El revolucionario microscopio t¨²nel

El Departamento de F¨ªsica Fundamental de la universidad Aut¨®noma de Madrid (UAM), el Centro de Biolog¨ªa Molecular del Consejo Superior de Investigaciones Cient¨ªficas en la UAM, el Centro de Investigaci¨®n IBM-UAM y el centro de investigaci¨®n de IBM en Z¨²rich son los centros que colaboran en el proyecto para instalar un microscopio t¨²nel en Espa?a, concretamente en el Departamento de F¨ªsica Fundamental de la UAM. El proyecto est¨¢ financiado b¨¢sicamente por IBM, con una aportaci¨®n adicional de la Fundaci¨®n Ram¨®n Areces, y ha recibido una especial atenci¨®n por parte de la Administraci¨®n y la Universidad. En abril de 1984 los componentes m¨¢s cruciales del microscopio se montan en Madrid (v¨¦ase EL PA?S de 26 de marzo de 1984), obteni¨¦ndose los primeros resulta dos tres meses m¨¢s tarde.El efecto t¨²nel, una predicci¨®n fant¨¢stica

En la segunda mitad de nuestro siglo, en algunas universidades europeas se sentaron las bases de una teor¨ªa que sacudi¨® los cimientos de la f¨ªsica establecida: la mec¨¢nica cu¨¢ntica. Una de las predicciones m¨¢s fant¨¢sticas de la mec¨¢nica cu¨¢ntica era la existencia del efecto t¨²nel. Este efecto, totalmente imposible de predecir de acuerdo con la f¨ªsica cl¨¢sica, es una de las consecuencias inmediatas de la descripci¨®n que, en t¨¦rminos de probabilidad, la mec¨¢nica cu¨¢ntica hace de las part¨ªculas subat¨®micas y, en particular, de los electrones.

En mec¨¢nica cl¨¢sica, el problema de un electr¨®n 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 mec¨¢nica cu¨¢ntica, el electr¨®n posee propiedades ondulatorias y ello hace que la part¨ªcula tenga una cierta probabilidad de atravesarla y continuar su camino despu¨¦s de cruzar, por efecto t¨²nel esta zona cl¨¢sicamente prohibida.

?C¨®mo pod¨ªa observarse este fen¨®meno? Los f¨ªsicos experimentales se plantearon inmediatamente esta pregunta, y ya en 1957 Giaever, de los laboratorios Bell Telephone, consigui¨® demostrar inequ¨ªvocamente la existencia real del efecto t¨²nel. El experimento consist¨ªa en medir la peque?a corriente el¨¦ctrica que pasaba entre dos l¨¢minas met¨¢licas separadas por una capa muy delgada de ¨®xido cuando entre ellas se aplicaba una diferencia de potencial de s¨®lo unos pocos voltios. El ¨®xido representaba la barrera de potencial (la pared, en el caso de la pelota de tenis) que los electrones deb¨ªan atravesar por efecto t¨²nel, ya que los electrones no se pueden mover libremente en el interior de un aislante.

Giaever midi¨® la corriente que pasaba entre las dos placas met¨¢licas, comprobando que, en efecto, aparec¨ªan electrones al otro lado de la barrera de ¨®xido. As¨ª qued¨® demostrada la realidad del efecto t¨²nel.

Como es cada vez m¨¢s frecuente en la ciencia b¨¢sica actual, r¨¢pidamente se intent¨® explorar las consecuencias tecnol¨®gicas de este descubrimiento. Esaki, del laboratorio de Investigaci¨®n de IBM en Yorktown Heights, construy¨® el primer dispositivo electr¨®nico, un diodo, basado en una aplicaci¨®n pr¨¢ctica del efecto t¨²nel. Estos diodos son utilizados hoy d¨ªa sistem¨¢ticamente en los osciladores de alta precisi¨®n. Algo m¨¢s tarde, Josephson, del laboratorio Cavendish, en Cambridge, predijo la posibilidad de t¨²nel de electrones entre dos superconductores, efecto que lleva su nombre y que, al ser verificado experimentalmente, ha abierto las puertas a una nov¨ªsima generaci¨®n de dispositivos electr¨®nicos.

El esfuerzo realizado por innumerables f¨ªsicos en la comprensi¨®n b¨¢sica y utilizaci¨®n pr¨¢ctica del efecto t¨²nel, 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 comprobaci¨®n de la realidad del efecto t¨²nel en el caso m¨¢s simple de imaginar, el de una barrera de vac¨ªo, no fue posible hasta 1981, en que Gerd Binnig, Heinrich Rohrer, Christopher Gerber y Edmund Weibel dise?aron un bello y simple sistema experimental para estudiarlo. La idea, hermosa a fuerza de simple, cuya realizaci¨®n se hab¨ªa ya intentado antes sin ¨¦xito, era sustituir el ¨®xido por el vac¨ªo y una de las placas met¨¢licas por una punta extremadamente fina.

Esta aguja, hecha de un metal muy resistente, se manten¨ªa a una

distancia de s¨®lo unas pocas veces el tama?o de un ¨¢tomo por encima de la superficie que se deseaba examinar. La eliminaci¨®n de las vibraciones, tanto exteriores como propias del sistema experimental, era el problema clave. Y se solucion¨® 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 permiti¨® transformar un experimento de ciencia b¨¢sica en una herramienta de mucha utilidad pr¨¢ctica fue la idea de que si esta punta ultrafina se mov¨ªa de un modo controlado sobre la superficie, mientras por medios electr¨®nicos se manten¨ªa constante durante el desplazamiento la corriente debida al efecto t¨²nel, la punta se acercar¨ªa o alejar¨ªa de la superficie siguiendo con gran precisi¨®n la topograf¨ªa de la muestra: ?hab¨ªa nacido un nuevo microscopio!

El impacto en el mundo de la f¨ªsica fue enorme. No s¨®lo se hab¨ªa comprobado una predicci¨®n fundamental de la mec¨¢nica cu¨¢ntica, sino que el efecto t¨²nel pod¨ªa ser utilizado para construir un nuevo tipo de microscopio no destructivo, con una resoluci¨®n mucho mejor que las de los m¨¢s sofisticados microscopios electr¨®nicos conocidos. En efecto, hasta entonces no hab¨ªa sido posible ver las superficies de los materiales con una amplificaci¨®n de entre 10 y 100 millones de aumentos. Ahora, por primera vez, se pod¨ªan visualizar directamente los ¨¢tomos de una superficie cualquiera.

En condiciones atmosf¨¦ricas normales

En los dos a?os transcurridos des de entonces, el microscopio de efecto t¨²nel, conocido en la jerga cient¨ªfica como la punta, ha cosechado una espectacular sucesi¨®n de ¨¦xitos, proporcionando las claves para la resoluci¨®n de muchos de los problemas m¨¢s intrigantes con que los cient¨ªficos se hab¨ªan enfrentado en los ¨²ltimos a?os, en particular en la estructura cristalogr¨¢fica de las superficies de s¨®lidos. A pesar de ello, los expertos estaban convencidos de que este microscopio s¨®lo pod¨ªa alcanzar resoluci¨®n at¨®mica si trabajaba en vac¨ªo, esto es, a una presi¨®n miles de millones de veces menor que la presi¨®n atmosf¨¦rica.

Sin embargo, la mayor parte de los problemas m¨¢s importantes de la vida real est¨¢n relacionados con fen¨®menos que ocurren a presi¨®n atmosf¨¦rica. As¨ª ocurre en biolog¨ªa, medicina, metalurgia, microelectr¨®nica o en la ciencia de materiales. ?Ser¨ªa posible adaptar el microscopio de efecto t¨²nel para poder estudiar a presi¨®n atmosf¨¦rica los ¨¢tomos de una superficie? Si la respuesta a esta pregunta fuese afirmativa, se habr¨ªa dado un paso adelante de gran alcance. Para calibrar su importancia basta con pensar que, a presi¨®n atmosf¨¦rica, ¨²nicamente pueden utilizarse microscopios ¨®pticos, con los cuales s¨®lo es posible alcanzar algunos miles de aumentos. Un grupo de f¨ªsicos del Departamento de F¨ªsica Fundamental de la universidad Aut¨®noma de Madrid, Nicol¨¢s Garc¨ªa, Arturo Bar¨® y Rodolfo Miranda, que ya hab¨ªan realizado trabajo te¨®rico y experimental sobre este nuevo microscopio, en estrecha colaboraci¨®n con los creadores de la punta, instalaron en la UAM una nueva versi¨®n del microscopio construida y donada por IBM. Adem¨¢s escogieron como primer campo de aplicaci¨®n de sus esfuerzos el apasionante terreno de la biolog¨ªa. En ¨¦l contaron con la colaboraci¨®n de Jos¨¦ L. Carrascosa, experto en Microscopia Electr¨®nica del Centro de Biolog¨ªa Molecular CSIC-UAM. Finalmente, el proceso de automatizaci¨®n de la adquisici¨®n de datos y su tratamiento gr¨¢fico mediante ordenador ser¨ªa llevado a cabo por el Centro de Investigaci¨®n UAM-IBM.

De los virus a la 'fatiga' de los metales

Aunque todav¨ªa es pronto para apreciar en toda su dimensi¨®n los resultados que puede producir en el futuro este proyecto, no es menos cierta la importancia de los logrados hasta el momento. Fotograf¨ªas con resoluci¨®n at¨®mica de las superficies de materiales tan diversos como un cristal de oro o de grafito donde se puede observar un escal¨®n de un ¨¢tomo de altura, abren una perspectiva revolucionaria a la ciencia y la tecnolog¨ªa. Y no s¨®lo en nuestro pa¨ªs.

La raz¨®n para ello resulta evidente: sobre estos materiales tan planos es relativamente f¨¢cil visualizar el relieve de material biol¨®gico 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 s¨®lo hab¨ªa sido posible visualizar estos virus mediante microscopia electr¨®nica, pero en condiciones muy alejadas de las naturales: en vac¨ªo, recubiertos de una capa met¨¢lica para evitar su completa destrucci¨®n durante el proceso de medida, etc¨¦tera. Adem¨¢s, la punta no destruye ni altera el material biol¨®gico, que, por tanto, puede ser estudiado en condiciones muy similares a las que son caracter¨ªsticas del medio biol¨®gico, pero con un detalle muy superior al actualmente posible. Tambi¨¦n se ha aplicado a la visualizaci¨®n superficial de cristales de la enzima catalasa.

Los citados f¨ªsicos del Departamento de F¨ªsica Fundamental han realizado adem¨¢s otras colaboraciones en estos pocos meses. En un trabajo conjunto con dos investigadores mexicanos, Rigoberto Garc¨ªa y Juan L. Pe?a, del CINVESTAV, han visualizado la superficie de un buen n¨²mero de materiales de inter¨¦s industrial, como tornillos de ultraprecisi¨®n, pistones de inyecci¨®n de motores Diesel o bloques patr¨®n para calibraci¨®n de espesores y textura de rugosidad superficial.

Los resultados de estos experimentos han conducido a considerar al nuevo microscopio como el instrumento id¨®neo para determinar la rugosidad superficial en el control de calidad de los procesos industriales, reemplazando a los instrumentos que hasta ahora desempe?aban esta tarea.

Los resultados anteriores, en biolog¨ªa y f¨ªsica, 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 r¨¢pidas incursiones en el estudio de deposiciones de metales sobre mica que simulan posibles modelos de los contactos met¨¢licos entre los transistores que forman parte de un chip, en estrecha relaci¨®n con la microelectr¨®nica. Estos contactos, que juegan hoy d¨ªa el papel de los antiguos cables, est¨¢n formados por pel¨ªculas met¨¢licas muy delgadas que, seg¨²n los resultados obtenidos por la punta, tendr¨ªan un espesor muy irregular, lo que podr¨ªa ser una de las causas esenciales del elevado porcentaje de fallos en el uso de un buen n¨²mero de circuitos microelectr¨®nicos.

La caracterizaci¨®n de los fen¨®menos superficiales a nivel at¨®mico que ofrece el descubrimiento de este nuevo microscopio ayudar¨¢ a conocer mucho mejor los procesos b¨¢sicos relevantes en multitud de campos de gran importancia para la industria, como son la oxidaci¨®n, la corrosi¨®n, las c¨¦lulas solares, los circuitos de microelectr¨®nica, la estructura de los catalizadores empleados en la industria qu¨ªmica, el acabado de piezas de alta precisi¨®n, la microestructura de las paredes de los reactores nucleares y, en definitiva, la mayor parte de los procesos industriales, ya que ¨¦stos tienen lugar a presi¨®n atmosf¨¦rica.

Un problema esencial en metalurgia es la comprensi¨®n de los distintos mecanismos de fractura, ocupando un lugar destacado el denominado rotura por fatiga. Esta ¨²ltima es la responsable de la mayor¨ªa 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 avi¨®n, tren de aterrizaje, alas, etc¨¦tera, hasta las bielas de un autom¨®vil. Las razones b¨¢sicas de este proceso se reflejan en diversas teor¨ªas, pero falta una clara verificaci¨®n experimental de las mismas.

Por otro lado, las posibilidades referentes a las ciencias de la vida son tambi¨¦n m¨²ltiples. En los pr¨®ximos meses es prop¨®sito de los cient¨ªficos involucrados en este proyecto estudiar distintos tipos de virus, membranas celulares, receptores, enzimas, prote¨ªnas, nucleosomas, liposomas y otros tipos de macromol¨¦culas.

La comprensi¨®n de los procesos microsc¨®picos de conducci¨®n el¨¦ctrica en material biol¨®gico es de especial importancia en este contexto. Del mismo modo, el campo de los nuevos materiales, como vidrios met¨¢licos, s¨®lidos ultra d¨¦biles, composites, pol¨ªmeros, l¨ªquidos, microcristales y cristales l¨ªquidos, recibir¨¢ especial atenci¨®n por parte del equipo de investigadores de la universidad Aut¨®noma 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 coraz¨®n artificial o las pr¨®tesis de cadera, podr¨ªa ser una determinada rugosidad superficial de la pieza implantada.

En breves palabras: el hecho de que se puedan fotografiar superficies a presi¨®n atmosf¨¦rica y ver estructuras at¨®micas abre unas perspectivas s¨®lo limitadas por el poder de la imaginaci¨®n humana.

El objetivo -siempre presente en la mente de estos investigadores- de conectar con las necesidades industriales de nuestro pa¨ªs es un ejemplo de c¨®mo la ciencia b¨¢sica de calidad puede impulsar el desarrollo tecnol¨®gico. Quiz¨¢ sea ¨¦sta la principal lecci¨®n del caso al que nos estamos refiriendo: hoy es posible en Espa?a hacer investigaci¨®n b¨¢sica competitiva con la que se lleva a cabo en el resto del mundo, y es tambi¨¦n posible aplicar esos descubrimientos b¨¢sicos a mejorar la salud, la calidad de vida y el rendimiento de los, procesos industriales.

Es cierto que todav¨ªa- la investigaci¨®n est¨¢ infradotada en nuestro pa¨ªs. Pero parece ser prop¨®sito com¨²n de todas las fuerzas politica mejorar su situaci¨®n. Es urgente: Espa?a dedica a investigaci¨®n cient¨ªfica y t¨¦cnica como la cuarta parte del promedio de los pa¨ªses de la Comunidad Europea.

La aplicaci¨®n del efecto t¨²nel a la nueva microscopia demuestra que es posible con esfuerzo, conocimientos, nivel cient¨ªfico e ilusi¨®n producir resultados que tengan repercusiones tecnol¨®gicas importantes.

Hasta ahora nuestros investigadores han tenido, en ocasiones, el soporte y la confianza -t¨®mese el ejemplo presente- de entidades cient¨ªficas internacionales. Y los resultados est¨¢n a la vista. Ahora es el turno de los responsables de la pol¨ªtica cient¨ªfica y tecnol¨®gica espa?olas, as¨ª como de los industriales con iniciativa, ambici¨®n y perspectiva. La investigaci¨®n y su aplicaci¨®n tecnol¨®gica en nuestro pa¨ªs tienen futuro.

Nicol¨¢s Cabrera S¨¢nchezes profesor em¨¦rito de F¨ªsica de Estado S¨®lido de la UAM;Jos¨¦ Elguero Bertolinies investigador del CSIC;Federico Mayor Zaragozaes catedr¨¢tico de Bioqu¨ªmica;Javier Solana Madariagaes catedr¨¢tico de F¨ªsica del Estado S¨®lido y ministro de Cultura, yFernando de As¨²a ?lvarezes presidente de IBM Espa?a.