação em MFA - o modo de contato, o modo de contato intermitente (tapping mode) e o modo de não contato, descritos conforme segue (Ferreira e Yamanaka, 2006):
No modo contato, o cantilever é mantido a poucos ângstrons da superfície da amostra e a força interatômica entre a ponta e a amostra é repulsiva. Neste modo de operação, a ponta faz um leve “contato físico” com a amostra produzindo imagens com alta resolução, mas a compressão e as forças geradas, entre a ponta e a superfície, podem causar danos à amostra, o que é especialmente prejudicial às amostras biológicas que são sensíveis e nem sempre fortemente aderidas ao substrato.
No modo de não-contato, o cantilever é mantido de dezenas a centenas de ângstrons da superfície da amostra e a força interatômica entre a ponta e a amostra é atrativa. Neste caso a ponta oscila em alta frequência (100 kHz a 1 MHz), a poucos nanômetros acima da superfície e a força total entre a ponta e a amostra é muito baixa, geralmente em torno de 10-12 N. Esta oscilação aumenta consideravelmente a sensibilidade do microscópio, o que faz com que forças de van der Waals e forças eletrostáticas possam ser detectadas. O modo de não-contato não sofre os efeitos do atrito sobre a amostra, causada pela ponta, conforme é observado no modo contato após diversas varreduras. Por outro lado, este modo não tem encontrado aplicabilidade geral, devido à instabilidade entre a ponta e as forças adesivas da superfície e à resolução reduzida pela distância ponta-amostra que é relativamente grande. Esta limitação tem sido contornada com a utilização do modo intermitente.
O modo contato intermitente é similar ao não-contato, exceto pelo fato de que a ponta vibrante fica mais próxima da amostra, de forma que tenha um contato intermitente e é utilizado para contornar as limitações impostas pelo modo contato. A comparação das imagens nos modos contato e intermitente mostra que as superfícies são menos modificadas no modo intermitente.
A Figura 23 apresenta de forma esquemática os três modos diferentes de operação do MFA.
Figura 23. Representação esquemática dos modos de operação em MFA: (a) modo contato, (b) modo não-contato e (c) modo intermitente (Ferreira e Yamanaka, 2006).