Historias de la Ciencia

Ya os expliqué la bonita historia sobre Leeuwenhoeck y el microscopio. Gracias a este invento podemos aumentar las cosas y verlas más grandes de lo que en realidad son, con todas las ventajas que ello nos aporta. Sin embargo, el microscopio con el que todos estamos familiarizados es el óptico y aunque fue un gran adelanto tiene sus límites.

Los microscopios ópticos presentan un problema: no podemos aumentar la escala tanto como queramos. La luz con que iluminamos tiene una determinada longitud de onda. Si queremos distinguir dos puntos muy próximos y los iluminamos con una longitud de onda mayor a esa distancia los veremos como uno solo. Además, el fenómeno de la difracción hace que la imagen de un punto luminoso sea una mancha circular brillante rodeada de anillos concéntricos más apagados y ese diámetro dependerá de la longitud de onda con que se ilumine. (Recordarlas explicaciones de la difracción en el artículo del Principio de Huygens-Fresnel)

Las manchas imagen de dos puntos próximos sólo las distinguiremos como separadas cuando no se superpongan o se superpongan menos de la mitad de su radio (criterio de Lord Raileigh). El mejor microscopio óptico ideal y perfecto estaría limitado físicamente a una resolución de unos 0,2 micrómetros (un micrómetro es la milésima parte de un milímetro), con 540 nm de longitud de onda. ¿Por qué no aplicar longitudes de onda más pequeñas? Pues porque nos salimos del visible y nos vamos al ultravioleta y las cosas se complican.

Aun así, se han hecho dichos microscopios que utilizaban luz ultravioleta de 200 nm que pueden alcanzar una resolución de 0,1 micrómetros. Las imágenes han de ser registradas en placas fotográficas, ya que si los miráramos directamente podrían dañar nuestra retina. Ya vemos que el orden de magnitud no puede aumentar mucho más de esta manera.

Sin embargo, recordad que tal y como la luz tenía comportamiento corpuscular, la materia también tiene comportamiento ondulatorio. Esa es la hipótesis de de Broglie. Por tanto, si en vez de pasar luz hacemos pasar un haz de electrones, cuya longitud de onda es aproximadamente 1/200 de la visible, aumentaremos la resolución en la misma proporción.

Tendremos con ello un microscopio electrónico. En vez de utilizar luz, utilizamos electrones.

Existen dos tipos de microscopio electrónico. Sin entrar en detalles excesivamente técnicos, en uno de ellos lanzamos un chorro de electrones y detectamos los que rebotan. Es el microscopio electrónico de barrido. En el otro cortamos la muestra de forma muy fina (del orden de diezmilésimas de milímetro) y el chorro de electrones atraviesa el material poniendo el detector en la otra cara del mismo. Este último es el microscopio electrónico de transmisión. Pero no os dejéis engañar, en el fondo es como si con un microscopio óptico iluminamos desde la parte superior de la muestra o desde la parte inferior. Así que en ese aspecto son iguales.

Dado que hemos de detectar electrones podemos hacer varias imágenes desde diferentes puntos y hacer una reconstrucción en 3D y ver el resultado en un monitor de TV. La resolución oscila entre 3 y 20 nm (1 nm o 1 nanómetro es la millonésima parte de un milímetro). Comparadlo con el óptico que eran del orden de 0,2 micrómetros. Hemos pasado de trabajar con milésimas de milímetro a millonésimas de milímetro. Hablo siempre de órdenes de magnitud, por supuesto.

Todo eso está muy bien, pero ahora hay que construirlo. Tal y como en un microscopio óptico necesitamos algún generador de luz que bien puede ser el Sol o una lámpara, ahora necesitamos un cañón de electrones. Para dirigir la luz necesitábamos lentes ópticas; ahora, para guiar los electrones necesitamos lentes magnéticas. A esto se añade el problema de hacer el vacío casi total pues no debemos permitir que los electrones choquen con nada en su camino. Además, no podemos poner el ojo para mirar los resultados sino que necesitaremos pantallas fotográficas o cualquier mecanismo para pasarlo a un ordenador y voilà.

La óptica básica del primer microscopio electrónico se mantiene hasta nuestros días; los cambios en los microscopios modernos consisten en adicionar más lentes. El primer microscopio electrónico de transmisión comercial lo construyó Siemens en 1939.

Sabed que se han hecho microscopios también con protones. Al tener la longitud de onda de de Broglie asociada menor que la de los electrones, todavía tienen más resolución. Serían, por tanto, microscopios protónicos. Incluso se llegaron a hacer microscopios neutrónicos (con neutrones). Ya podéis imaginar los problemas para acelerarlos, ya que no tienen carga (curiosamente los neutrones, aunque no tengan carga, sí poseen momento magnético).

Pero recordad siempre que el principio básico es la hipótesis de de Broglie de que la materia tiene comportamiento ondulatorio. Son bonitas aplicaciones de dicha hipótesis. Volvamos al microscopio electrónico.

El genio inventor: Ernst August Friedrich Ruska (1906-1988). Estudió ingeniería en la Escuela Politécnica de Munich y más tarde en la Universidad de Berlín, obteniendo su doctorado. Catedrático de Optoelectrónica y Microscopía de la Escuela Politécnica de Berlín. Pasó más tarde a trabajar en los laboratorios de Siemens AG. Fue director, hasta su jubilación, del Instituto de Microscopía Fritz Haber, dependiente de la Sociedad Max Planck. Colaboró activamente en los primeros trabajos destinados al desarrollo de la televisión. Desde luego, el invento hace honor a este impresionante currículum.

Ruska fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1986 compartido con Gerd Binnig y Heinrich Rohrer. Aunque estos dos últimos no fue por el microscopio electrónico sino por el microscopio de efecto túnel que todavía tiene más resolución y que se basa en un fenómeno totalmente cuántico, pero eso ya es otra historia.

Fuentes:
http://es.wikipedia.org/wiki/Microscopio_electr%C3%B3nico_de_transmisi%C3%B3n
http://es.wikipedia.org/wiki/Microscopio_electr%C3%B3nico_de_barrido
http://es.wikipedia.org/wiki/Microscopio_electr%C3%B3nico