X. LA IMPORTANCIA DEL ULTRA-ALTO-VAC�O
EN LA lista de t�cnicas para el estudio de superficies se incluye al Ultra-Alto-Vac�o (UAV, la abreviaci�n utilizada en ingl�s es UHV, de Ultra High Vacuum). No es de ninguna manera una exageraci�n decir que la ciencia de superficies se desarroll� hasta el momento en que fue posible alcanzar el UAV. Veamos las razones para esa afirmaci�n, al mismo tiempo que entendemos qu� es el UAV y nos preguntamos realmente qu� tan vac�a est� una c�mara de experimentaci�n cuando decimos que se encuentra a ultra-alto-vac�o.
Los modernos equipos de investigaci�n y observaci�n de superficies est�n dise�ados de tal manera que se pueden aplicar varias t�cnicas en la misma c�mara, sin romper el vac�o. Los entendidos hablan de que hacen esto o aquello in situ.
Un investigador ha producido un cristal, digamos a partir de un metal, con una superficie que supondremos perfecta. La deja expuesta a la atm�sfera en que vivimos por un corto tiempo y regresa luego a hacer una observaci�n microsc�pica. Ha de ser microsc�pica ya que en la mayor�a de los casos no se nota ning�n cambio a simple vista, aunque en algunos casos s� puedan percibirse opacamientos e incluso cambios de color. Los �tomos de la especie qu�mica que utiliz� en el crecimiento aparecer�n recubiertos por una capa cuyo espesor puede llegar a ser igual al de varios de los planos cristalinos que conforman el cristal ahora sepultado. En una c�mara de UAV podr�a haberse dejado el cristal por tiempo indefinido sin que pr�cticamente �tomo �lguno hubiera venido a parar a la superficie. Digamos algo m�s cuantitativo para poder dar una idea m�s concreta de lo que es el UAV.
Antes que nada el concepto de monocapa. Se trata de la unidad con que los experimentadores nos comunican el grado de recubrimiento de una superficie. Consideremos un cent�metro cuadrado de una superficie perfecta, tr�tese de un metal para efectos de concreci�n. Ese cent�metro cuadrado nos presenta entre mil billones y dos mil billones de los �tomos del metal. El n�mero var�a con la especie qu�mica y con la estructura cristalina. Tomemos, con af�n de precisar, que mil quinientos billones de �tomos se encuentran en ese corral de un cent�metro cuadrado. Para que se vea nuestra riqueza en �tomos, recordemos que un bill�n es un mill�n de millones y no mil millones como para los estadounidenses. Pongamos ahora el cristal en una atm�sfera, que bien podr�a ser la misma que respiramos, pero para facilitar las cosas la escogemos como formada por un solo tipo de �tomos. Pensemos lo peor: todo �tomo que visita nuestro corral de un cent�metro cuadrado llega para quedarse pegado encima de uno de los �tomos que inicialmente forman nuestro cristal. Decimos que se ha producido un recubrimiento de una monocapa cuando todos los �tomos del corral han sido cubiertos. En nuestro caso preciso se ha requerido un dep�sito de mil quinientos billones de �tomos en un cent�metro cuadrado para completar la monocapa.
�Cu�nto tarda en producirse una monocapa? El tiempo depender� de tres caracter�sticas de la atm�sfera, la que suponemos en equilibrio t�rmico con el cristal y formada de mol�culas que tan pronto llegan a la superficie met�lica se pegan a ella: la temperatura, la naturaleza y la densidad de las mol�culas. Por simplicidad suponemos que la atm�sfera est� formada por un gas monoat�mico (las mol�culas tienen un solo �tomo). La cantidad que nos dice cu�l es el vac�o que tenemos es la presi�n. A temperatura fija (sup�ngase que fijamos la temperatura a 20� C, aproximadamente la temperatura en la que vivimos) la presi�n es directamente proporcional al n�mero de �tomos por cent�metro c�bico. La unidad de presi�n usada es el torr o mil�metro de mercurio. La presi�n de una atm�sfera equivale a 760 torr. As� que un torr es un poco m�s grande que la mil�sima de la presi�n atmosf�rica. A la presi�n de un torr una monocapa se deposita en unas cuantas millon�simas de segundo. Si la presi�n se reduce hasta una millon�sima de torr la monocapa se deposita en un tiempo ligeramente mayor a un segundo. Para que la monocapa se forme en una hora se requiere una presi�n de una mil millon�sima de torr (10 -9 torr).
Todo lo anterior quiere decir que en esta situaci�n de pensar lo peor, en la
que todo �tomo que llega a la superficie se pega a ella, si queremos realizar
un experimento que demore una hora necesitamos que en ese tiempo se forme s�lo
una fracci�n de monocapa (menos del 10% de monocapa). Se requiere entonces una
presi�n de una diez mil millon�sima de torr (10-10 torr),
o a�n menor. Se dice, cuando logramos presiones de 10-9
torr o menores, que hemos llegado a la regi�n del UAV.
Para acabar de darse cuenta del significado del UAV, es conveniente considerar la densidad del gas o, si se quiere, la distancia entre los �tomos que quedan en una atm�sfera con una presi�n de la diez mil millon�sima de torr. Para hacer todo m�s interesante, imagine, antes de seguir la lectura, cu�ntos �tomos habr�a en un cent�metro c�bico de la atm�sfera de la c�mara a presi�n de UAV. Para que el n�mero tenga significado hay que decir cu�ntos �tomos por cent�metro c�bico habr�a a la presi�n de una atm�sfera con una sola especie qu�mica, y, para sentir qu� tan vac�o es el UAV, hay que averiguar cu�ntos �tomos hay en un cent�metro c�bico de material interestelar en nuestra Galaxia (o ir m�s lejos indagando el n�mero para el material intergal�ctico). Los c�lculos son relativamente sencillos, basta saber la presi�n y la temperatura para decir cu�ntos �tomos quedan en cada cent�metro c�bico. No vamos a repetir los c�lculos, tan s�lo vamos a dar respuestas aproximadas para las diferentes densidades que hemos se�alado antes.
A la temperatura en que habitualmente vivimos y con presi�n de UAV
(10-10 torr) se tienen unos cuantos millones de �tomos
por cent�metro c�bico. A algunas gentes les resulta sorpresivo este n�mero,
les parece alto. �Lo es?
Los millones de �tomos (menos de diez) comprendidos en cada cent�metro c�bico
del UAV pueden considerarse, en promedio, uniformemente distribuidos
en el espacio. La distancia que guardan entre s� un par de �tomos vecinos es
de algo as� como una d�cima de mil�metro. Pareciera que los �tomos est�n demasiado
cerca. �No es as�? Para darnos una idea del orden de magnitud de la densidad
y de la separaci�n de estos �tomos, pensemos en la misma especie qu�mica a la
presi�n de una atm�sfera. La densidad se multiplicar�a por 1010
(diez mil millones) y la distancia por un factor de diez mil. La densidad obtenida
es de unos �dos mil quinientos millones de billones de �tomos por cent�metro
c�bico!, y la distancia entre �tomos es de aproximadamente una millon�sima de
mil�metro. A temperaturas mucho m�s bajas, entre las estrellas de nuestra Galaxia
se tienen densidades mucho menores. Tomemos como unidad la distancia que separa
a nuestro Sol del centro de la Galaxia. A un tercio de esa distancia, a partir
del centro gal�ctico, la densidad es de 0.4 �tomos por cent�metro c�bico, con
una separaci�n entre �tomos de aproximadamente 1.5 cent�metros. A distancias
comparables a la que nos encontramos del centro de la Galaxia la materia interestelar
tiene una densidad de un �tomo por cent�metro c�bico. Estos resultados se resumen
en la tabla 2.
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| Presión |
Temperatura °K |
Densidad átomos /cm³ |
Distancia entre átomos |
| |
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Atmosférica |
» 2.5 X
10 21 |
»
7.41 X 10 -8 cm |
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| 293 |
~ 10 -6 mm |
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760 torr |
Dos mil quinientos millones de billones |
~ millonésima de milimetro |
|
| |
|||
UAV |
»
3 X 10 6 |
»
6.77 X 10-2 cm |
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| 293 |
~ 0.07 mm |
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| tres millones |
casi un milímetro |
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Presión a 3 kiloparsecs del centro
de la Galaxia |
~ 3 |
0.4 |
~ 1.36 cm |
Presión a 10 kiloparsecs del
centro de la Galaxia |
~ 3 |
1 |
~ 1 cm |
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Tambi�n podemos pensar en un �tomo como una canica que tiene un cent�metro de di�metro, ponerla en una esquina de un campo de futbol y preguntarnos d�nde se encontrar� la siguiente canica. Pues bien, la canica m�s cercana se encuentra, cuando la presi�n es de 10-10 torr, a �diez kil�metros! A la presi�n atmosf�rica normal se encuentra en la siguiente esquina del campo.
Los trabajos iniciales en este campo se realizaban en c�maras de vidrio a las que se hac�a el vac�o. La f�sica de superficies debi� aplicarse al sistema que llevaba la se�al detectada de la muestra hasta los aparatos de registro o medici�n. Las l�neas que llevaban estas se�ales deb�an atravesar las c�maras de vidrio y los sellos que manten�an el vac�o eran interfaces entre el vidrio y el metal. Se deb�an resolver muchos problemas en esta interfaz para que resultase un buen sello. En la actualidad no existe m�s ese problema. Un laboratorio moderno de ciencia de superficies por lo regular puede efectuar la aplicaci�n de varias t�cnicas sin romper el vac�o. Las c�maras en las que se aplica cada t�cnica son de acero inoxidable. Los sellos son met�licos y no se presenta el problema de la interfaz vidrio-metal.
Un problema que s� tienen todos los sistemas es el de la contaminaci�n de las paredes que despu�s han de soportar el vac�o. Si no se tiene cuidado, se hace el vac�o y cuando se est�n realizando las m�s finas y detalladas mediciones empiezan a aparecer las se�ales de los �tomos que se quedaron agazapados en las paredes y que cuando sobrevino el UAV se sueltan. Hay que hacer que esos �tomos se suelten de las paredes para expulsarlos del sistema. Para ello es necesario preparar el sistema antes de iniciar el proceso para la obtenci�n del UAV. Se dice que es necesario "hornearlo". Por ejemplo, se pone el sistema entero a unos 200� C por doce horas, a fin de que las mol�culas pegadas en las paredes del sistema sean arrojadas de las superficies y cuando se haga el vac�o sean arrastradas con el resto de la atm�sfera que se quiere vaciar.
De nada sirve haber tenido especial cuidado para empezar con un sistema limpio (no contaminado) y haber logrado un excelente vac�o, si no se tienen superficies limpias o no se tiene la capacidad para limpiarlas.
Ya que cualquier tiempo de exposici�n a la atm�sfera contamina una muestra (ya vimos los tiempos de formaci�n de monocapas a la presi�n atmosf�rica), lo m�s conveniente es limpiar las superficies in situ. Hay varias formas de hacerlo. Se usa, por ejemplo, el calentamiento, en forma similar a como se horne� el sistema. Se puede partir la muestra, para tener una superficie "nueva". La muestra se corta siguiendo los planos cristalinos. En tal caso se dice que se ha clivado la muestra. Se puede hacer procesamiento qu�mico siempre con sustancias que no contaminen el recinto y finalmente, se puede limpiar la superficie a base de bombardeo de iones.
