Knut Urban en su laboratorio de la Universidad de Aquisgrán

El microscopio de precisión subatómica tiene tres padres: Maximilian Haider, Harald Rose y Knut Urban. Gracias a sus trabajos, se han ensanchado campos como la nanoelectrónica o la biología molecular. La Fundación BBVA ha reconocido esta aportación científica con el Premio Fronteras del Conocimiento en el apartado de Ciencias Básicas. Hablamos con el físico Knut Urban de las características del ingenio y de las numerosas dificultades que encontraron para mostrar el mundo su hallazgo.

El viejo sueño de la ciencia de poder determinar las propiedades de la materia y predecir su comportamiento es una realidad gracias, entre otros, al trabajo de Knut Urban (Stuttgart, 1941) y de sus colegas Maximilian Haider y Harald Rose, reconocidos recientemente por la Fundación BBVA. 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.

La microscopía electrónica de transmisión con corrección de aberración -nombre con el que se conoce la técnica de Urban, Haider y Rose- es hoy clave en muchas áreas de la ciencia aplicada y fundamental. Con ella se puede estudiar las consecuencias de los sutiles cambios atómicos de las propiedades de los materiales. Se utiliza para la investigación del grafeno, para nuevas técnicas de miniaturización de chips o en el ámbito de la biología molecular.

El desarrollo de su prototipo tuvo varias etapas y no siempre fue un camino fácil: en 1991 obtuvieron financiación y lo terminaron en 1997. Un año después publicaron las primeras imágenes en Nature y en 2001 lo presentaron públicamente en San Francisco. Dos años después ya estaban en los laboratorios los primeros microscopios comerciales. Para Urban, ex director del Grupo de Microscopía Electrónica del Instituto Max Planck y en la actualidad investigador y colaborador de la Universidad Tecnológica de Aquisgrán y del Centro de Investigación Jülich (Alemania), la ciencia de materiales se desarrolla estudiando la mejora de materiales clásicos y la búsqueda de otros nuevos. "Para sintetizar a escala nano se necesita una herramienta con un grado de aumento lo suficientemente grande como para poder ver los átomos, lo que sólo es posible si se cuenta con ópticas y microscopios electrónicos con aberración corregida como el que desarrollamos a finales de los noventa".

-¿Considera una revolución el hecho de poder trabajar a escala atómica?
-En la ciencia de materiales moderna los átomos ya no son un campo ‘exótico' o puramente ‘académico'. Ahora que podemos acceder a esta escala, la gente piensa cada vez más ‘a nivel atómico'.

-¿Cuáles han sido las claves del éxito de su trabajo?
-Nuestro éxito es el resultado de un trabajo en equipo. En mi caso había hecho parte de mi tesis doctoral con Ernst Ruska, que recibió el Premio Nobel de Física por inventar el microscopio electrónico. Tenía mucha práctica diseñando y construyendo componentes para este tipo de microscopios. Durante el posdoctorado fui el científico que se encargó de las operaciones de un centro cuya actividad se desarrollaba en torno a un microscopio electrónico de alto voltaje, los "dinosaurios" de los setenta, enormes, y con voltajes de aceleración que solían superar el millón de voltios. Todos los expertos colaboramos y nos involucramos en cada fase del trabajo, desde la teoría a la aplicación de la nueva óptica, pasando por el desarrollo tecnológico de las lentes. El equipo trabajó conjuntamente en la formulación del proyecto de investigación, la presentación de la propuesta a la agencia financiadora -la Fundación Volkswagen- y en los ensayos con el prototipo del aparato con el fin de mejorarlo. En un primer momento mi papel se centró de lleno en las relaciones públicas. Organicé simposios especiales en congresos para demostrar que había que alcanzar el nivel atómico y que merecía la pena invertir dinero en conseguir lo que tantos habían intentado sin éxito en los últimos cincuenta años.

Desarrollo lento y doloroso

En su laboratorio de Jülich, el equipo de Urban trabajaba con dos microscopios electrónicos de última generación. Aunque realmente no lo hacían a escala atómica, su uso les permitía practicar, aprender y descubrir las limitaciones de los instrumentos tradicionales y qué aspectos podían mejorarse. Estos instrumentos punteros no funcionan con apretar un botón. Su desarrollo es lento, un proceso que exige combinar mejoras tecnológicas y avances en óptica con su aplicación en la práctica científica. "Desde el principio consideramos que las nuevas ópticas no tenía que ir detrás de la ciencia, sino anticiparse a ella". Además, explica el físico, ver y medir átomos no es sencillo. "Los átomos siguen las leyes de la física cuántica. Este mundo está muy alejado de la intuición humana y la microscopía de este nivel también. Las imágenes que obtenemos no nos muestran el mundo atómico directamente. Además, entender estas imágenes requiere cuantificar datos con un enfoque teórico físico-cuántico que hay que adaptar a los instrumentos".

-¿Cuáles han sido las aplicaciones más importantes de la microscopía electrónica?
-Actualmente el número de campos en los que se aplica crece a gran velocidad, lo que supone un salto cuántico en la óptica más que una simple mejora de una tecnología al uso. Se entenderá mejor si se tiene en cuenta que durante más de cincuenta años nadie en el mundo de la ciencia o de la industria había conseguido resolver los problemas que obstaculizaban la resolución atómica.

-¿Cómo solucionaron estos problemas?
-Bueno, hubo que superar uno originado por un principio físico. Lo que teníamos que hacer era sortearlo, darle un rodeo. Ahora que hemos descubierto cómo construir y fabricar ópticas electrónicas para corregir la aberración tenemos el camino abierto para progresar. Un campo emergente de gran importancia es el que se dedica a la colocación de cámaras de laboratorio en miniatura dentro del objetivo electrónico. Otros campos son los semiconductores para electrónica, el almacenamiento de datos, el fotovoltaico, la investigación de células solares, la industria del coche electrónico, la aeronáutica...

Heidelberg como centro

-¿Cómo coordinó su trabajo de investigación con Maximilian Haider y Harald Rose?
-El centro de nuestra actividad se concentraba en el laboratorio de Haider, en Heidelberg. Sin su extraordinaria experiencia en desarrollar tecnología punta el proyecto no podría haber llegado a buen puerto, lo que incluye a la electrónica como algo indispensable. Todo nuestro trabajo habría sido en vano sin las corrientes superestabilizadas de las lentes. Y no podemos olvidar los procesos diagnósticos computerizados. Para compensar las aberraciones primero hay que conocer el estado del instrumento. A lo largo de esos años nos reunimos a menudo para hablar de nuestros progresos y de los problemas que iban surgiendo. A veces los tres grupos tenían que ponerse de acuerdo y hacer intercambios. En las últimas etapas uno de mis compañeros estuvo trabajando de manera permanente en el grupo de Haider. Tuvimos que llevarnos el microscopio a Jülich porque el director de su laboratorio no estaba interesado en la microscopía electrónica y nos expulsó. Al fin, logramos terminar el microscopio en un proceso tedioso dedicados a detectar y solucionar problemas y a hacer mejoras. Cuando estábamos a punto de tirar la toalla, el microscopio empezó a funcionar, y lo estuvimos usando con resolución atómica hasta 2011. Ahora lo tenemos de recuerdo.

-¿Qué aportó cada grupo al éxito del proyecto?
-El concepto teórico de Rose fue el punto de partida indispensable. Como le decía, sin la gran experiencia del grupo de Haider en hacer tecnología punta el proyecto tampoco se habría llevado a cabo. Mi grupo y yo éramos responsables de hacer que el microscopio electrónico fuera una plataforma de trabajo aplicable a la ciencia de los materiales y de solucionar los problemas físico-cuánticos que fueran surgiendo. Estos aspectos son los que condujeron al hallazgo, tan celebrado hoy por la comunidad científica.

-¿Cómo recibieron sus colegas el microscopio tras su presentación en 2001?
-En el congreso de primavera de la US Materials Research Society (Sociedad Estadounidense de Investigación de Materiales) celebrado en San Francisco informamos por primera vez de nuestro instrumento y de cómo se podía aplicar a la ciencia. En ese momento, la gente estaba interesada en los resultados de investigación de materiales, y no sólo en la óptica. Aún recuerdo cómo me escuchaban los asistentes a mi charla, que desbordaron el aforo de la sala. Los organizadores de la conferencia habían subestimado el impacto de nuestra innovación asignándonos una sala demasiado pequeña. Así que el público tuvo que situarse de pie en los pasillos. Las imágenes de la presentación causaron tal impresión que la charla se convirtió en un momento decisivo. Podría decirse que fue el comienzo de una nueva era en la óptica electrónica. Lo sucedido sentó las bases para el enorme éxito de la óptica electrónica tanto en la industria como en la ciencia. También demostró que el equipo que nació en 1990 era el correcto.

Uno de los escollos de Urban y su equipo fue la comercialización. En 1997 tuvo que hacer un esfuerzo por convencer a Philips, en Eindhoven, de que fabricaran estos instrumentos. Tenían dudas sobre la existencia de un mercado para estos aparatos. Durante mucho tiempo desoyeron sus argumentos, aduciendo que no debía confundir sus intereses como investigador con los de los posibles clientes, y que Philips no iba a invertir dinero en algo cuyo alcance era puramente académico. Además, le llegaron cartas de colegas de renombre echándole en cara que iba a llevar a los microscopistas electrónicos de todo el mundo por mal camino. "Philips cambió de opinión de golpe cuando el 25 de junio de 1997 uno de mis compañeros, que trabajaba de manera permanente en Heidelberg con el grupo de Haider, trajo unas fotos sensacionales". El enorme éxito de la corrección de aberración convenció también a los escépticos, incluida la revista Nature, que en 1998 les publicaría un artículo en el que se demostraba que se podía utilizar esta tecnología en el microscopio comercial de Philips. "El artículo era una versión resumida de un artículo anterior que rechazaron por considerar que la comunidad científica no estaría suficientemente interesada". Finalmente, la marca desarrollaría los nuevos instrumentos con una de sus divisiones, FEI. "Han ganado mucho dinero con estos instrumentos. Todavía hoy siguen siendo líderes del mercado. Se han vendido entre 400 y 500 instrumentos de esta nueva generación (con precios que van de los tres a los ocho millones de euros). ¡Es un éxito comercial!", pregona orgulloso Urban. Un éxito todavía mayor si consideramos que antes de su innovación el mercado de la óptica electrónica estaba estancado. "No hay atajos para llegar a un producto industrial", concluye.