El revolucionario microscopio túnel

El Departamento de Física Fundamental de la universidad Autónoma de Madrid (UAM), el Centro de Biología Molecular del Consejo Superior de Investigaciones Científicas en la UAM, el Centro de Investigación IBM-UAM y el centro de investigación de IBM en Zúrich son los centros que colaboran en el proyecto para instalar un microscopio túnel en España, concretamente en el Departamento de Física Fundamental de la UAM. El proyecto está financiado básicamente por IBM, con una aportación adicional de la Fundación Ramón Areces, y ha recibido una especial atención por parte de la Administración y la Universidad. En abril de 1984 los componentes más cruciales del microscopio se montan en Madrid (véase EL PAÍS de 26 de marzo de 1984), obteniéndose los primeros resulta dos tres meses más tarde.El efecto túnel, una predicción fantástica

En la segunda mitad de nuestro siglo, en algunas universidades europeas se sentaron las bases de una teoría que sacudió los cimientos de la física establecida: la mecánica cuántica. Una de las predicciones más fantásticas de la mecánica cuántica era la existencia del efecto túnel. Este efecto, totalmente imposible de predecir de acuerdo con la física clásica, es una de las consecuencias inmediatas de la descripción que, en términos de probabilidad, la mecánica cuántica hace de las partículas subatómicas y, en particular, de los electrones.

En mecánica clásica, el problema de un electrón que llega a una barrera de potencial es exactamente el mismo que el de una pelota de tenis que se lanza contra una pared: la pelota no tiene ninguna posibilidad de atravesar la pared, y, simplemente, rebota. Pero en mecánica cuántica, el electrón posee propiedades ondulatorias y ello hace que la partícula tenga una cierta probabilidad de atravesarla y continuar su camino después de cruzar, por efecto túnel esta zona clásicamente prohibida.

¿Cómo podía observarse este fenómeno? Los físicos experimentales se plantearon inmediatamente esta pregunta, y ya en 1957 Giaever, de los laboratorios Bell Telephone, consiguió demostrar inequívocamente la existencia real del efecto túnel. El experimento consistía en medir la pequeña corriente eléctrica que pasaba entre dos láminas metálicas separadas por una capa muy delgada de óxido cuando entre ellas se aplicaba una diferencia de potencial de sólo unos pocos voltios. El óxido representaba la barrera de potencial (la pared, en el caso de la pelota de tenis) que los electrones debían atravesar por efecto túnel, ya que los electrones no se pueden mover libremente en el interior de un aislante.

Giaever midió la corriente que pasaba entre las dos placas metálicas, comprobando que, en efecto, aparecían electrones al otro lado de la barrera de óxido. Así quedó demostrada la realidad del efecto túnel.

Como es cada vez más frecuente en la ciencia básica actual, rápidamente se intentó explorar las consecuencias tecnológicas de este descubrimiento. Esaki, del laboratorio de Investigación de IBM en Yorktown Heights, construyó el primer dispositivo electrónico, un diodo, basado en una aplicación práctica del efecto túnel. Estos diodos son utilizados hoy día sistemáticamente en los osciladores de alta precisión. Algo más tarde, Josephson, del laboratorio Cavendish, en Cambridge, predijo la posibilidad de túnel de electrones entre dos superconductores, efecto que lleva su nombre y que, al ser verificado experimentalmente, ha abierto las puertas a una novísima generación de dispositivos electrónicos.

El esfuerzo realizado por innumerables físicos en la comprensión básica y utilización práctica del efecto túnel, fue finalmente recompensado en las personas de Giaever, Easaki y Josephson, que recibieron conjuntamente el Premio Nobel en 1973.

En 1981 nace un nuevo microscopio

Sin embargo, la comprobación de la realidad del efecto túnel en el caso más simple de imaginar, el de una barrera de vacío, no fue posible hasta 1981, en que Gerd Binnig, Heinrich Rohrer, Christopher Gerber y Edmund Weibel diseñaron un bello y simple sistema experimental para estudiarlo. La idea, hermosa a fuerza de simple, cuya realización se había ya intentado antes sin éxito, era sustituir el óxido por el vacío y una de las placas metálicas por una punta extremadamente fina.

Esta aguja, hecha de un metal muy resistente, se mantenía a una

distancia de sólo unas pocas veces el tamaño de un átomo por encima de la superficie que se deseaba examinar. La eliminación de las vibraciones, tanto exteriores como propias del sistema experimental, era el problema clave. Y se solucionó con un ingenioso conjunto de gomas y muelles que le daba al montaje un curioso parecido con un juguete infantil. Sin embargo, el punto crucial que permitió transformar un experimento de ciencia básica en una herramienta de mucha utilidad práctica fue la idea de que si esta punta ultrafina se movía de un modo controlado sobre la superficie, mientras por medios electrónicos se mantenía constante durante el desplazamiento la corriente debida al efecto túnel, la punta se acercaría o alejaría de la superficie siguiendo con gran precisión la topografía de la muestra: ¡había nacido un nuevo microscopio!

El impacto en el mundo de la física fue enorme. No sólo se había comprobado una predicción fundamental de la mecánica cuántica, sino que el efecto túnel podía ser utilizado para construir un nuevo tipo de microscopio no destructivo, con una resolución mucho mejor que las de los más sofisticados microscopios electrónicos conocidos. En efecto, hasta entonces no había sido posible ver las superficies de los materiales con una amplificación de entre 10 y 100 millones de aumentos. Ahora, por primera vez, se podían visualizar directamente los átomos de una superficie cualquiera.

En condiciones atmosféricas normales

En los dos años transcurridos des de entonces, el microscopio de efecto túnel, conocido en la jerga científica como la punta, ha cosechado una espectacular sucesión de éxitos, proporcionando las claves para la resolución de muchos de los problemas más intrigantes con que los científicos se habían enfrentado en los últimos años, en particular en la estructura cristalográfica de las superficies de sólidos. A pesar de ello, los expertos estaban convencidos de que este microscopio sólo podía alcanzar resolución atómica si trabajaba en vacío, esto es, a una presión miles de millones de veces menor que la presión atmosférica.

Sin embargo, la mayor parte de los problemas más importantes de la vida real están relacionados con fenómenos que ocurren a presión atmosférica. Así ocurre en biología, medicina, metalurgia, microelectrónica o en la ciencia de materiales. ¿Sería posible adaptar el microscopio de efecto túnel para poder estudiar a presión atmosférica los átomos de una superficie? Si la respuesta a esta pregunta fuese afirmativa, se habría dado un paso adelante de gran alcance. Para calibrar su importancia basta con pensar que, a presión atmosférica, únicamente pueden utilizarse microscopios ópticos, con los cuales sólo es posible alcanzar algunos miles de aumentos. Un grupo de físicos del Departamento de Física Fundamental de la universidad Autónoma de Madrid, Nicolás García, Arturo Baró y Rodolfo Miranda, que ya habían realizado trabajo teórico y experimental sobre este nuevo microscopio, en estrecha colaboración con los creadores de la punta, instalaron en la UAM una nueva versión del microscopio construida y donada por IBM. Además escogieron como primer campo de aplicación de sus esfuerzos el apasionante terreno de la biología. En él contaron con la colaboración de José L. Carrascosa, experto en Microscopia Electrónica del Centro de Biología Molecular CSIC-UAM. Finalmente, el proceso de automatización de la adquisición de datos y su tratamiento gráfico mediante ordenador sería llevado a cabo por el Centro de Investigación UAM-IBM.

De los virus a la 'fatiga' de los metales

Aunque todavía es pronto para apreciar en toda su dimensión los resultados que puede producir en el futuro este proyecto, no es menos cierta la importancia de los logrados hasta el momento. Fotografías con resolución atómica de las superficies de materiales tan diversos como un cristal de oro o de grafito donde se puede observar un escalón de un átomo de altura, abren una perspectiva revolucionaria a la ciencia y la tecnología. Y no sólo en nuestro país.

La razón para ello resulta evidente: sobre estos materiales tan planos es relativamente fácil visualizar el relieve de material biológico en las mismas condiciones de la vida real. Un ejemplo lo constituye el logro de la imagen tridimensional de un virus que infecta bacterias y se halla en su medio natural. Hasta ahora sólo había sido posible visualizar estos virus mediante microscopia electrónica, pero en condiciones muy alejadas de las naturales: en vacío, recubiertos de una capa metálica para evitar su completa destrucción durante el proceso de medida, etcétera. Además, la punta no destruye ni altera el material biológico, que, por tanto, puede ser estudiado en condiciones muy similares a las que son características del medio biológico, pero con un detalle muy superior al actualmente posible. También se ha aplicado a la visualización superficial de cristales de la enzima catalasa.

Los citados físicos del Departamento de Física Fundamental han realizado además otras colaboraciones en estos pocos meses. En un trabajo conjunto con dos investigadores mexicanos, Rigoberto García y Juan L. Peña, del CINVESTAV, han visualizado la superficie de un buen número de materiales de interés industrial, como tornillos de ultraprecisión, pistones de inyección de motores Diesel o bloques patrón para calibración de espesores y textura de rugosidad superficial.

Los resultados de estos experimentos han conducido a considerar al nuevo microscopio como el instrumento idóneo para determinar la rugosidad superficial en el control de calidad de los procesos industriales, reemplazando a los instrumentos que hasta ahora desempeñaban esta tarea.

Los resultados anteriores, en biología y física, han sido objeto de dos publicaciones enviadas a las prestigiosas revistas Nature y Applied Physics Letters.

Excelentes perspectivas en muchos campos

Asimismo se han llevado a cabo rápidas incursiones en el estudio de deposiciones de metales sobre mica que simulan posibles modelos de los contactos metálicos entre los transistores que forman parte de un chip, en estrecha relación con la microelectrónica. Estos contactos, que juegan hoy día el papel de los antiguos cables, están formados por películas metálicas muy delgadas que, según los resultados obtenidos por la punta, tendrían un espesor muy irregular, lo que podría ser una de las causas esenciales del elevado porcentaje de fallos en el uso de un buen número de circuitos microelectrónicos.

La caracterización de los fenómenos superficiales a nivel atómico que ofrece el descubrimiento de este nuevo microscopio ayudará a conocer mucho mejor los procesos básicos relevantes en multitud de campos de gran importancia para la industria, como son la oxidación, la corrosión, las células solares, los circuitos de microelectrónica, la estructura de los catalizadores empleados en la industria química, el acabado de piezas de alta precisión, la microestructura de las paredes de los reactores nucleares y, en definitiva, la mayor parte de los procesos industriales, ya que éstos tienen lugar a presión atmosférica.

Un problema esencial en metalurgia es la comprensión de los distintos mecanismos de fractura, ocupando un lugar destacado el denominado rotura por fatiga. Esta última es la responsable de la mayoría de los fallos en servicio que suceden en piezas sometidas a tensiones variables, afectando a varios campos de la industria, desde los elementos estructurales de un avión, tren de aterrizaje, alas, etcétera, hasta las bielas de un automóvil. Las razones básicas de este proceso se reflejan en diversas teorías, pero falta una clara verificación experimental de las mismas.

Por otro lado, las posibilidades referentes a las ciencias de la vida son también múltiples. En los próximos meses es propósito de los científicos involucrados en este proyecto estudiar distintos tipos de virus, membranas celulares, receptores, enzimas, proteínas, nucleosomas, liposomas y otros tipos de macromoléculas.

La comprensión de los procesos microscópicos de conducción eléctrica en material biológico es de especial importancia en este contexto. Del mismo modo, el campo de los nuevos materiales, como vidrios metálicos, sólidos ultra débiles, composites, polímeros, líquidos, microcristales y cristales líquidos, recibirá especial atención por parte del equipo de investigadores de la universidad Autónoma de Madrid.

Incluso en medicina son previsibles aplicaciones inmediatas. Por ejemplo, una de las causas determinantes del posible rechazo en los trasplantes de piezas artificiales, como el corazón artificial o las prótesis de cadera, podría ser una determinada rugosidad superficial de la pieza implantada.

En breves palabras: el hecho de que se puedan fotografiar superficies a presión atmosférica y ver estructuras atómicas abre unas perspectivas sólo limitadas por el poder de la imaginación humana.

El objetivo -siempre presente en la mente de estos investigadores- de conectar con las necesidades industriales de nuestro país es un ejemplo de cómo la ciencia básica de calidad puede impulsar el desarrollo tecnológico. Quizá sea ésta la principal lección del caso al que nos estamos refiriendo: hoy es posible en España hacer investigación básica competitiva con la que se lleva a cabo en el resto del mundo, y es también posible aplicar esos descubrimientos básicos a mejorar la salud, la calidad de vida y el rendimiento de los, procesos industriales.

Es cierto que todavía- la investigación está infradotada en nuestro país. Pero parece ser propósito común de todas las fuerzas politica mejorar su situación. Es urgente: España dedica a investigación científica y técnica como la cuarta parte del promedio de los países de la Comunidad Europea.

La aplicación del efecto túnel a la nueva microscopia demuestra que es posible con esfuerzo, conocimientos, nivel científico e ilusión producir resultados que tengan repercusiones tecnológicas importantes.

Hasta ahora nuestros investigadores han tenido, en ocasiones, el soporte y la confianza -tómese el ejemplo presente- de entidades científicas internacionales. Y los resultados están a la vista. Ahora es el turno de los responsables de la política científica y tecnológica españolas, así como de los industriales con iniciativa, ambición y perspectiva. La investigación y su aplicación tecnológica en nuestro país tienen futuro.

Nicolás Cabrera Sánchezes profesor emérito de Física de Estado Sólido de la UAM;José Elguero Bertolinies investigador del CSIC;Federico Mayor Zaragozaes catedrático de Bioquímica;Javier Solana Madariagaes catedrático de Física del Estado Sólido y ministro de Cultura, yFernando de Asúa Álvarezes presidente de IBM España.