Química Integral

Microscópio de tunelamento com varredura (STM)

É possível ver manchas coloridas que nos dão a localização desses átomos no material estudado, por meio do microscópio de tunelamento por varredura (STM). Seu princípio de funcionamento baseia-se no comportamento como onda do elétron, que pode provocar o efeito de tunelamento.

Imagem obtida em um microscópio de tunelamento (7 nm x 7 nm) de uma cadeia em zigue-zague simples de átomos de césio (vermelho) sobre uma superfície d

Quando se estuda os modelos atômicos de Dalton, Thomson, Rutherford e Böhr, nota-se que os átomos são vistos isoladamente. Na realidade, porém, nem os mais avançados microscópios são capazes de nos permitir ver um átomo isolado.
No entanto, com o desenvolvimento da tecnologia, criaram-se máquinas que nos permitem visualizar manchas coloridas que nos dão a localização desses átomos no material estudado.
O primeiro equipamento que nos permitiu tal façanha de gerar imagens reais de superfícies com resolução atômica foi o Microscópio de Tunelamento por Varredura ou simplesmente Microscópio de Tunelamento (STM, sigla em inglês para Scanning Tunneling Microscope). Com ele é possível, então, resolver as superfícies em uma escala atômica e visualizar as imagens reais dos átomos e moléculas na superfície de um sólido.

Imagem, à esquerda, de um microscópio de tunelamento inteiro; e à direita, visto pelo lado de fora.

O microscópio de tunelamento (STM) foi criado em 1981, pelos cientistas Gerd Binning e Heinrich Rohrer, da IBM de Zurich, que acabaram recebendo o PrêmioNobel de Física em 1986 por essa descoberta.
Seu princípio de funcionamento se baseia no princípio da Mecânica Quântica do comportamento dual do elétron, ou seja, ele pode se comportar ora como partícula e ora como onda. Isso significa que, como onda, ele pode penetrar em locais que, antes, segundo a Mecânica Clássica, seria impossível e, além disso, pode tunelar através de uma barreira de potencial que separa duas regiões classicamente permitidas. Assim, só com a formulação da Mecânica Quântica é que esses avanços foram possíveis.
De tal modo, essa probabilidade não nula que a onda apresenta de atravessar uma barreira é um fenômeno conhecido por efeito túnel ou tunelamento.
Aplica-se uma tensão elétrica entre uma agulha de tungstênio, com a ponta extremamente fina e a amostra a ser analisada. Essa tensão serve para aumentar a probabilidade de transferência de elétrons. Pois o que ocorrerá é que, ao se aproximar a agulha da amostra, os elétrons da agulha serão tunelados para a amostra.

Interior do microscópio de tunelamento por varredura.

Essa agulha se move sobre a superfície do material fazendo uma varredura sobre ele e os elétrons tunelados geram uma pequena corrente elétrica, que é captada pelo circuito da máquina, enviando essas informações para o computador, que levanta a topografia dos átomos na superfície da amostra, ou seja, registra o seu relevo (potencial).
A intensidade da corrente depende da distância; e a constância dela depende da variação da distância entre a ponta da agulha e a amostra.
Utilizando essa técnica, várias imagens atômicas de superfícies de semicondutores já foram registradas, assim como de moléculas adsorvidas quimicamente.

Imagens obtidas em um microscópio de tunelamento de hidrogênio, de uma molécula orgânica chamada PTCDA (fórmula descrita abaixo das imagens), depositada sobre um substrato de ouro.

As amostras analisadas devem ser condutoras e, para um melhor resultado, devem ser feitas no vácuo. Elas também podem ser feitas na atmosfera, porém o ar pode tornar a amostra impura e comprometer a imagem obtida.
Graças à invenção do STM, passou a ser possível não só visualizar os átomos e as moléculas, mas também medi-los e manipulá-los. E isso desencadeou o desenvolvimento de uma grande variedade de microscópicos de varredura por sonda (SPM).