X. LA IMPORTANCIA DEL ULTRA-ALTO-VACÍO
EN LA lista de técnicas para el estudio de superficies se incluye al Ultra-Alto-Vacío (UAV, la abreviación utilizada en inglés es UHV, de Ultra High Vacuum). No es de ninguna manera una exageración decir que la ciencia de superficies se desarrolló hasta el momento en que fue posible alcanzar el UAV. Veamos las razones para esa afirmación, al mismo tiempo que entendemos qué es el UAV y nos preguntamos realmente qué tan vacía está una cámara de experimentación cuando decimos que se encuentra a ultra-alto-vacío.
Los modernos equipos de investigación y observación de superficies están diseñados de tal manera que se pueden aplicar varias técnicas en la misma cámara, sin romper el vacío. 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 atmósfera en que vivimos por un corto tiempo y regresa luego a hacer una observación microscópica. Ha de ser microscópica ya que en la mayoría de los casos no se nota ningún cambio a simple vista, aunque en algunos casos sí puedan percibirse opacamientos e incluso cambios de color. Los átomos de la especie química que utilizó en el crecimiento aparecerán 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 cámara de UAV podría haberse dejado el cristal por tiempo indefinido sin que prácticamente átomo álguno hubiera venido a parar a la superficie. Digamos algo más cuantitativo para poder dar una idea más 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 centímetro cuadrado de una superficie perfecta, trátese de un metal para efectos de concreción. Ese centímetro cuadrado nos presenta entre mil billones y dos mil billones de los átomos del metal. El número varía con la especie química y con la estructura cristalina. Tomemos, con afán de precisar, que mil quinientos billones de átomos se encuentran en ese corral de un centímetro cuadrado. Para que se vea nuestra riqueza en átomos, recordemos que un billón es un millón de millones y no mil millones como para los estadounidenses. Pongamos ahora el cristal en una atmósfera, que bien podría ser la misma que respiramos, pero para facilitar las cosas la escogemos como formada por un solo tipo de átomos. Pensemos lo peor: todo átomo que visita nuestro corral de un centímetro cuadrado llega para quedarse pegado encima de uno de los átomos que inicialmente forman nuestro cristal. Decimos que se ha producido un recubrimiento de una monocapa cuando todos los átomos del corral han sido cubiertos. En nuestro caso preciso se ha requerido un depósito de mil quinientos billones de átomos en un centímetro cuadrado para completar la monocapa.
¿Cuánto tarda en producirse una monocapa? El tiempo dependerá de tres características de la atmósfera, la que suponemos en equilibrio térmico con el cristal y formada de moléculas que tan pronto llegan a la superficie metálica se pegan a ella: la temperatura, la naturaleza y la densidad de las moléculas. Por simplicidad suponemos que la atmósfera está formada por un gas monoatómico (las moléculas tienen un solo átomo). La cantidad que nos dice cuál es el vacío que tenemos es la presión. A temperatura fija (supóngase que fijamos la temperatura a 20° C, aproximadamente la temperatura en la que vivimos) la presión es directamente proporcional al número de átomos por centímetro cúbico. La unidad de presión usada es el torr o milímetro de mercurio. La presión de una atmósfera equivale a 760 torr. Así que un torr es un poco más grande que la milésima de la presión atmosférica. A la presión de un torr una monocapa se deposita en unas cuantas millonésimas de segundo. Si la presión se reduce hasta una millonésima 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 presión de una mil millonésima de torr (10 -9 torr).
Todo lo anterior quiere decir que en esta situación de pensar lo peor, en la
que todo átomo 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 sólo
una fracción de monocapa (menos del 10% de monocapa). Se requiere entonces una
presión de una diez mil millonésima de torr (10-10 torr),
o aún menor. Se dice, cuando logramos presiones de 10-9
torr o menores, que hemos llegado a la región 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 átomos que quedan en una atmósfera con una presión de la diez mil millonésima de torr. Para hacer todo más interesante, imagine, antes de seguir la lectura, cuántos átomos habría en un centímetro cúbico de la atmósfera de la cámara a presión de UAV. Para que el número tenga significado hay que decir cuántos átomos por centímetro cúbico habría a la presión de una atmósfera con una sola especie química, y, para sentir qué tan vacío es el UAV, hay que averiguar cuántos átomos hay en un centímetro cúbico de material interestelar en nuestra Galaxia (o ir más lejos indagando el número para el material intergaláctico). Los cálculos son relativamente sencillos, basta saber la presión y la temperatura para decir cuántos átomos quedan en cada centímetro cúbico. No vamos a repetir los cálculos, tan sólo vamos a dar respuestas aproximadas para las diferentes densidades que hemos señalado antes.
A la temperatura en que habitualmente vivimos y con presión de UAV
(10-10 torr) se tienen unos cuantos millones de átomos
por centímetro cúbico. A algunas gentes les resulta sorpresivo este número,
les parece alto. ¿Lo es?
Los millones de átomos (menos de diez) comprendidos en cada centímetro cúbico
del UAV pueden considerarse, en promedio, uniformemente distribuidos
en el espacio. La distancia que guardan entre sí un par de átomos vecinos es
de algo así como una décima de milímetro. Pareciera que los átomos están demasiado
cerca. ¿No es así? Para darnos una idea del orden de magnitud de la densidad
y de la separación de estos átomos, pensemos en la misma especie química a la
presión de una atmósfera. La densidad se multiplicaría 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 átomos por centímetro
cúbico!, y la distancia entre átomos es de aproximadamente una millonésima de
milímetro. A temperaturas mucho más 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 galáctico, la densidad es de 0.4 átomos por centímetro cúbico, con
una separación entre átomos de aproximadamente 1.5 centímetros. A distancias
comparables a la que nos encontramos del centro de la Galaxia la materia interestelar
tiene una densidad de un átomo por centímetro cúbico. Estos resultados se resumen
en la tabla 2.
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| Presión |
Temperatura °K |
Densidad átomos /cm³ |
Distancia entre átomos |
| |
|||
Atmosférica |
» 2.5 X
10 21 |
»
7.41 X 10 -8 cm |
|
| 293 |
~ 10 -6 mm |
||
760 torr |
Dos mil quinientos millones de billones |
~ millonésima de milimetro |
|
| |
|||
UAV |
»
3 X 10 6 |
»
6.77 X 10-2 cm |
|
| 293 |
~ 0.07 mm |
||
| 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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También podemos pensar en un átomo como una canica que tiene un centímetro de diámetro, ponerla en una esquina de un campo de futbol y preguntarnos dónde se encontrará la siguiente canica. Pues bien, la canica más cercana se encuentra, cuando la presión es de 10-10 torr, a ¡diez kilómetros! A la presión atmosférica normal se encuentra en la siguiente esquina del campo.
Los trabajos iniciales en este campo se realizaban en cámaras de vidrio a las que se hacía el vacío. La física de superficies debió aplicarse al sistema que llevaba la señal detectada de la muestra hasta los aparatos de registro o medición. Las líneas que llevaban estas señales debían atravesar las cámaras de vidrio y los sellos que mantenían el vacío eran interfaces entre el vidrio y el metal. Se debían resolver muchos problemas en esta interfaz para que resultase un buen sello. En la actualidad no existe más ese problema. Un laboratorio moderno de ciencia de superficies por lo regular puede efectuar la aplicación de varias técnicas sin romper el vacío. Las cámaras en las que se aplica cada técnica son de acero inoxidable. Los sellos son metálicos y no se presenta el problema de la interfaz vidrio-metal.
Un problema que sí tienen todos los sistemas es el de la contaminación de las paredes que después han de soportar el vacío. Si no se tiene cuidado, se hace el vacío y cuando se están realizando las más finas y detalladas mediciones empiezan a aparecer las señales de los átomos que se quedaron agazapados en las paredes y que cuando sobrevino el UAV se sueltan. Hay que hacer que esos átomos se suelten de las paredes para expulsarlos del sistema. Para ello es necesario preparar el sistema antes de iniciar el proceso para la obtención 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 moléculas pegadas en las paredes del sistema sean arrojadas de las superficies y cuando se haga el vacío sean arrastradas con el resto de la atmósfera que se quiere vaciar.
De nada sirve haber tenido especial cuidado para empezar con un sistema limpio (no contaminado) y haber logrado un excelente vacío, si no se tienen superficies limpias o no se tiene la capacidad para limpiarlas.
Ya que cualquier tiempo de exposición a la atmósfera contamina una muestra (ya vimos los tiempos de formación de monocapas a la presión atmosférica), lo más conveniente es limpiar las superficies in situ. Hay varias formas de hacerlo. Se usa, por ejemplo, el calentamiento, en forma similar a como se horneó 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 químico siempre con sustancias que no contaminen el recinto y finalmente, se puede limpiar la superficie a base de bombardeo de iones.
