El átomo como jamás se había visto

Un equipo de investigadores de la Universidad de Cornell (Nueva York, EEUU) construyó, en 2018, un detector de alta potencia que, en combinación con un proceso llamado ‘pticografía’ y asistido por algoritmos informáticos (secuencia de instrucciones) estableció un récord mundial al multiplicar la resolución de un microscopio electrónico.

Un microscopio electrónico es un instrumento que permite observar objetos demasiado pequeños para ser percibidos a simple vista y utiliza radiación electrónica, en vez de luz, para conseguir aumentos miles de veces superiores a los del microscopio ordinario, según fuentes enciclopédicas.

Por su parte, la resolución indica la cantidad de detalles visuales que pueden observarse en una imagen vista por medio de dicho microscopio o, explicado de otro modo, cuán nítida es.

A pesar de la exitosa imagen de 2018, reconocida oficialmente con un récord mundial en el Libro Guinness de los Records, su enfoque tecnológico tenía una debilidad: solo funcionaba con muestras ultrafinas que tenían unos pocos átomos de espesor.

Cualquier cosa más gruesa que se intentará captar con aquel sistema de microscopía electrónica, haría que los electrones se dispersaran en distintas direcciones de manera que no podrían desenmarañarse, según Cornell (www.cornell.edu) .

MIRADA A MUNDOS OCULTOS.

Pero este año 2021 un equipo de esa misma universidad, nuevamente dirigido por David Muller, profesor de ingeniería en la Facultad de Física Aplicada e Ingeniería de Cornell, ha superado su propio récord utilizando un instrumento denominado detector de matriz de píxeles de microscopio electrónico (EMPAD) que incorpora algoritmos de reconstrucción 3D aún más complejos.

Los investigadores de Cornell capturaron una muestra de un cristal en tres dimensiones y la ampliaron 100 millones de veces, duplicando la resolución que les valió el aparecer en el libro Guinness de los Récords, según la revista ‘Scientific American’.

La resolución de esta nueva imagen electrónica está tan bien ajustada, que lo único borroso que queda es el movimiento térmico de los propios átomos, según la universidad.

La ‘pticografía’ (Ptychography en inglés), que no hay que confundir con la pictografía, es una técnica computacional que genera imágenes microscópicas procesando un extenso conjunto de datos, obtenidos al disparar un haz de electrones que se mueve infinitesimalmente sobre un material, golpeando esa muestra desde ángulos ligeramente diferentes cada vez.

“Mediante la ‘pticografía’ escaneamos patrones de dispersión superpuestos de una muestra de material y buscamos cambios en la región superpuesta”, explica Muller.

“Con este método perseguimos patrones de motas (manchas redondeadas) que se parecen mucho a esos patrones producidos mediante un puntero láser que tanto fascinan a los gatos. Al ver cómo cambia el patrón, podemos calcular la forma del objeto que causó ese patrón", indica Muller.

Explica que el detector usado en esta investigación está ligeramente desenfocado, difuminando el haz, para poder capturar la mayor variedad de datos posible.

“Luego, estos datos se reconstruyen por medio de algoritmos complejos, dando como resultado una imagen con una precisión de picómetro (una billonésima parte de un metro)”, señala.

“Con estos nuevos algoritmos se puede corregir el desenfoque del microscopio hasta el punto de que el desenfoque más grande que queda proviene del bamboleo de los propios átomos, es decir sus fluctuaciones o movimientos”, asegura.

SIGUIENDO LA PISTA A LOS ÁTOMOS.

"Básicamente, ahora podemos averiguar dónde están los átomos de una manera muy fácil. Esto abre una gran cantidad de nuevas posibilidades de medición de elementos que hemos querido medir desde hace mucho tiempo”, anticipa.

Este método de ‘pticografía electrónica de última generación permitirá a los científicos localizar átomos individuales en las tres dimensiones espaciales, los cuales podrían permanecer ocultos al utilizar otros métodos de obtención de imágenes.

“Los investigadores también podrán encontrar átomos con impurezas en configuraciones inusuales, captando imágenes de esos átomos y de sus vibraciones, uno por uno`”, según Cornell.

Esta técnica podría ser especialmente útil para obtener imágenes de materiales semiconductores más avanzados que el silicio, destinados a diseñar la próxima generación de microcircuitos, teléfonos móviles, computadoras y otros dispositivos electrónicos más potentes y eficientes, así como baterías de mayor duración o materiales que se usan en la computación cuántica, así como para analizar los átomos que se encuentran en los límites donde se unen dos materiales diferentes, según Scientific American.

“Este método de imágenes también podría aplicarse para investigar las células y tejidos biológicos gruesos, e incluso las conexiones de las sinapsis (espacio entre el extremo de una neurona y otra célula) en el cerebro”, de acuerdo a Muller .

“Hasta ahora usábamos una ‘gafas malas`”, señala Muller, en referencia a los anteriores métodos de microscopía.

“Ahora que disponemos de unas gafas realmente buenas, intentaremos usarlas todo el tiempo y aplicarlas a todo lo que hacemos”, señala.

En 2018 David Muller codirigió con el profesor de Física en Cornell, Sol Gruner, un ensayo utilizando un detector de alta potencia en combinación con la `pticografía´, mediante el cual estableció el récord mundial de resolución de imagen a nanoescala, midiendo hasta 0,39 ångströms o 0,039 nanómetros (un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro).