No texto Como é um átomo?, foi mostrado que não é possível visualizar átomos ou moléculas individuais, nem mesmo usando ultramicroscópios de luz bem avançados. No entanto, no ano de 1981, os cientistas suíços Gerd Binnig e Heinrich Rohrer conseguiram inventar um Microscópio que permitia obter imagens de átomos e moléculas na superfície de um sólido.
Esse equipamento passou a ser chamado de Microscópio de tunelamento com varredura (STM = Scanning Tunneling Microscope). Conforme a figura mais a seguir mostra, o STM é composto de uma fina agulha acoplada a um cristal piezoelétrico (como os existentes em aparelhos de som). Esse cristal possui a capacidade de converter a pressão (piezo) em impulsos elétricos por meio de deslocamentos atômicos em sua estrutura. Assim, é aplicada uma diferença de potencial entre a agulha e o material analisado.
O chamado efeito túnel ou tunelamento é conhecido desde a formulação da mecânica quântica, que prevê um comportamento ondulatório para a matéria e que, consequentemente, uma partícula, como o elétron, pode ser descria em função de onda. Desse modo, a mecânica quântica prevê a possibilidade de o elétron entrar em uma região proibida e tunelar através de uma barreira de potencial que separa duas regiões classicamente permitidas.
É isso que ocorre quando a agulha é colocada bem próxima da superfície da amostra, em escalas de aproximação nanométricas, que são conseguidas porque o computador está programado, quando estímulos elétricos são aplicados, a gerar movimentos muito precisos nessa escala. Então, os elétrons da superfície da amostra começam a tunelar para a ponta da agulha e vice-versa, dependendo da polaridade de voltagem aplicada.
Quando isso acontece, os elétrons tunelados emitem uma corrente elétrica pequena (corrente de tunelamento). Ao medir essa corrente elétrica, obtém-se uma imagem topográfica da superfície com uma resolução atômica.
Esquema de Microscópio de tunelamento com varredura (STM)
Portanto, não é que esse Microscópio de tunelamento seja capaz de tirar uma foto dos átomos e moléculas na superfície, mas é como se essas máquinas pudessem senti-los. A título de comparação, é como quando passamos nossa mão bem perto da tela de uma televisão ligada, mas sem tocá-la, e sentimos certo formigamento. De modo similar, o computador coleta os dados e desenha um mapa da corrente sobre a superfície que corresponde a um mapa das posições atômicas.
A probabilidade de tunelamento varia de átomo para átomo, de modo que, em alguns casos, a imagem corresponde a algo muito próximo da topografia pura, enquanto, em outros, não.
O Microscópio de tunelamento com varredura (STM) foi o primeiro equipamento inventado que permitiu medir e manipular os átomos e moléculas. Mas, depois dele, foram criados outros microscópios de varredura por sonda (SPM - Scanning Probe Microscope), tais como o microscópio de força atômica (AFM - Atomic Force Microscope), o microscópio de força magnética (MFM - Magnetic Force Microscope), o microscópio de força eletrostática (EFM - Electrostatic Force Microscope), o microscópio ótico de campo próximo (SNOM - Scanning Near-Field Optical Microscope) e todos os derivados.
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