Los avances técnicos del microscopio electrónico, Premio Fundación BBVA

Harald Rose (izda), Knut Urban (centro) y Maximilian Haider (dcha).

Los físicos alemanes Maximilian Haider, Harald Rose y Knut Urban han sido reconocidos con el Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en la categoría de Ciencias Básicas por "aumentar el poder de resolución del microscopio electrónico al desarrollar una óptica electrónica que permite precisión subatómica".

Los tres investigadores se enfrentaron a un problema que obstaculizaba el desarrollo de la nanotecnología: la baja resolución de la microscopía electrónica. De hecho, mientras agencias estatales decidían dejar de financiar esta línea de investigación, los ganadores formaron un equipo con el objetivo de encontrar una solución. En menos de una década no solo tenían una respuesta teórica, sino también un prototipo de microscopio.

Su técnica es la única que permite explorar la materia en la escala del picómetro, el equivalente a una centésima del diámetro de un átomo de hidrógeno -la billonésima parte de un metro-. Se puede ver así cómo se mueve cada átomo, y cómo interacciona con los demás con una nitidez nunca alcanzada antes.

El microscopio de Haider, Rose y Urban permite cumplir una antigua aspiración de los físicos: a partir de la imagen de los átomos, relacionar qué comportamiento se corresponde con una determinada propiedad, como pueden ser la conductividad o la dureza. De esta forma, basta emular ese modelo de comportamiento para lograr dicha propiedad. Así se facilita el diseño de materiales con propiedades a medida y se multiplican las posibles aplicaciones, ya sea en electrónica o en biomedicina.

El acta del jurado señala que la microscopía electrónica de transmisión con corrección de aberración -el nombre de la técnica de Haider, Rose y Urban- "es hoy clave en muchas áreas de la ciencia aplicada y fundamental". Con ella es posible "estudiar las consecuencias de los sutiles cambios atómicos de las propiedades de los materiales y la dinámica de las interacciones en posiciones atómicas específicas".

Entre otros campos, se está utilizando para la investigación de materiales como el grafeno, en nuevas técnicas para la miniaturización de chips y en biología molecular. Una muestra de la importancia de este desarrollo es la rapidez con que ha sido acogido por la comunidad científica. Haider, Rose y Urban obtuvieron financiación para su trabajo en 1991 y terminaron su prototipo en 1997. En 1998 publicaron las primeras imágenes en la revista Nature y en 2001 lo presentaron públicamente durante un encuentro científico en San Francisco. En 2003 ya estaban en los laboratorios los primeros microscopios comerciales. Hoy ya existen varios cientos en todo el mundo -dos de ellos en España-, a pesar de que su precio puede alcanzar los cuatro millones de dólares.

"Me siento muy feliz. Realmente no pensaba que nos lo fueran a dar", dijo Haider, destacando la importancia de conocer la estructura atómica de los materiales para poder mejorarlos y crear, por ejemplo, "chips de memoria para los teléfonos móviles".

Según Haider las ventajas de la técnica desarrollada por estos tres investigadores frente a la microscopía de efecto túnel -que, aunque con menor resolución, también llega a escala atómica- es que mientras "la microscopía de efecto túnel permite ver los átomos, sólo lo consigue en la superficie de las muestras, nosotros vemos a través del material. Podemos ver las posiciones de los átomos, podemos medirlas con una precisión de unos 50 picómetros. Eso te permite ver cómo los materiales interaccionan entre sí a escala atómica, y deducir las propiedades macroscópicas del material a partir de sus características microscópicas".

Los nuevos microscopios electrónicos también son útiles en biología -muestran, por ejemplo, virus-. Frente a los microscopios electrónicos convencionales, tienen la ventaja de que son menos agresivos con las muestras biológicas.

Sobre por qué decidieron enfrentarse a un reto al que muchos de sus colegas habían renunciado, tanto Haider como Urban dicen haber estado convencidos, en su día, de que el problema tenía solución. Los tres investigadores, de diferentes instituciones y con líneas de investigación distintas dentro de la ciencia de materiales, coincidieron en una conferencia en la que Rose había expuesto su trabajo teórico en 1989. "Tuve la idea para resolver la cuestión en cinco minutos, pero me costó veinte años llegar a esos cinco minutos", recuerda Rose.

"Y era una idea muy buena", cuenta Urban, que en la época tenía ya una reputación muy sólida. Los tres decidieron colaborar y pedir fondos públicos, sin saber que ya entonces Estados Unidos había renunciado a tratar de aumentar la resolución de la microscopía electrónica. Pero Rose, que se confiesa testarudo, estaba convencido de lograrlo porque "no había ninguna ley física que lo impidiera". Contrariados por el rechazo de sus propuestas, Haider, Rose y Urban acudieron a la Fundación Volkswagen, que -explica Urban- financia investigación "no necesariamente tan próxima a los desarrollos prácticos".