La revolución de las fuerzas

A finales del siglo XVIII las inquietudes vitales y culturales de algunos jóvenes europeos (principalmente alemanes, británicos y franceses) se expresaron en un movimiento cultural, el Romanticismo que penetró el arte, la filosofía y la vida. El predominio de la individualidad, la intuición y las emociones, y el deseo de descubrir el fondo común de las cosas materiales y espirituales caracterizaron el Romanticismo. Algunos de los jóvenes que en aquella época se iniciaban a los estudios científicos también estaban imbuidos de las inquietudes que animaban a los filósofos románticos. Y quizá el concepto científico que mejor refleje la búsqueda por el fondo común de las cosas, y por ende el espíritu romántico, es en el desarrollo del concepto de energía y los principios de conservación que la rigen. La labor de esos científicos tuvo un éxito instantáneo y duradero. La formulación de los problemas físicos en términos de energía ha permitido simplificar y universalizar unos métodos de trabajo que se aplican en todas las ramas de la Física. Esos métodos han arrinconado a las formulaciones basadas en el concepto de fuerza desarrollado por Newton.

Y en ésas estábamos hasta que en 1985, Gerd Binnig, que recibiría el Nobel de Física por la invención del microscopio de efecto túnel en 1986, aceptó la invitación de Calvin Quate para pasar una temporada en la Universidad de Stanford. Probablemente ocurrió una tarde mientras Binnig descansaba en su habitación. Las pequeñas irregularidades de la superficie del techo le recordaban a las imágenes que proporcionaba el microscopio de efecto túnel. Binnig observó que todos los microscopios (ópticos, electrónicos o de efecto túnel) funcionaban de manera muy similar. Una fuente de partículas (ya sean fotones o electrones) es proyectada sobre el objeto; el análisis de las trayectorias de las partículas antes y después de interaccionar con el objeto permite la formación de una imagen del mismo.

Fue entonces cuando Binnig, Gerber y Quate diseñaron un microscopio que medía las fuerzas existentes entre una punta afilada y los átomos o moléculas de la superficie del material. A partir de los valores de esas fuerzas ellos mostraron que era posible obtener una imagen de la superficie. La idea, después de todo, no era tan original. Las personas poseemos dedos, y éstos nos permiten reconocer la forma y textura de los objetos. Y los dedos sienten fuerzas. La originalidad del instrumento inventado por Binnig y sus colaboradores consistió en su resolución: su instrumento podía detectar las fuerzas ejercidas por un solo átomo. Es decir, ellos encontraron la clave para diseñar un dedo atómico.

El éxito del microscopio de fuerzas (atomic force microscope, o AFM en inglés) ha sido espectacular: apenas han pasado 15 años después de los primeros ensayos y se ha instalado en casi todos los laboratorios de investigación experimental. El carácter universal de las fuerzas -siempre existirán entre dos superficies- ha permitido al microscopio de fuerzas resolver problemas tan diversos como la visualización de los primeros pasos de la polimerización de ácidos nucleicos, la resolución de vacantes atómicas en superficies cristalinas o detectar fallos en las conexiones de circuitos integrados.

El control tan preciso de las fuerzas que el microscopio ejerce sobre los átomos de una superficie, posibilita la manipulación a escalas atómica y nanométrica, y con ello, la construcción de dispositivos electrónicos o mecánicos formados por unos pocos átomos. Esos dispositivos son los prototipos de las máquinas del futuro. Aquí lo pequeño es una ventaja, pues implica procesos más rápidos y facilita la integración.

Universalidad, resolución y manipulación a escala nanométrica han convertido a la microscopía de fuerzas en el instrumento más potente para alcanzar el dominio de lo pequeño, es decir, para afrontar los retos de la nanotecnología. Y en un giro irónico, la técnica que más está contribuyendo al estudio individualizado de átomos y moléculas ha rescatado un concepto, el de la fuerza entre dos objetos, que había sido relegado al ostracismo por los promotores de la individualidad.

Ricardo García es científico del Instituto de Microelectrónica de Madrid, CSIC