Um microscópio de tunelamento por varredura (STM) é um tipo inovador de microscópio que, em vez de usar a luz que reflete como os modelos microscópios ópticos convencionais, ele utiliza o tunelamento quântico entre uma amostra e uma ponta da sonda para que a imagem da superfície seja perfeitamente analisada. As resoluções alcançadas por um STM pode ser tão elevada como 0,1 nm resolução lateral e 0,01 resolução de profundidade nm. Isto é algumas vezes maior do que as resoluções realizáveis utilizando os melhores microscópios por elétrons.

Basicamente, um microscópio de tunelamento por varredura pode atuar em uma variedade de ambientes: além de ultra alto vácuo, que também trabalha em ambientes saturados de água, ele também consegue se sair muito bem com o ar, etc. Isso faz com que o microscópio seja muito flexível. No entanto, a superfície deve estar muito limpa e da ponta do STM muito acentuada, causando assim desafios práticos na imagem. O modelo em questão foi desenvolvido por Gerd Binnig e Heinrich Rohrer, em 1981. Já em 1986, eles ganharam o Prêmio Nobel de Física pelo trabalho na área de pesquisa.

Microscópio de tunelamento por varredura

Microscópio de tunelamento por varredura

Uma ponta STM é tão afiada que consiste em apenas um único átomo. Quando o material é “maçante” e consiste de dois átomos, por conta disso, ele leva imagens mais confusas. O desafio de criar pontas afiadas suficientemente levou aos pesquisadores a explorar o uso de carbono como os nanotubos, e eles são reconhecidos por serem bastante rígidos e fáceis de produzir. A dica é sempre usar nele uma oplatina com irídio, que nada mais é do que uma combinação perfeita entre os materiais de ponta mais utilizados.

Como muitos outros microscópios, a vibração avançada por conta do amortecimento é muitas vezes necessária para criar um microscópio de varredura por tunelamento. Nos primeiros sistemas, o processo de levitação magnética foi usado, embora hoje existam sistemas baseados em concepções mais populares. Pouco depois disso, o STM se tornou bem conhecido, e um estudante do ensino médio nos Estados Unidos da América foi capaz de criar um modelo usando apenas cerca de $ 100 dólares americanos de materiais. E também, um osciloscópio foi usado como uma tela de imagem.

A ponta é guiada por um “piezo”, ou cristal piezelétrico, que se dobra em uma forma pequena, mas muito previsível em resposta a um campo elétrico. Ele ainda conta com um movimento na ponta que é completamente controlado por computador. Existem diversas técnicas para observação de detalhes ampliados de superfícies, como por exemplo, com lentes, que fazem uso de um microscópio óptico, inventado no século XVIII. Ainda neste período, foram desenvolvidos outros métodos de visualização baseados em feixe de luz.

Graças à invenção do microscópio de tunelamento (STM), tornou-se possível não só ver, como ainda medir e manipular moléculas ou átomos. A invenção desencadeou o desenvolvimento de uma grande variedade de microscópicos, seja por sonda, força atômica, força eletrostática, campo próximo, e demais estilos. Para que fique ainda mais claro, neste tipo de aparelho é utilizado uma ponta metálica de dimensões quase atômicas que é varrida bem próxima da superfície da mostra para que se possa fazer o tunelamento.

Vale ainda saber que, o seu princípio de funcionamento se baseia na Mecânica Quântica do comportamento dual do elétron, que significa que ele pode se comportar como partícula comum ou como onda. Isso quer dizer que, como onda, o STM pode penetrar em locais que, antes, segundo a Mecânica Clássica, seria praticamente impossível alcançar e, além disso, ele pode tunelar através de uma barreira de potencial que é capaz de separar duas regiões classicamente permitidas. Sendo assim, a formulação da Mecânica Quântica é que permitiu esses avanços. Porém, uma probabilidade não nula da onda pode atravessar uma barreira que é um fenômeno conhecido por efeito túnel ou tunelamento. Nele, aplica-se uma tensão elétrica entre uma agulha de tungstênio, com a ponta extremamente fina e a amostra a ser analisada. Por meio desta tensão irá aumentar a probabilidade de transferência de elétrons. Contudo, para que isso ocorra de maneira correta é necessário que os elétrons da agulha sejam tunelados para a amostra.