Cómo el Microscopio Más Potente del Mundo acabó en España (1)
Años 80. En la frontera entre Francia y España, en el País Vasco, un coche ocupado por tres
hombres fue detenido para una inspección. Cuando los policías abrieron el maletero
se lo encontraron lleno de piezas y electrónica. Aunque seguramente los agentes sospecharon
que se trataba de las partes de un artefacto terrorista, lo que tenían delante era la
primera copia del microscopio más potente de todo el mundo, capaz de ver átomos y,
con el tiempo, la habilidad de poder manipularlos a su antojo.
En este vídeo dividido en 9 capítulos, os vamos a contar parte de su historia, de lo
alucinante que es esta técnica, de todas las puertas que está abriendo y de cómo
los españoles nos hemos convertido en unos expertos en ella, incluso fabricando microscopios
para otros equipos del mundo. Y para contar toda esta historia hemos tenido
el privilegio de contar con algunos de sus protagonistas.
CRESPO: Don Arturo, ¿cómo está?
ARTURO BARÓ: Muy bien, muy bien.
CRESPO: Fui estudiante de física en la Autónoma y no sabe la de historias que he escuchado.
ARTURO BARÓ: ¿Ah sí?
CRESPO: ¡Claro, por supuesto!
JULIO: Pues mira, yo hice la tesis con Arturo Baró, en la primera generación de STM que
hubo, por supuesto en España, y prácticamente en el mundo.
La historia del microscopio de efecto túnel, o de escaneado túnel, en sus siglas en inglés
STM, comienza en los laboratorios de IBM en Zurich, donde dos investigadores habían dado
a luz a la criatura.
JULIO: IBM siempre ha dedicado una parte significativa de su dinero a la investigación. Ocurre que
un profesor de este departamento, Nicolás García por circunstancias conoció a uno
de los inventores del STM; Heinrich Rohrer. Le conoció mientras estaba haciendo una estancia
en Alemania, se hicieron amigos, y de alguna manera Nicolás García le convenció para
traer un STM a España.
ARTURO BARÓ: Nicolás García era una persona muy persuasiva. Persuadió a Rhorer para hacer
eso.
JULIO: Como ya he dicho, aquí hay una cadena de relaciones humanas. Nicolás García se
lo dijo a Arturo. Arturo se fue a Zurich. Estuvo trabajando 6 meses con el STM que tenían
allí.
ARTURO BARÓ: Yo hice una estancia allí. Necesitaban un [físico] experimental. [Rhorer]
Me pidió que si yo quería ser el experimental y dije que sí.
JULIO: Y estuvo trabajando con el otro inventor del STM, Gerg Binnig.
ARTURO BARÓ: Pero bueno, realmente era Binnig era el que realmente desarrolló el microscopio
y propiamente el que hacía las imágenes y se ocupaba de todo. El que rompía las cosas.
Iba hasta el final. Si rompía algo, había un técnico, Gerber, y él lo arreglaba. Si
funcionaba bien y si no lo rompía y al día siguiente llegaba el técnico y lo volvía
a poner en funcionamiento. O sea que genial. Bueno esto, pues , me inició en el propio
microscopio.
CRESPO A RODOLFO: ¿Cómo entraste en contacto con el STM?¿Cómo te enteraste?
RODOLFO: Mi primer contacto con el STM fue bastante curioso. Estaba dando un seminario
un lunes por la mañana, y yo creía que estaba contando una cosa súper interesante, pero
nadie hacía ni caso. Realmente se pasaban todo el rato mirando hacia atrás, cuchicheando
con un tipo rubio derrengado en la última fila, con una cara de sueño espantosa. No
me hacen ningún caso, “estos tipos qué antipáticos son”. [Pregunta al plenario]”
hay preguntas, comentarios…” Y el tipo dice: “Yo creo que las preguntas, si las
hay, las podemos dejar para después porque ahora tenemos mucho interés en ir a ver esto
que ha encontrado Gerd [Binnig] en el laboratorio anoche”. Pues bueno, me uní a la procesión.
Y nos fuimos todos de procesión al laboratorio. Habían tomado las primeras medidas de esta
cosa, que luego se convirtió en el STM.
CRESPO: ¡Fíjate!
RODOLFO: Esto que te hace la barbilla como los dibujos animados [Sorprendido]. Veíamos
ahí unas líneas, que bueno...Pero claro, simplemente, como te puedes imaginar, la perspectiva
para un científico joven que hacía cosas de física de las superficies, que se pudieran
ver átomos, era aquello de que la cabeza te hace BOOM. Es como amor a primera vista.
A estas alturas estaréis deseando saber en qué consiste esto del STM. La idea no difiere
conceptualmente de la de un escáner de documentos, solamente que actúa a nivel nanométrico,
más de un millón de veces de lo que la mejor de tus reglas puede medir. Para conseguir
esto, Binnig y Rohrer se enfrentaron a tres retos.
Primero, si quieres escanear el nanomundo necesitas un sensor igual de pequeño. Y en
ese sentido no decepciona: esto esencialmente es un STM. Estos pilares están para colocar
la muestra y moverla a tu antojo, mientras que en el centro está la punta. Esta es la
parte importante, una especie de aguja cuyo extremo tiene el grosor de un átomo.
¿Cómo es posible hacer una punta tan afilada? Diego nos lo cuenta.
DIEGO: Hay dos métodos. El oficial y el extraoficial. El oficial es que generalmente lo que haces
es coger una punta de platino-iridio y le haces un ataque electroquímico y la punta
se afila sola. Al final acaba en un solo átomo. La versión extraoficial, que funciona bastante
bien, es coger unas tijeras de papelería y cortar el hilo de platino-iridio con ángulo
de 45 grados. Corte limpio. Esto es un arte. Estas tijeras tienen una zona que corta mejor
que el resto. Si haces el corte mal no te vale de nada, pero si cortas justo en ese
punto, haces un corte limpio del hilo...yo he conseguido sacar resolución atómica con
eso.
CRESPO: ¿En serio?
DIEGO: [Rie] Hay que tener arte para hacer esto. Incluso lo cutre hay que saber hacerlo
bien.
Segundo problema: el movimiento. Si quieres escanear algo tan pequeño tienes que poder
mover el sensor muy poco a poco, muy finamente por el nanomundo.
CRESPO: Una cosa que me parece una pasada, es que podáis mover esa punta átomo a átomo.
IVÁN: Realmente esa es una de las cosas técnicamente más espectaculares. Si hacemos una extrapolación,
es como tener el monte Everest e intentar, posicionarlo en torno a un centímetro de
una superficie, por ejemplo un plato que hubiese granitos de sal. Claro, en el monte Everest
tendríamos que tener un lápiz, algo así. Algo muy afilado. Moveriamos ese lápiz encima
de los granos de arena. Y la cosa sería mantener el monte Everest fijo con una precisión de
10 micras, midiendo estos granitos de sal.
JULIO: Cogieron tres barritas piezoeléctricas que al aplicarle un voltaje se estiraban,
se elongaban, y las unieron formando un trípode. Eran capaces de mover la punta a lo largo
de estas tres direcciones con precisión de fracciones de armstrong.
Y tercer problema: ¿Con qué sondeas? Puede que pienses en la luz, al fin y al cabo es
lo que tradicionalmente usan los microscopios. La luz choca contra las cosas, rebota hacia
nosotros y nos transmite información del objeto. Sin embargo, a nivel del nanomundo,
esto ya no es una opción. El motivo es que la luz visible es demasiado grande para revelar
detalles tan pequeños, no es capaz de interactuar a nivel atómico de la manera que queremos.
Una opción sería aumentar su frecuencia, haciendo que su tamaño ya sea capaz de extraer
estos detalles. El problema es que cuanto más frecuencia tiene la luz más energía
porta, por lo que al bombardear la muestra con esta luz lo estaríamos arrasando todo.
Necesitamos un nuevo tipo de escaneado. Es cuando entra el Efecto Túnel, del que ya
hablamos en un vídeo. Resumiendo, en el nanomundo los electrones tienen la habilidad cuántica
de estar deslocalizados, de no tener su posición bien definida. Esto les permite superar barreras
que de normal no podrían, lo que se llama tunelar. De esta forma puedes crear una corriente
túnel: empujar a un montón de electrones a atravesar un campo de fuerza que sabes que
es imposible de remontar, y detectar al otro lado que algunos electrones han pasado gracias
al tunelamiento cuántico. Lo útil de esto es que esta corriente es muy sensible al tamaño
de la barrera, hazla más grande o más pequeña y la cantidad de electrones que verás al
otro lado cambian exponencialmente. Es precisamente esta delicadeza lo que Binnig y Rohrer utilizaron
en el STM. Seguidme el hilo: La punta del STM se acerca
a la muestra. Se genera una fuerza que pretende que haya una corriente eléctrica entre la
punta y la superficie. Pero la punta está demasiado lejos, y la fuerza no es suficiente
para que los electrones salten fácilmente a la punta y cierren el circuito. A efectos
prácticos, el espacio entre la punta y la muestra es una barrera para los electrones,
así que en la punta se genera una corriente túnel. El sistema que controla el STM registra
la intensidad de esa corriente, marca la posición de la punta y la mueve a uno de los lados.
Ahora esta zona de la muestra está más cerca, por lo que la corriente túnel será mucho
más grande. El sistema lo detecta y retira la punta hasta que la corriente es la de referencia.
Registra la posición y se mueve a un lado. Este proceso se repite a lo largo de toda
la muestra, cartografiando su relieve, guiándose por la corriente túnel. Así es cómo puede
resolverse la imagen de un átomo.
NATALIA: Igual que un tocadiscos cuando tiene una punta y mides la rugosidad de esa superficie
con la punta, lo que hace el tocadiscos es traducirlo en música, nosotros esa rugosidad
la traducimos en una imagen de topografía.
JULIO: El STM te enseñaba los átomos uno a uno. Por ejemplo, allí, esa imagen que
hay allí de Nature, eso son átomos de estaño sobre una superficie de silicio y además
diferencian cuáles son los átomos de silicio de los átomos de estaño. Les ponen colores.
Esto es porque el STM no solo es capaz de enseñarte la distribución de la superficie.
Como la sonda son los electrones, átomos de distinto tipo generarán corrientes túnel
distintas (digamos que unos tiran más de sus electrones que otros). El STM te dice
no solo dónde están los átomos sino de qué elementos son. Pero para conseguir todo
esto se necesitan unas condiciones especiales, lo que nos lleva a la parte gorda del microscopio:
DIEGO: Lo que hacemos es meter esto (la punta) dentro de esta campana. Al final todo este
armatoste que se ve es una campana de ultra alto vacío, y un criostato. Claro, si tú
quieres estudiar una superficie metálica, por ejemplo, grafeno, si la dejas al aire,
al final todo se contamina. Sobre todo de moléculas de agua. Lo que necesitamos es
aislar nuestro STM de todas las frecuencias posibles. Tenemos por un lado unas patas neumáticas
que ayudan en ciertas frecuencias. Luego, dentro, hay un sistema de muelles. Incluso
los cables que se conectan al microscopio, llegados a un punto tienen que ser muy muy
muy finos. Del orden de un tercio de cabello humano para que no transmitan las vibraciones
mecánicas que llegan.
JULIO: Si tu quieres poner un objeto macroscópico, una punta, a una distancia de dos distancias
atómicas de otro objeto macroscópico que es la muestra. De alguna manera tienes que
evitar que haya vibraciones. Utilizando un amortiguamiento con muelles, consiguieron
hacer un STM que resolvió la primer imagen del silicio 7x7.
El problema del silicio 7x7 era un antiguo quebradero de cabeza para los cristalógrafos.
El silicio, cuando forma un cristal en condiciones normales, tiene un patrón relativamente sencillo.
Pero cuando se calienta a bajísimas presiones adquiere una estructura muchísima más complicada,
el silicio 7x7. Cuál era exactamente esta estructura era algo que se desconocía.
JULIO: Se escribieron artículos sobre eso. Sobre cómo era la reconstrucción del silicio.
Bueno, había un montón de modelos. El STM llegó, sacó una imagen del espacio real
y se acabó el problema. Esa fue la imagen que les valió el premio Nobel.
