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Esta es una pequeña pieza de metal, de solo 3 mm de ancho. Y esto es lo que pasa si nos acercamos 1 vez, 100,000 veces, 50 millones de veces. Cada una de estas bolas es, de hecho, un átomo. Vi esto el otro día en la Universidad de Sydney, y me voló la cabeza. Porque hace apenas 30 años, ver átomos directamente se creía imposible. Las imágenes que verás aquí son quizás las más protegidas de todo el campus, o incluso de todo Sydney, y tal vez las más caras también. ¡Qué locura!
¿Y por qué es tan difícil ver átomos? En realidad, los átomos no se pueden ver con luz visible. Y es que mientras la luz tiene longitudes de onda entre 380 y 750 nanómetros, un átomo es más de 3000 veces más pequeño: solo 0.1 nanómetro. Si la longitud de onda de la luz es mucho más grande que lo que estás intentando ver, la luz se difractará, o curvará alrededor, por lo que no lo podrás ver. Si quieres ver átomos, necesitas algo con una longitud de onda muchísimo menor. El mejor candidato no es la luz, sino los electrones.
En 1924, un físico francés llamado Luis de Broglie descubrió que todo era una especie de onda. No solo la luz, también la materia: átomos, moléculas, ¡incluso tú! Tienen longitud de onda. Y la fórmula para esta longitud de onda es la constante de Planck dividida entre el momentum del objeto, que es masa por velocidad. Aquí lo que puedes ver es la columna del microscopio donde aceleramos los electrones de 300 kV. Electrones de 300 kV sí, son partículas relativistas. ¿Cómo se mueven? A un 99% de la velocidad de la luz. O… ah, bueno, a un 80%, 80%. ¿Y cuál sería su longitud de onda? La longitud de onda es la constante de Planck sobre el momentum, eh… si calculamos eso, obtenemos aproximadamente de dos a tres picómetros. ¡Wow! Sí, esto es más de 100,000 veces menor que la luz visible. En teoría, tienen 100,000 veces más resolución.
Poco después del descubrimiento de Broglie, un grupo de científicos en Alemania comenzaron a trabajar en un microscopio que usaría estos electrones de alta velocidad. El único problema es que los electrones no se pueden curvar usando lentes de vidrio. Entonces, ¿cómo enfocarlos? Hans Busch, un físico alemán, sugirió que se podía lograr con un lente electromagnético. Publicó sus resultados en 1926, pero nunca construyó uno. Afortunadamente, una copia de su artículo cayó en manos de un joven y entusiasta estudiante de doctorado: Ernst Ruska. Ruska construyó su primer prototipo enrollando algo de cable y rodeándolo con hierro, asegurándose de dejar un hueco en el medio. Entonces, cuando pasó una corriente por la bobina, esto provocó un campo magnético en forma de dona a través del metal, y de este hueco… este era su lente.
Para probarlo, Ruska primero liberó electrones de un filamento de tungsteno (el mismo tipo de filamentos que encuentras en una lámpara incandescente). Aceleró estos electrones libres mediante un ánodo cargado positivamente hasta su lente electromagnético. Cuando un electrón se acerca al lente, el campo magnético ejerce una fuerza sobre él. Si un electrón está viajando en la dirección Y, y los campos magnéticos están en la dirección X, esta fuerza (llamada fuerza de Lorentz) lo empuja hacia la dirección Z. Pero a medida que el electrón se desplaza, se encuentra con otras líneas de campo magnético en la forma de dona que tienden a moverse constantemente en círculo. Pero este movimiento circular significa que la fuerza de Lorentz comienza a empujar al electrón hacia dentro, haciendo una espiral hacia el centro del lente. Y si trazamos la trayectoria del haz de electrones, veremos que todos se dirigen hacia el centro, concentrando el haz.
En 1931, Ruska y su colega Max Knoll usaron este tipo de diseño para construir el primer microscopio electrónico operativo. Era muy básico, hecho de latón atornillado toscamente, pero funcionaba. La imagen se creaba cuando el haz de electrones concentrado incidía sobre una muestra situada en el punto focal. La muestra debía ser increíblemente delgada, de unos 100 nanómetros de grosor. Las partes más delgadas de la muestra recibían más electrones que las más gruesas; eso creaba una huella electrónica en la muestra. Luego, un segundo lente electromagnético ampliaba esta huella hasta un detector fluorescente que producía la imagen final. Esto se conocía como microscopio electrónico de transmisión, o TEM, por sus siglas en inglés. Las primeras versiones del microscopio apenas aumentaban; de hecho, no eran mejores que un microscopio óptico. Pero Ruska estaba decidido. Durante los siguientes años experimentó, agregando más lentes al microscopio para crear imágenes cada vez más grandes.
A mediados de la década de 1930, Ruska logró que el TEM superara un aumento de 10,000 veces. Podía producir acercamientos de insectos, bacterias y hasta virus a un nivel que sobrepasaba por mucho el microscopio óptico. Pero justo cuando el TEM de Ruska estaba despegando, un físico alemán llamado Otto Scherzer publicó un artículo diciendo que el microscopio estaba por topar con una pared. Había una falla en el lente electromagnético, escribió; era absolutamente inevitable. Para que un electrón llegue al foco del lente, debe desviarse una cierta cantidad. Si se simplifica su trayectoria, se puede definir esa desviación ideal con este ángulo θ. Este ángulo depende de la distancia horizontal del electrón con respecto al eje óptico y de la profundidad del eje de enfoque (también llamada distancia focal). Cuanto menor sea la distancia focal, mayor será el aumento. Si se grafica este ángulo como una función de la distancia al eje óptico, se podrá ver que se puede aproximar como lineal. El problema es que el campo magnético no aumenta linealmente; es mucho más fuerte cerca de los extremos del imán. Si se grafica la curva de la desviación real de los electrones, se puede ver que el campo magnético desvía los electrones más lejos; sus ángulos son más grandes de lo que deberían ser, por lo que terminan concentrándose antes que los rayos de en medio. Y como resultado, el enfoque se dispersa por el eje óptico en lugar de estar contenido en un solo punto. El desenfoque comienza en los bordes de la imagen, pero empeora cuanto mayor sea el aumento. Esto se llama aberración esférica y distorsiona todo lente magnético radialmente simétrico. De hecho, no solo afecta a los lentes magnéticos; todo lente esférico, desde una cámara a un telescopio a una lupa, se ve afectado.
Pero hay una forma sorprendentemente sencilla de minimizar la aberración esférica: agregar un segundo lente, uno en que la luz sea divergente en lugar de convergente. Un lente divergente también sufre de aberración esférica, pero si tiene la misma cantidad de aberración que la lente convergente, pero a la inversa, puedes encimar los dos para esencialmente cancelar sus efectos, y eso elimina las aberraciones casi por completo. Casi todos los sistemas de lentes en cámaras y microscopios usan algún tipo de lente de corrección divergente. Podríamos imaginar que el TEM solo necesita su versión de un lente esférico divergente para aumentar más, pero con imanes esto es físicamente imposible. Todo imán tiene dos polos, uno norte y uno sur; es imposible tener solo uno. Incluso si partes un imán por la mitad, creas dos imanes más pequeños, cada uno con un norte y un sur, y todas las líneas de campo magnético tienen que comenzar en un polo y terminar en el otro, formando un bucle cerrado. Es un resultado directo de la segunda ecuación de Maxwell: porque el campo que se crea tiene líneas de campo que comienzan y terminan en el mismo imán, los electrones siempre cruzarán dos líneas. La primera vez que pasa es llevada a un movimiento en espiral debido a la fuerza de Lorentz, y la segunda vez, debido a ese movimiento en espiral, el cual tiene una dirección ligeramente diferente, es empujada hacia el eje. Por eso todos los lentes electromagnéticos automáticamente convergen el haz, y nunca lo divergen. Incluso si disparas electrones desde el otro lado del lente, se concentrarían. Esto es lo que el trabajo de Otto Scherzer probó en 1946, deteniendo el progreso del TEM: es imposible producir un lente magnético radialmente simétrico que sea divergente.
Y esto fue un gran obstáculo para el desarrollo del microscopio electrónico, porque la gente se dio cuenta de que podían acelerar los electrones tanto como quisieran, pero la presencia de la aberración circular siempre sería un estorbo. Debido a este obstáculo, los avances en la resolución del microscopio frenaron significativamente. Para 1955, otro microscopio se le adelantó al TEM. Y tomó la primera imagen de átomos aceptada generalmente; era llamado el microscopio de iones de campo, y funcionaba disparando átomos de helio o neón hacia una punta de aguja atómicamente afilada. La punta tenía carga positiva, y cuando los átomos de gas golpeaban la aguja se ionizaban y eran repelidos perpendicularmente hacia la superficie; eso formaba una imagen de la estructura atómica de la punta. Pero este método era limitado; solo daba una idea de la estructura atómica de la punta de la aguja, y las imágenes no eran muy impresionantes.
Por suerte, el microscopio electrónico de Ruska no se quedaría estancado en el reino de los insectos y bacterias para siempre. A pesar del límite de aberración de Scherzer, el trabajo en el microscopio electrónico de transmisión continuó durante las siguientes cuatro décadas. Intentó mejorar la resolución con alternativas ingeniosas; quizás el mejor ejemplo de esto sea la del físico británico-estadounidense Albert Crewe. Su idea era reemplazar el filamento de tungsteno que disparaba electrones al azar con una fuente más enfocada. En lugar de liberar electrones en la superficie, intentó atraerlos con un campo eléctrico más fuerte, y al afilar el tungsteno en punta fina pudo crear un haz angosto, el cual era más de mil veces más brillante que antes. Combinó su nuevo haz angosto con una tecnología inesperada: la televisión de tubo de rayos catódicos. Estas televisiones funcionaban escaneando un rayo de electrones por toda la pantalla; la pantalla estaba recubierta de un fósforo que producía luz cuando era alcanzada por electrones, y al variar la intensidad del rayo de electrones se podía variar el brillo de la pantalla, logrando una imagen en blanco y negro. Crewe deseaba construir un haz de electrones para el TEM que escaneara la muestra nanoscópica, y en lugar de crear una impresión de toda la muestra de golpe, el haz de electrón de Crewe hacía impresiones más pequeñas, trazando la muestra por partes. Esta no era la primera vez que alguien intentaba hacer una versión del TEM que escane; el investigador alemán Manfred von Ardenne construyó un prototipo inicial en la década de 1930, pero fue destruido durante la Segunda Guerra Mundial. Cuando Crewe revivió el diseño de Ardenne, le hizo muchas mejoras drásticas, y para 1970 ya tenía esto: la primera imagen de átomos individuales tomada con el microscopio electrónico. Los investigadores rápidamente adoptaron su tecnología, produciendo incontables imágenes de átomos.
Después de casi un siglo de mejoras de Ruska, Crewe y muchos otros, las mejoras de aumento del TEM habían alcanzado un punto máximo, pero el problema de Scherzer aún existía. Las aberraciones esféricas fijaron un límite rígido sobre cuán pequeño se podía ver; incluso Crewe dejó de intentar solucionarlo después de más de 10 años de trabajo desafortunado. Afortunadamente, nunca pudimos solucionarlo; después de muchos intentos desesperanzadores tuvimos que admitir la derrota. Por esa época emergieron otros microscopios que también podían hacer imágenes de átomos. Estos microscopios de sonda funcionan deslizando un estilete increíblemente pequeño sobre la muestra; el estilete detecta variaciones en los efectos cuánticos o fuerzas a escala nanométrica para trazar la superficie de la estructura de la muestra. Eran más fáciles de construir, y al no usar lentes no estaban limitados por la aberración esférica; sus imágenes incluso eran en 3D. Pero la cuestión de fondo era que estas ondas no estaban realmente viendo átomos; más bien sentían los átomos. Durante los 80 y 90, esto es todo lo que teníamos.
Pero ¿qué tal si había otra solución? El teorema de Scherzer probó que un lente divergente radialmente simétrico no es posible, pero si estás dispuesto a renunciar a esa simetría, el teorema ya no se aplica. El problema es que la simetría radial es posiblemente la propiedad más importante de un lente; porque si rompes la simetría, también rompes la imagen. Pero tres científicos rebeldes pensaron que tal vez había una forma. Ondrej Krivanek, Max Haider y Harald Rose eran conocidos en la comunidad de los microscopios electrónicos como problemáticos, y por años casi nadie se había interesado en su investigación, o lo que era más importante, en financiarla. Y había una buena razón: su idea era un tanto loca. Querían romper la imagen a propósito, usando una lente que no fuera simétrica, esperando que hubiera una pequeña parte de esta imagen distorsionada que fuera un poco divergente, y tal vez, solo tal vez, esta pequeña parte pudiera corregir la aberración esférica del lente original. Y se pusieron a trabajar para distorsionar la imagen. Usaron un enorme nido de electroimanes, con seis, ocho o incluso 10 bobinas e imanes diferentes con campos magnéticos irregulares. Fueron conocidos como los magnetos hexapolares, octapolares, etc. El electrón pasaba por un hexapolar, torcía y apretaba la imagen plana de dos dimensiones para formar una silla de montar triangular, y la circunferencia del haz original era empujada hacia las tres esquinas, mientras que el resto del interior se estiraba. Pero ahora la mitad de la imagen tenía un leve arco cóncavo, dándole el efecto de una pequeña divergencia. Luego, Rose, Haider y Krivanek forzaron el haz a través de un segundo hexapolar, uno que funcionara de manera opuesta, de manera que la imagen distorsionada volviera a desdoblarse a una forma circular. Pero ahora calcularon que esta nueva imagen aún podría tener remanentes de esa pequeña divergencia en su centro, con la aberración esférica apuntando al lado opuesto. Y si sus cálculos matemáticos y de ingeniería eran exactos, podían introducir una imagen con aberración esférica a través de estos dos lentes para contrarrestar casi por completo el efecto. Y me imagino que otros científicos pensaron que era una locura cuando la propusieron, ¿verdad? Y no solo el concepto, también, creo que el que fuera técnicamente factible se pensaba que esto no era posible.
En mayo de 1997, al grupo solo le quedaban dos meses de desarrollo antes de que su último patrocinador retirara su apoyo. Y para empeorar las cosas, su versión más reciente de lente solo existía en el pizarrón. Pero de algún modo, para el 23 de julio (solo una semana antes de que se les acabaran los fondos), el nuevo lente estaba listo para ser probado. Lo pusieron con cuidado en el microscopio, pero como todas las veces anteriores, el lente era inestable y falló. Decidieron apagar el equipo por 24 horas para permitir que los imanes se asentaran, y después, a las 2 a.m. del 24, lo encendieron otra vez. Y casi como por magia, la imagen comenzó a estabilizarse. De pronto, ya no había aberración; solo hermosas y nítidas imágenes de átomos. Después de más de 60 años de intentos fallidos, Krivanek, Rose y Haider lograron lo que parecía imposible. Con este método acortaron la resolución del TEM a solo 0.13 nm. Una imagen promedio del TEM pasó de verse así a así.
Unos meses después del avance del grupo Krivanek, Urban asistió a una conferencia de microscopía para compartir los resultados, pero debido a la reputación del grupo fue relegado a un pequeño cuartucho en el que casi nadie se fijó. Sin embargo, pronto se corrió la voz de que, contra todo pronóstico, sus imágenes parecían ser reales, y empezaron a llegar multitudes. La gente se formaba afuera con la esperanza de alcanzar a ver sus imágenes asombrosamente claras. Ahora tomaremos un portaobjetos, sí. Sacaremos un portaobjetos, lo vamos a poner bajo el microscopio óptico. La… la muestra es una pequeña laminilla que no se puede ver sin el microscopio óptico. Sí, mira ahí dentro. Hermoso. Hay una punta sobre la… sí, y en su parte superior, del lado izquierdo, parece que hay un poco de polvo. Esa es nuestra verdadera [Música] muestra. Okay, ahora simplemente incremento el aumento y hago unos ajustes básicos en este microscopio de electrones llamado microscopio electrónico de transmisión. Los electrones siempre transmiten la muestra. Aquí vemos toda nuestra muestra simultáneamente, por eso es tan importante que alineemos la muestra. Si imaginas átomos en una dirección de alta simetría, alineados como perlas en un hilo, cuando vemos abajo, bueno, vemos una imagen; pero si van en dirección aleatoria, todo se va a ver borroso. Por eso hay que hacer ajustes. Al final, y aquí comienza la muestra en sí: el titanato de estroncio. Y esta es una región delgada donde esperamos obtener resolución atómica. Esto es 5000 veces. Sí, ¡wow! Aquí vemos estroncio, titanio, vemos oxígeno, vemos carbono… eso es contaminación, lo más probable es que lo que estamos viendo sea contaminación por carbono. Cuando enfocas así, ¿qué es lo que estás buscando? Busco que este borde se vea [Música] nítido… son átomos… ¡qué así de repente! Es increíble.
Poco después de que el grupo corrigiera las aberraciones en el TEM exitosamente, Ondrej Krivanek, de manera independiente, logró lo mismo para la versión de Crewe del microscopio, el TEM de escaneo. Y en 2020, los cuatro recibieron el prestigioso premio Kavli en nanociencia por lograr lo que muchos otros creyeron imposible, gracias a su persistencia e ingenio. Ver átomos… así es ahora normal. ¿Qué diferencia hace la corrección de aberraciones? Si quieres ver átomos, y si quieres, por ejemplo, medir distancias interatómicas, y si quieres aprender qué tipo de átomos tienes, necesitas corregir aberraciones. Para cualquier investigación de ciencia de materiales, ingeniería de materiales, ingeniería química, necesitarás ver qué está pasando al nivel atómico, porque buscas conectar las propiedades a la estructura. Si no puedes ver la estructura al nivel atómico, solo tienes la mitad de la información. Eso cambió las reglas del juego; por eso hoy en día toda universidad, en principio, necesita un microscopio así.