Se sabe desde hace mucho tiempo que la resolución espacial que se puede conseguir con un microscopio óptico, esto es, la característica más pequeña que se puede observar, es del orden de la longitud de onda de la luz que se emplee. Para que nos hagamos una idea del orden de magnitud, la longitud de onda del verde es de 550 nm (nanometros). Una forma de mejorar esta resolución es evidente: usar partículas con longitudes de onda asociadas más pequeñas o, lo que es lo mismo, más energéticas. Este es el fundamento de los microscopios electrónicos, en los que las partículas que se usan son electrones. Razones de índole puramente ingenieril hacen que la energía de los electrones empleados en los microscopios electrónicos de transmisión (MET) esté en el rango de los 100 a 300 keV, lo que corresponde a una longitud de onda de entre 3,7 y 2 pm (picometros).
Parémonos aquí un momento porque esto es importante. El radio
del átomo de hidrógeno, llamado radio de Bohr (la distancia más
probable entre el protón del núcleo y el electrón en el estado
estacionario) es de 52,9 pm [ojo, el hidrógeno es el átomo más sencillo pero no el más pequeño]. ¿Significa esto que podemos ver
“dentro” de un átomo de hidrógeno usando un MET? Vamos a verlo.
La resolución de un MET está limitada no sólo por la longitud
de onda de los electrones, sino por las imperfecciones de las lentes
electrónicas. Las principales son las aberraciones esférica
y cromática.
Instalando correctores (lentes auxiliares) se puede conseguir una
resolución de 50 pm. Sí existen fotos de átomos, por tanto (véase
por ejemplo aquí).
En la MET lo que se hace es que un haz de electrones atraviese una
capa muy fina de la muestra (de ahí lo de transmisión) y después
medir cómo han sido afectados los electrones por ese paso. De esta
forma podemos saber la posición y más o menos el tamaño de los
átomos que constituyen la muestra. En este sentido, “vemos” los
átomos. Sabemos qué átomos son, qué elementos, por métodos
químicos: bien porque nosotros hemos sintetizado la muestra, bien
porque lo hayamos determinado analíticamente.
En el caso del MET, al atravesar la muestra los electrones pueden
perder una cantidad de energía que es característica del elemento
concreto con el que están interaccionando. Existe una versión de
los MET, la llamada con filtro de energías (MET-FE), que es capaz de
interpretar las energías de los electrones transmitidos y obtener lo
que se llaman mapas químicos de la muestra. Esta técnica ya es
comercial y permite realizar análisis químicos a escala nanométrica
(véase por ejemplo IMP).
Acabamos de decir nanométrica. ¿Pero no decíamos que la
resolución era 50 pm? Efectivamente, pero de nuevo nos encontramos
para las técnicas MET-FE los problemas de las aberraciones,
especialmente la cromática. Por lo tanto la MET-FE aún no ha
conseguido la resolución atómica.
Y aquí es donde interviene el equipo encabezado por Knut Urban,
del centro de investigación Jülich (Alemania). Urban recibió en
2011 el premio Wolf de física precisamente por sus trabajos para
corregir las aberraciones en los MET. En un artículo aparecido en
Physical Review Letters estos investigadores lo que vienen a
decir es que han conseguido corregir la aberración cromática en
MET-FT. Y para ello han usado el mismo razonamiento que se emplea en
astroquímica.
Para determinar que en una nebulosa existe la molécula X, lo que
se hace es tomar una muestra de esa molécula, ponerla en las
condiciones de temperatura y vacío del espacio interestelar, y medir
su espectro en esas condiciones. Después hay que cotejar los
espectros recogidos por los telescopios para comprobar si los picos
característicos de nuestra molécula están presentes. Pero, y esto
es lo interesante, lo que se hace si no se puede conseguir poner la
muestra en las condiciones del espacio por la razón que sea, son
cálculos teóricos (químico-cuánticos) a partir de primeros
principios que nos dirán cuál será probablemente su espectro.
Urban et al. han hecho esto mismo aparte de desarrollar nuevas
ópticas: cálculos teóricos que permiten interpretar la información
recibida.
Los autores pusieron a prueba su método con una muestra de
silicio consistente en un único cristal. Seleccionaron sólo
aquellos electrones que interactuaban con electrones muy específicos
del silicio. La resolución fue suficiente para visualizar las
“mancuernas de silicio”, átomos de silicio vecinos que se
emparejan en ciertos planos del cristal. Las imágenes muestran que
los centros de dos átomos que forman una mancuerna están separados
135 pm (te puedes entretener midiéndolo tú, sabiendo que el radio atómico del silicio es 111 pm).
Si nos damos cuenta, esto es exactamente lo que se ve en las
películas de ciencia ficción: introducen una muestra minúscula en
un equipo y éste te dice la composición átomo a átomo. El futuro
ya está aquí (otra vez). Nos falta la Enterprise.
Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XXV Edición del Carnaval de Química que acoge ISQCH-Moléculas a reacción
Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XXV Edición del Carnaval de Química que acoge ISQCH-Moléculas a reacción
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