La microscopía de fuerza lateral revela vacantes atómicas subsuperficiales en MoS₂, revirtiendo una suposición de larga data
Por Marie, periodista científica para 1ban.news
Durante décadas, se pensó que la microscopía de fuerza lateral (LFM), una técnica de sonda de barrido que mide las fuerzas de fricción a escala nanométrica, solo era sensible a la capa atómica más superficial. Se suponía que las características subsuperficiales eran invisibles para la punta que se desliza sobre la superficie.
Un equipo liderado por Cristina Gómez-Navarro en la Universidad Autónoma de Madrid y J. G. Vilhena en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) ha demostrado que esa suposición era incorrecta. En un estudio publicado el 9 de julio en Nature Communications, demuestran que la LFM no solo puede detectar vacantes atómicas debajo de la superficie del disulfuro de molibdeno (MoS₂), sino que también puede clasificarlas por profundidad basándose en huellas de fricción distintivas.
Dos firmas, dos profundidades
Los investigadores utilizaron LFM en modo de contacto en monocapa y pocas capas de MoS₂, un dicalcogenuro de metal de transición ampliamente estudiado por sus propiedades electrónicas y ópticas. A medida que la punta afilada escanea la superficie, la deflexión torsional del cantiléver registra la fuerza lateral (de fricción) en cada punto.
Cuando la punta encontraba una vacante superficial, un átomo de azufre faltante en la capa superior, la señal de fricción mostraba un patrón característico que el equipo llama «caída-y-subida»: la fuerza lateral cae repentinamente cuando la punta se hunde en el sitio del átomo faltante, luego sube bruscamente al salir.
Cuando la punta pasaba sobre una vacante subsuperficial, un átomo faltante una capa debajo de la superficie, la firma era completamente diferente. No había caída de entrada (la capa superficial está intacta, por lo que la punta no cae en un agujero), pero aparecía un pico de fricción pronunciado en el lado de salida. Esta barrera de salida, explica el equipo, surge porque el átomo faltante debajo crea una distorsión local de la red que «pellizca» la punta asimétricamente mientras se mueve.
Verificado por simulación
Las observaciones experimentales fueron confirmadas por simulaciones de dinámica molecular y capturadas cuantitativamente por un modelo de Prandtl-Tomlinson, un marco clásico para la fricción a nanoescala. De manera crítica, las simulaciones revelaron que el mecanismo es geométrico más que químico: la disrupción de la red causada por el átomo faltante afecta la trayectoria de la punta independientemente del material específico.
Esto significa que la técnica debería generalizarse a toda la familia de materiales en capas, grafeno, nitruro de boro hexagonal, otros dicalcogenuros de metales de transición y más allá.
Una herramienta práctica para el control de calidad de materiales 2D
El hallazgo tiene implicaciones prácticas inmediatas. Las vacantes atómicas se encuentran entre los defectos más comunes en materiales bidimensionales, y su presencia, y profundidad, afecta directamente las propiedades electrónicas, ópticas y mecánicas. Hasta ahora, identificar vacantes subsuperficiales requería microscopía electrónica de transmisión (que puede dañar la muestra) o microscopía de efecto túnel (que requiere vacío y muestras conductoras). La LFM ofrece una alternativa no destructiva, de alta resolución y relativamente alto rendimiento que funciona en condiciones ambientales.
El equipo demostró la utilidad del método comparando la densidad y el tipo de defectos entre MoS₂ cultivado por deposición química de vapor (CVD) y muestras exfoliadas mecánicamente. Las películas cultivadas por CVD mostraron una densidad global de vacantes más alta pero una relación superficie-subsurface diferente, información que podría retroalimentar la optimización de la síntesis.
Implicaciones más amplias
El trabajo también replantea cómo los investigadores deberían interpretar los datos existentes de LFM. Si las características subsuperficiales, no solo la topografía superficial, influyen en la fricción sobre MoS₂, lo mismo podría ser cierto para otros materiales donde se ha medido la fricción a nanoescala. Algunas señales de fricción previamente atribuidas a la química superficial podrían, en retrospectiva, haber sido causadas por defectos subsuperficiales ocultos.
Para el floreciente campo de los dispositivos de materiales 2D, la capacidad de mapear de forma no destructiva las vacantes subsuperficiales a escala podría convertirse en un paso metrológico estándar, uno que no requiere instrumentación especializada más allá de los microscopios de fuerza atómica ya comunes en los laboratorios de nanociencia.
El trabajo fue apoyado por el Ministerio de Ciencia español, la Beca de Inicio ERC HeaT2Defects, la Comunidad de Madrid y el Centro Nacional de Ciencias de Polonia, entre otros.
Fuentes:
1. Gutiérrez-Varela, O., Zambudio, A., Ares, P. et al. «Unveiling surface and subsurface atomic vacancies in MoS₂ with lateral force microscopy.» Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-75151-0
2. Materiales de prensa ICMM-CSIC / UAM / IFIMAC, julio de 2026.
Traducido por Alessandra