Control de la vibración: El aislamiento de rigidez negativa de baja frecuencia es compacto para microscopía

El montaje del aislamiento de vibraciones de alto rendimiento en una plataforma de microscopio pequeña se puede realizar con aisladores mecánicos de rigidez negativa.

Las moléculas, materiales e interfaces de imagen a longitudes de micro y nanómetro pueden presentar un desafío para la microscopía. Las técnicas de micro y nanoanálisis de laboratorio, como la microscopía de fuerza atómica (AFM), la microscopía de barrido de túneles (STM), la microscopía óptica de superresolución y los métodos avanzados de análisis de espectroscopía de superficie, como la dispersión Raman mejorada en superficie (SERS), están diseñadas para maximizar la rigidez y reducir al mínimo la deriva para afectar las grabaciones precisas. Para obtener imágenes precisas de la composición, composición química y comportamiento de estas pequeñas estructuras, es necesario que los instrumentos de microscopía se coloquen en un entorno de funcionamiento ultrastable, lo más libre posible de vibraciones ambientales y operativas, ya que las señales medidas pueden estar influenciadas por frecuencias que van desde menos de 1 Hz hasta 400 Hz.

Estas vibraciones pueden provenir del viento, la actividad sísmica, la construcción y el transporte cercanos, los ascensores, las bombas, los compresores, los ventiladores, los motores y los equipos de tratamiento de aire para la calefacción, la refrigeración, la ventilación y la seguridad de los edificios en los laboratorios. Estas fuentes contribuyen a la vibración ambiental en toda la estructura del edificio, que se transmite a través de la sensible instrumentación de microscopía. La vibración es típicamente más pronunciada ya que la instrumentación está ubicada en los pisos más altos del edificio, y cuando está más cerca de la fuente de la vibración.

Se han utilizado varios sistemas de aislamiento de vibraciones para disminuir o eliminar la influencia de estas vibraciones en los instrumentos de microscopía sensibles. Estas soluciones van desde bloques de goma relativamente simples, resortes metálicos y prototipos suspendidos por cable elástico, hasta mesas de aire más sofisticadas, sistemas electrónicos activos y sistemas de aislamiento pasivo construidos con tecnologías y materiales más avanzados para un aislamiento de vibraciones de mayor precisión a bajas frecuencias.

AISLAMIENTO DE VIBRACIONES ADAPTABLE

Así como la naturaleza de la investigación a nivel de micro y nanómetro requiere una mayor precisión en el aislamiento de vibraciones de baja frecuencia que lo que ha estado disponible anteriormente con las técnicas tradicionales, también ha exigido sistemas de aislamiento de vibraciones para proporcionar un mayor nivel de flexibilidad de localización y adaptabilidad a las limitaciones de espacio

El espacio para la investigación de laboratorio es cada vez más escaso. Los científicos e ingenieros deben ubicar su instrumentación en una multitud de lugares donde el ruido de vibración es significativamente alto. Se están instalando microscopios de sonda de barrido, interferómetros y perfiladores de palpadores en lugares que plantean un serio desafío para el aislamiento de vibraciones. En consecuencia, muchos laboratorios de investigación académicos y comerciales no sólo están proporcionando un aislamiento de vibraciones inadecuado para sus instrumentos de microscopía ultrasensible, sino que estos sistemas carecen de la flexibilidad necesaria para adaptarse a las diversas ubicaciones y limitaciones de espacio.

El nuevo punto de referencia para los sistemas de aislamiento de vibraciones para micro y nanomicroscopia puede definirse como "universalmente adaptable" Esto puede ejemplificarse con tres características:

1. Aislamiento de baja frecuencia en lugares con problemas de vibración;

2. Aislamiento de vibraciones portátil, sin necesidad de energía ni aire;

3. Adaptable para el aislamiento de vibraciones de baja frecuencia en espacios reducidos.

De estos factores, es la capacidad de adaptarse a las estrechas limitaciones de espacio mientras se aíslan las vibraciones de baja frecuencia que hasta ahora no han estado disponibles en los laboratorios de microscopía.

LA PLATAFORMA DE BAJA ALTURA Y BAJA FRECUENCIA MITIGA LAS LIMITACIONES DE ESPACIO

Dadas las condiciones estrechamente supervisadas que se requieren para los entornos controlados, como las cámaras de vacío y las salas limpias, no es de extrañar que cada centímetro de espacio en las protoboards y plataformas que soportan la instrumentación de microscopía de precisión de un laboratorio dentro de estos entornos se optimice al máximo. En estos entornos controlados, también se optimiza el espacio en el suelo y en la mesa de trabajo. Y los laboratorios de microscopía que operan fuera de entornos controlados suelen funcionar en parámetros confinados, con poco espacio de sobra.

Las opciones de aislamiento de vibraciones para la instrumentación de microscopía en estos entornos se han limitado a sistemas de varias pulgadas de altura y más altos, que para muchos pueden ser demasiado altos. Esto puede crear condiciones de trabajo estrechas y limitar la instrumentación que se puede incluir en las protoboards y plataformas.

Una plataforma de sobremesa con aislamiento de vibraciones de rigidez negativa de Minus K Technology alivia considerablemente este problema de espacio, ya que su diseño le permite tener una altura de sólo 2,25 pulg. La plataforma, llamada CT-1, tiene una frecuencia natural vertical de 0,5 Hz y frecuencias naturales horizontales de 2-2,25 Hz (Minus K está investigando frecuencias naturales horizontales aún más bajas); estas son cifras considerablemente más bajas que el rendimiento de aislamiento de vibraciones de las mesas de aire y los sistemas activos.

Los aisladores de rigidez negativa se basan en un concepto totalmente mecánico para lograr el aislamiento de vibraciones de baja frecuencia. El modo mecánico pasivo elimina la necesidad de electricidad o aire comprimido: no hay motores, bombas o cámaras, y no hay mantenimiento porque no hay nada que desgastar.

En el aislamiento de vibraciones de rigidez negativa, el aislamiento de movimiento vertical es proporcionado por un resorte rígido que soporta una carga de peso, combinado con un mecanismo de rigidez negativa. La rigidez vertical de la red es muy baja sin afectar la capacidad de soporte de carga estática del resorte. Las flexiones especiales conectadas en serie con el aislador de movimiento vertical permiten el aislamiento de muy baja altura y movimiento horizontal. El resultado es un aislador pasivo compacto con capacidad para bajas frecuencias naturales verticales y horizontales y altas frecuencias estructurales internas.

El aislador alcanza un alto nivel de aislamiento en múltiples direcciones y tiene la flexibilidad de permitir la adaptación personalizada de las frecuencias resonantes vertical y horizontalmente. El hecho de que el aislador funcione de manera totalmente flexible, y no por traducción (lo que puede presentar un comportamiento de fricción y deslizamiento), permite que el aislador funcione en entornos de vibraciones extremadamente bajas, lo que no sería práctico con mesas de aire de alto rendimiento y otras tecnologías de mitigación de la vibración como los sistemas activos.

La vibración que se transmite a través del aislador medida en función de las vibraciones del suelo se denomina transmisibilidad. La transmisibilidad del aislador de rigidez negativa se mejora sustancialmente en los sistemas de aislamiento activo y de aire: cuando se ajusta a una frecuencia natural vertical de 0,5 Hz, el aislador de rigidez negativa alcanza aproximadamente un 93% de eficiencia de aislamiento a 2 Hz, un 99% a 5 Hz y un 99,7% a 10 Hz.

Los sistemas de aislamiento de vibraciones de rigidez negativa se han convertido en una opción creciente para aplicaciones de microscopía de micro y nanotecnología. No sólo son una solución de vibración altamente viable, sino que también proporcionan una flexibilidad de ubicación y portabilidad que otros sistemas de aislamiento de vibraciones no pueden ofrecer.