Ver es interpretar nuestro entorno a través de los rayos de luz que alcanzan el ojo. Pero ¿qué ocurre cuando queremos observar átomos y moléculas, 500 o 1000 veces más pequeños que un fotón, es decir, una partícula de luz? La luz no sirve; estamos a ciegas.

A principios de los años 80, dos físicos alemanes que trabajaban en IBM revolucionaron la ciencia moderna con un invento que les valió el Nobel de física en el año 86: el microscopio de efecto túnel. Su invento consistía en acercar una punta extremadamente fina, acabada en un solo átomo, a una superficie, a una distancia de unos pocos nanómetros/angtroms (?). Antes de que la punta y la superficie se toquen, se produce entre ambas una corriente eléctrica que se puede medir, y que sirve para dibujar un mapa topográfico de la superficie que estamos estudiando.

En el sótano de CICnanoGUNE, en Donostia, hay uno de estos microscopios que no ven, sino que sienten, palpan sin tocar, casi como un ciego que lee en Braille. El director del grupo de investigación Nanoimaging, José Ignacio Pascual, se lo trajo de Berlín, donde llevaba diez años funcionando. Él mismo lo diseñó y construyó junto a su equipo.

NACHO PASCUAL. CICnanoGUNE: Cuando decidimos trabajar en las condiciones de este sistema no existía nada similar, y todo lo que pudimos hacer fue desarrollarlo nosotros mismos. Ha habido muchos retos, porque aunque la tecnología era conocida, tuvimos que afrontar el trabajar con temperaturas criogénicas, de 4ºK, que son -269 ºC. Son requerimientos que nos imponíamos para tener los átomos quietos en una superficie, y poder manipularlos.

A temperatura ambiente, los átomos tienen mucha energía y no paran de moverse. Sería imposible estudiarlos y manipularlos uno a uno. Así que tuvieron que acoplar el microscopio de efecto túnel a un criostato de helio que, a su vez, está dentro de un tanque de nitrógeno líquido. Para poder trabajar a 270 grados bajo cero.

Y si el frío es importante para que los átomos se estén quietos, el vacío es fundamental para mantenerlos limpios, libres de molçeculas extrañas. En esta instalación se trabaja con los que se conoce como ultra alto vacío, 10^-13 atmósferas, el equivalente al vacío intergaláctico.

Tener una superficie de átomos estables es importante no sólo para observar los átomos y las moléculas, sino para poder manipularlos. Basta con acercar la punta un poco más para “pinchar” un átomo y trasladarlo a otro punto de la superficie, o bien empujarlo lateralmente. Así, moviendo los átomos uno a uno, es como se han creado las imágenes que componen esta película animada que han hecho en IBM. Pero el objetivo de manipular átomos no es dibujar, sino estudiar sus propiedades.

NACHO PASCUAL. CICnanoGUNE: Los átomos son como los ladrillos de los materiales. Todos los materiales, medicamentos, combustibles, los discos duros donde se guarda la información magnética… las propiedades que tienen los materiales dependen de su composición atómica; de cómo están estos átomos uniéndose unos a otros y formando estructuras más grandes, ya sean moléculas o nanopartículas. Nuestro acercamiento es, a escala de unos pocos átomos, intentar entender y construir nuevos materiales y ver cómo podemos optimizar su funcionamiento.

Esta otra imagen ha sido creada por Jingcheng Li en el propio CICnanoGUNE. Partiendo de una superficie de plata, ha arrancado átomos uno a uno, como si extrajera piedras de una cantera. Cada átomo mide menos de dos angstroms, y ha sido empujado con la punta del microscopio hasta formar una circunferencia.

JINGCHENG Li: Esto es una cadena de moléculas. Ponemos las moléculas sobre la superfice para estudiar sus reacciones químicas y obtener información acerca de su fuerza, su luz y otras propiedades.

Pero éste no es un microscopio de efecto túnel al uso. El equipo de José Ignacio Pascual le acopló un pequeño diapasón de cuarzo en la punta, de forma que también permita trabajar con materiales que no sean conductores de electricidad.

NACHO PASCUAL. CICnanoGUNE: Es una moda bastante útil en nuestras medidas. Unos de los problemas que tiene este microscopio es que, como utilizas corriente eléctrica para medir la distancia entre la punta y la muestra para hacer tus imágenes, solamente puedes trabajar con materiales que sean conductores de electricidad. Utilizamos un diapasón de cuarzo, que es exactamente el que tienen los relojes de cuarzo. Al extremo de este diapasón, que está siempre oscilando, pegamos una punta. Las pequeñas interacciones mecánicas que hay entre mi punta y mi muestra, las podemos detectar viendo cómo varía la resonancia de ese diapasón, la frecuencia a la cual oscila. Eso es muy útil, porque aunque no pase corriente, podemos detectar que nuestra punta se está acercando.

El diapasón de cuarzo hace que esta máquina no sólo funcione como un microscopio de efecto túnel, sino también como un microscopio de fuerzas atómicas. Una especie de dos en uno. Pero, puestos a construir su propio instrumento, estos científicos han añadido una tercera opción: la espectroscopía óptica.

 JOSÉ IGNACIO PASCUAL. CICnanoGUNE: Es una de las ventajas de diseñar y construir tu propia máquina. Creo que esta es la única máquina en el mundo que puede medir los tres tipos de espectroscopía: de efecto túnel, de fuerzas y óptica. Tenemos un espectrómetro de luz, que mide un efecto bastante sencillo: las células solares funcionan cuando llega un fotón, se emite un electrón, o un electrón puede emitir un fotón. Eso es lo que estamos haciendo: mandamos electrones entre la punta y la muestra y detectamos los fotones que son emitidos, y de esa forma podemos estudiar, por ejemplo, el efecto fotovoltaico.

El microscopio llegó de Berlín en octubre y está operativo desde enero. Para instalarlo en este laboratorio ha habido que hacer obras de acondicionamiento que aseguraran un aislamiento óptimo.

JOSÉ IGNACIO PASCUAL. CICnanoGUNE: El microscopio funciona con una punta muy cerca de una superficie. La distancia es del orden de un nanómetro. Si tú fueras capaz de ver cómo se mueven las paredes del edificio donde estamos y pudieras medir las oscilaciones que tiene, son oscilaciones de varias micras, es decir, mil o 10.000 veces más grandes que esta distancia. Si dejáramos el microscopio simplemente sobre esta superficie, se estaría todo el rato moviendo así y sería muy inestable. Por eso es muy importante aislarlo de las vibraciones.

El microscopio, propiamente dicho, está suspendido sobre unos muelles dentro del criostato. La máquina completa descansa sobre cuatro patas neumáticas, es decir, sobre aire, en el suelo de la habitación. Y el propio suelo también está aislado del resto del edificio.

JOSÉ IGNACIO PASCUAL. CICnanoGUNE: El microscopio, para poder trabajar de forma ideal, tiene que estar muy aislado de las vibraciones del mundo. Aunque no lo veamos, cuando pasa el topo, una máquina o un coche, todo el suelo vibra. Y el microscopio es sensible a esas vibraciones. Para que funcione bien, se ha construido encima de este bloque de aquí. Es un bloque de cemento de 30 toneladas. El bloque está suspendido sobre cuatro patas neumáticas, que son estas cuatro que están aquí, y esto es un neumático de tren. En este neumático metemos una presión de 7 bar, y es suficiente para levantarlo, de forma que todo el bloque está suspendido sobre estas cuatro patas neumáticas.

Además, la habitación está insonorizada y aislada de las ondas electromagnéticas mediante un recubrimiento de metal. Todo para que nada afecte a las mediciones. Y es que, si consideramos el trabajo de un relojero o el de un cirujano operaciones de precisión, a la hora de trabajar a escala nanométrica, la palabra ‘precisión’ cobra un nuevo significado.