El aislamiento de vibraciones de rigidez negativa está ganando popularidad como solución preferida para aplicaciones de nanotecnología en la academia y la industria

DR. DAVID L. PLATUS, INVENTOR DE LOS AISLADORES DE VIBRACIONES DE RIGIDEZ NEGATIVA Y PRESIDENTE Y FUNDADOR DE MINUS K TECHNOLOGY

No hace mucho tiempo que tomar la decisión de dónde ubicar un microscopio de sonda de barrido (SPM) era muy sencillo; colóquelo en el sótano donde se minimiza la vibración ambiental. Aunque recientemente, con el crecimiento exponencial de las aplicaciones de la nanotecnología, los científicos e ingenieros están colocando sus equipos en una multitud de lugares donde el ruido de vibración es significativamente alto. Los SPMs, interferómetros y perfiladores de palpadores se están ubicando en lugares que representan un serio desafío para el aislamiento de vibraciones.

Además, en un intento de mantener los costos lo más bajos posible, muchos académicos y profesionales de la industria no están proporcionando adecuadamente el aislamiento de vibraciones en los nano-equipos ultrasensibles que se están instalando en sus instalaciones. Aunque las instalaciones de alto presupuesto (valoradas en cientos de miles de dólares) suelen incorporar un aislamiento adecuado de las vibraciones, este no es el caso de muchas instalaciones de menor presupuesto (aquellas que gastan menos de 120.000 dólares en equipos), que representan el área de crecimiento más rápido en el universo de la nanotecnología. Se estima que entre el 40 y el 50 por ciento de estos sitios, tanto en la academia como en la industria, se inician con un aislamiento inadecuado de las vibraciones.

Esto se ve influenciado hasta cierto punto por el hecho de que quienes especifican los nano-equipos no siempre comprenden plenamente su extrema sensibilidad y que se requiere una selección adecuada del emplazamiento y un aislamiento de las vibraciones. Cualquier tipo de microscopio -incluso un microscopio óptico de alta potencia- u otro instrumento de nanonivel debe estar aislado contra el ruido, de lo contrario las imágenes aparecen difusas y borrosas o a veces no aparecen en absoluto.

Los aisladores de vibraciones son una de esas necesidades en las que la gente no está realmente enfocada a la hora de comprar un instrumento como un microscopio de fuerza atómica (AFM)", explicó George McMurtry, CEO de NanoAndMore USA, un proveedor de sondas, puntas y cantilevers de AFM.

Pero es diferente para los microscopios electrónicos de barrido (SEM) y los microscopios electrónicos de transmisión (TEM) de mayor tamaño porque son equipos muy caros que técnicamente requieren todo tipo de aislamiento para funcionar correctamente. Entonces, son más propensos a hablar de ello por adelantado"

Interferómetro Láser Aislamiento de Vibraciones

McMurtry continuó: "Cuando se entra en los instrumentos más pequeños, como los microscopios de fuerza atómica, los interferómetros de luz blanca, los interferómetros láser y los perfiladores de palpadores, se encuentran problemas con la preparación del lugar. En muchos casos, no se realiza mucha preparación del lugar, a pesar de que estos instrumentos pueden estar situados en el cuarto piso de un edificio y, sin aislamiento, terminarán produciendo imágenes realmente pobres.

"Los clientes a menudo nos preguntan qué sonda resolverá un problema específico que están experimentando. A veces ninguna sonda va a resolver su problema, ya que primero tienen que resolver su problema de ruido, y eso significa que tienen que buscar algún tipo de aislamiento mecánico"

A medida que la instrumentación se vuelve más y más compleja, y las mediciones se hacen más y más pequeñas, las vibraciones que están presentes comienzan a dominar, y la necesidad de un aislamiento más efectivo aumenta. Los aisladores han sido usados desde el principio con los AFMs en los años 80, pero no había muchos AFMs en ese entonces y la mayoría de ellos estaban en sótanos. El uso de los nano-instrumentos ha crecido dramáticamente, y la necesidad de un mayor aislamiento ha seguido esta tendencia.

"Hay tantas más personas que usan AFMs en tantos ambientes diferentes que se necesitan aisladores más a menudo", confirmó Mark Flowers, presidente de Nanoscience Instruments, un proveedor de herramientas de metrología a escala micro y nanométrica. "En los primeros días, ponías tu AFM en el sótano, pero ahora la gente quiere utilizarlo en los pisos superiores.

El sótano es un ambiente mucho mejor para los AFMs y uno en el que podrían arreglárselas con un aislante poco sofisticado", continuó Flowers: "En muchos casos, el consumidor no es consciente de la necesidad de aislamiento.

Discutimos con ellos el tipo de entorno en el que se instalarán los equipos y las aplicaciones a las que aspiran, antes de determinar lo que necesitarán en un aislador. Estamos viendo un enorme crecimiento en el mercado de la educación; hay muchas iniciativas para exponer a los estudiantes universitarios y de secundaria a la nanotecnología, pero no necesariamente saben lo que necesitan para mantener un aislamiento adecuado"

Las vibraciones suelen ser muy sutiles. Por ejemplo, no se pueden sentir a través de las manos o los pies, pero causan mucho ruido y molestias para un AFM o un interferómetro.

Las vibraciones son atribuibles a una multitud de factores, no se originan en un solo lugar. Los propios edificios están en constante vibración y, por lo tanto, emiten ruido. La intensidad de estas vibraciones varía en función de la antigüedad del edificio y de la altura sobre el suelo a la que se encuentre el equipo.

"A MEDIDA QUE LA INSTRUMENTACIÓN SE VUELVE MÁS Y MÁS COMPLEJA, Y LAS MEDICIONES SE HACEN MÁS Y MÁS PEQUEÑAS, ESAS VIBRACIONES QUE ESTÁN PRESENTES COMIENZAN A DOMINAR, Y LA NECESIDAD DE UN AISLAMIENTO MÁS EFECTIVO AUMENTA"

Luego están los factores dentro del edificio, por ejemplo, los sistemas de calefacción y ventilación, los ventiladores, las bombas que no están debidamente aisladas y los ascensores. Estos dispositivos mecánicos son responsables de una tremenda cantidad de vibración y dependiendo de la distancia a la que se encuentren los instrumentos, pueden o no ser afectados negativamente.

Por último, también deben tenerse en cuenta los factores externos al edificio, como el tráfico adyacente, la construcción y las condiciones meteorológicas. Por ejemplo, una brisa causa una pequeña cantidad de movimiento, pero la oscilación de la brisa por sí sola mide alrededor de 2 Hz y puede causar una resonancia sustancial. Un tren cerca del edificio causa movimiento en la losa de cemento, nada visible a simple vista o que se pueda sentir, pero tiene consecuencias desastrosas para la instrumentación. Estas influencias internas y externas causan vibraciones de baja frecuencia, causando estragos en la nanoinstrumentación.

Imagine tratar de medir sólo unos pocos angstroms o nanómetros de desplazamiento usando un instrumento en una superficie que no es completamente estable. Cualquier vibración transferida a la estructura mecánica del instrumento causa ruido vertical y, fundamentalmente, resulta en una incapacidad para medir este tipo de características de alta resolución.

Un aislante de vibraciones se utiliza para resolver el problema, pero la gravedad del problema determinará el tipo de aislante necesario. Las mesas de aire se han utilizado desde la década de 1960. Son básicamente latas de aire y siguen siendo los aislantes más populares. Sin embargo, las mesas de aire ofrecen frecuencias resonantes de 2 a 2,5 Hz y, por lo tanto, normalmente sólo pueden manejar vibraciones de alrededor de 8 a 10 Hz, lo que no es lo suficientemente bajo para un rendimiento óptimo en los equipos modernos a nivel nanométrico. Para mayor claridad en interferómetros y SPMs, las mesas de aire son una solución de aislamiento ineficiente. Eran adecuados hasta hace una década, cuando el mejor aislamiento se convirtió en un requisito.

Los lectores recordarán que durante los primeros años de la nanotecnología, los científicos de investigación suspendieron sus costosos AFM de las cuerdas elásticas que colgaban del techo como medio para mantener un aislamiento aceptable de las vibraciones. Aunque algunos siguen empleando esta técnica, su número está disminuyendo; la mayoría no está dispuesta a correr el riesgo de obtener imágenes y conjuntos de datos deficientes y, por lo tanto, ha optado por utilizar sistemas de aislamiento de vibraciones de buena reputación.

Uno de estos sistemas es el aislamiento activo, también conocido como cancelación electrónica de fuerza. El aislamiento activo utiliza la electrónica para detectar el movimiento, y luego pone en cantidades iguales de movimiento electrónicamente para compensar, cancelando efectivamente el movimiento. Su eficiencia está bien para las aplicaciones de nanotecnología más recientes porque pueden empezar a aislar hasta 0,7 Hz, lo que es suficiente para aislar las frecuencias más bajas que son tan perjudiciales para la claridad de la imagen con SPMs e interferómetros.

Sin embargo, si la instrumentación puede ser aislada mecánicamente pero no tiene que depender de la electricidad, esta es una restricción menos que debe ser considerada en la ecuación de aislamiento de vibraciones. De hecho, el sistema de rigidez negativa se ha convertido en una opción popular por esta misma razón. No sólo es una solución altamente viable, sino que proporciona la flexibilidad y portabilidad de la ubicación que otros sistemas de aislamiento de vibraciones no tienen.

Los aisladores de rigidez negativa ofrecen un enfoque pasivo para lograr entornos de baja vibración y aislamiento contra vibraciones sub-Hz. Permiten que los instrumentos sensibles a las vibraciones, como los microdurezas, los SEM y los SPM, funcionen en entornos de vibraciones severas, como las plantas superiores de los edificios y las salas limpias. Las imágenes y los datos producidos son muchas veces mejores que los que se pueden obtener con los aisladores neumáticos.

Los aisladores de rigidez negativa se basan en un concepto único y completamente mecánico de aislamiento de vibraciones de baja frecuencia y comprenden tanto un aislador de movimiento vertical de mecanismo de rigidez negativa (NSM) como un aislador de movimiento horizontal de NSM. Un resorte rígido que soporta una carga de peso se combina con un NSM para formar el aislador de movimiento vertical. La rigidez vertical neta se hace muy baja sin afectar la capacidad de soporte de carga estática del resorte. Las columnas de viga se conectan en serie con el aislador de movimiento vertical para formar el aislador de movimiento horizontal.

La rigidez horizontal de las columnas de la viga se reduce por el efecto viga-columna. Una viga-columna se comporta como un resorte cuando se combina con un NSM. El resultado es un aislador pasivo compacto capaz de frecuencias naturales verticales y horizontales muy bajas y frecuencias estructurales internas muy altas.

"LO QUE PROPORCIONAN LOS AISLADORES DE RIGIDEZ NEGATIVA ES REALMENTE ÚNICO EN EL CAMPO DE LA NANOTECNOLOGÍA. LA TRANSMISIBILIDAD SE MEJORA SUSTANCIALMENTE EN COMPARACIÓN CON EL AIRE O LOS SISTEMAS DE AISLAMIENTO ACTIVO"

"La mejora del aislamiento de las vibraciones se correlaciona directamente con la mejora del rendimiento de los instrumentos", declaró Patrick O'Hara, ex presidente y director general de Ambios Technology, fabricante de SPM, perfiladores de palpadores e interferómetros ópticos utilizados en nanotecnología (adquiridos por KLA-Tencor). "Cuando se trata de medir características a escala atómica, las estructuras de soporte mecánicamente estables son de importancia crítica. Hasta la llegada de los microscopios de sonda, y algunas de las otras técnicas de adquisición de imágenes y datos de muy alta resolución, los aisladores de aire eran adecuados para la mayoría de las aplicaciones, pero ya no lo son"

O'Hara continuó: "Lo que proporcionan los aisladores de rigidez negativa es realmente único en el campo de la nanotecnología. En particular, me refiero a su transmisibilidad. Es la vibración que se transmite a través del aislador, medida en función de las vibraciones del suelo. La transmisibilidad se mejora sustancialmente en comparación con el aire o los sistemas de aislamiento activo"

"LO QUE PROPORCIONAN LOS AISLADORES DE RIGIDEZ NEGATIVA ES REALMENTE ÚNICO EN EL CAMPO DE LA NANOTECNOLOGÍA. EN PARTICULAR, ME REFIERO A SU TRANSMISIBILIDAD. ES DECIR, LA VIBRACIÓN QUE SE TRANSMITE A TRAVÉS DEL AISLADOR, MEDIDA EN FUNCIÓN DE LAS VIBRACIONES DEL SUELO. LA TRANSMISIBILIDAD SE MEJORA SUSTANCIALMENTE EN COMPARACIÓN CON EL AIRE O LOS SISTEMAS DE AISLAMIENTO ACTIVO"

Los aisladores de rigidez negativa resuenan a 0,5 Hz. A esta frecuencia, casi no hay energía presente. Sería muy inusual encontrar una vibración significativa a 0.5 Hz. Las vibraciones con frecuencias superiores a 0,7 Hz (donde los aisladores de rigidez negativa comienzan a aislarse) se atenúan rápidamente con aumentos de frecuencia. Los aisladores de aire pueden empeorar los problemas de aislamiento de vibraciones, ya que tienen una frecuencia de resonancia que puede igualar la de las vibraciones del suelo.

Cuando se ajustan a 0.5 Hz, los aisladores de rigidez negativa logran aproximadamente un 93 por ciento de eficiencia de aislamiento a 2 Hz, 99 por ciento a 5 Hz y 99.7 por ciento a 10 Hz.

Los avances en el aislamiento de vibraciones han permitido la fabricación y la investigación para alcanzar niveles de precisión que no eran posibles antes cuando el aislamiento neumático era la única opción. Tanto los sistemas de aislamiento de vibraciones activos como los de rigidez negativa han evolucionado en los últimos 20 años y ahora permiten que la instrumentación de precisión funcione a nanoescala con una precisión sin precedentes.