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El nanomundo en un vistazo

09/07/2019
Segundo STM del mundo ubicado en el laboratorio de Nuevas Microscopías de la UAM.  | UAM Segundo STM del mundo ubicado en el laboratorio de Nuevas Microscopías de la UAM. | UAM

“En el departamento de Física de la Materia Condensada de la Facultad de Ciencias de la UAM existe un laboratorio revolucionario llamado “Nuevas Microscopías”, y es justo aquí donde surge toda la magia. Mi cometido es estudiar virus usando microscopía de barrido, más específicamente microscopía de fuerzas atómicas”.  

Por Natalia Martín

Lunes, 8:00 de la mañana, suena el despertador. Vuelta a la rutina. Como cada mañana, me digo: ¡Venga Natalia, hoy es tu día, hoy sacas las imágenes de tu vida! Y es que cualquier estudiante de doctorado que se precie sabe que todos los días son diferentes.

Estudié Grado en Física. Todavía recuerdo en el colegio a Serbio, mi profesor de Ciencias Naturales, que nos enseñaba la magia de los materiales. Ese hombre sin duda despertó mi curiosidad científica y, bueno, supongo que desde entonces hasta ahora todavía no he saciado esa curiosidad pues aquí sigo, un día más tomando el tren. Destino: Universidad Autónoma de Madrid.

A pesar de ser un lunes frio y gris, llego al laboratorio cargada de energía y me pongo a encender todos los aparatos de medida.

No. No soy física teórica. Siempre me ha encantado cacharrear con todo, por lo que, si mi trabajo es tomar imágenes y soy física experimental, es muy probable que use un microscopio.

Ahora es cuando la mayoría de la gente se imagina a una persona mirando por un ocular en un microscopio óptico convencional. ¡No! En el departamento de Física de la Materia Condensada de la Facultad de Ciencias de la UAM existe un laboratorio que fue revolucionario llamado “Nuevas Microscopías”, y es justo aquí donde surge toda la magia. Mi cometido es estudiar virus usando microscopía de barrido, más específicamente microscopía de fuerzas atómicas.


Efecto túnel

La microscopia de sonda cercana (SPM) es obra de los científicos Heinrich Rohrer y Ger Binnig. Ellos buscaban entender las propiedades superconductoras de ciertos tipos de óxidos metálicos. Para ello, necesitaban conocer su estructura superficial. Sin embargo, carecían de una herramienta adecuada para obtener información espectroscópica acerca de estos fenómenos. Como ocurre muchas veces en la vida y en ciencia, uno piensa hacer una cosa y luego sale otra, y lo que comenzó siendo un espectroscopio acabo siendo un microscopio. Así que de esta manera desarrollaron el microscopio de efecto túnel (STM), por el que merecieron el Premio Nobel de Física en 1986. El funcionamiento del STM debe su nombre a un fenómeno cuántico llamado efecto túnel.

¿Qué es el efecto túnel? Cuando se aplica un voltaje a un conductor metálico se establece una corriente eléctrica, que tiene su origen en el flujo de electrones por el interior del metal. Esto lo establece la ley de Ohm. Pero si rompemos el conductor, ¿puede continuar habiendo una corriente eléctrica? La respuesta es sí.

Veámoslo del siguiente modo. Supongamos que dejas caer una pelota por un valle. La mecánica clásica nos dice que la pelota no podrá llegar a una altura mayor a la cual la dejamos caer. Solo podrá hacerlo cuando le dotemos de una energía brutal para que logre traspasar la barrera. Pero en la mecánica cuántica las cosas funcionan distinto. Es un mundo probabilístico. Así que, si liberas una partícula en un valle, lo más probable es que la próxima vez que la veas aún esté en algún lugar del valle. Pero también existe la probabilidad de que la encuentres al otro lado del valle. En la vida real, esto significa que un electrón algunas veces salta a través del espacio vacío entre dos conductores, y es así como funciona el microscopio de efecto túnel.

El microscopio consta de una punta muy afilada y conductora que se posiciona a una distancia muy pequeña de una muestra también conductora, y se aplica un voltaje entre la punta y la muestra. Los electrones fluyen de la muestra a la punta o viceversa y se recoge una imagen de densidad electrónica de la superficie. La corriente disminuye exponencialmente con la distancia entre la punta y la muestra, lo cual da una gran sensibilidad a este tipo de microscopios.

Esta técnica permite no sólo visualizar átomos, sino también poder disponer de ellos individualmente y crear estructuras. Es por esto que a Rohrer y a Binnig se les consideran los padres de la nanotecnología, ciencia que enmarca campos como la nanoelectrónica, la ingeniería biomolecular o los biomateriales.


Microscopía de Fuerzas Atómicas (AFM)

La nanotecnología surge siempre a la escala del nanómetro, donde un nanómetro se obtiene al dividir un milímetro en un millón de partes. Este conocimiento fue una revolución durante la segunda mitad del siglo XX, pero entonces tenía el inconveniente de no poder trabajar con superficies aislantes (no conductoras de electrones).

Esto llevó a Binnig a desarrollar la microscopía de fuerzas atómicas (AFM), que emplea una punta muy afilada situada al final del brazo de una micropalanca de cientos de micras de largo.

La fuerza entre la punta y la superficie de la muestra hace que la micropalanca se flexione. Usando un detector que mida esa flexión, que ocurre conforme la punta barre la superficie, se obtiene un mapa topográfico.

A pesar de la fama de infalibilidad de la ciencia, al final es una actividad humana y como tal está muy influida por las relaciones interpersonales. Ocurrió que allá por 1983, cuando se estaba desarrollando el STM en el centro de investigación de IBM de Zúrich, un profesor de la UAM, Nicolás García, conoció a Henni Rohrer. Trabaron amistad y Nicolás convenció a Heinni para traer un microscopio a Madrid. Además, acordaron que otro profesor de la UAM, Arturo Baró, se trasladara a IBM, donde aprendería sobre la construcción y manejo del STM.

¿Sabéis dónde llegó finalmente el microscopio? ¡Justo en la planta de abajo de donde tengo yo mi microscopio! “Rohrer y Gerber, junto a Arturo Baró, metieron el STM en el maletero del coche y se lanzaron a la carretera”, recuerda Julio Gómez, catedrático de la UAM y actual subdirector del departamento de Física de la Materia Condensada.


Nanotec

Desde ese momento, el grupo de investigación de Arturo Baró en Madrid se dedicó a investigar en el desarrollo de la microscopia de efecto túnel (STM). Como consecuencia de la invención del microscopio de fuerzas atómicas (AFM), se creó una línea paralela de investigación, desarrollando software, electrónica y mecánica para ambos sistemas.

En 1998, los microscopios del grupo del profesor Baró eran muy avanzados, por lo que, junto con tres investigadores de la UAM, José María Gómez, Jaime Colchero y Julio Gómez, crearon una compañía –Nanotec Electrónica– que desarrollaba y comercializaba microscopios de barrido. Dada la alta calidad de la tecnología, la empresa logró desde su creación vender AFMs y electrónicas para controlar SPMs a investigadores de todo el mundo.

La compañía Nanotec Electrónica ha innovado desde entonces constantemente, dado su alto nivel en investigación y desarrollo de productos de alto valor añadido. En concreto, desarrolló un software llamado ‘WSxM’ de libre acceso, valido para el uso de cualquier sistema de SPM y para el tratamiento de datos. Asimismo, diseñó ‘Dulcinea’, una electrónica capaz de operar en cualquier sistema SPM. Dos obras maestras de la empresa.

El alma de Nanotec siempre residió en el departamento de Física de Materia Condensada de la UAM. Y aunque la capacidad de I+D de la microscopía se amplió fuertemente tras establecer la empresa, y siendo el mismo desarrollo técnico muy fuerte, el inicio de la crisis económica en España, los recortes en la investigación y la inexperiencia empresarial de los que, en su mayoría, conformaban Nanotec, obligaron muy a pesar de su éxito, a cerrar sus puertas a finales de 2014.

Pero no todo fue trágico, ya que desde la propia universidad se trató, en parte, de reabsorber el capital humano, esfuerzo que debe su mérito a Julio Gómez.


Nuevas líneas de investigación

El fuerte desarrollo de ambas tecnologías (microscopía de efecto túnel y microscopía de fuerzas atómicas), unido a la revolución en el descubrimiento de materiales bidimensionales y sus propiedades, hizo que el inicial grupo de investigación de Arturo Baró se convirtiera en un gigante, donde profesores como Julio Gómez, José María Gómez, Cristina Gómez, Iván Brihuega y Pedro J. de Pablo, han podido establecer nuevas líneas de investigación y desarrollo de SPM.

En concreto, dentro de la microscopia de efecto túnel, desarrollaron sistemas que permitían trabajar en ultra alto vacío, a presiones tan bajas que permitían el estudio de superficies con la menor contaminación ambiente posible. Este tipo de sistemas fueron pioneros en España. En ellos se pueden estudiar cosas tan apasionantes como la caracterización y modificación a nivel atómico de las propiedades electrónicas de nuevos materiales.

El continuo desarrollo de esta microscopía impulsó la creación del primer STM de baja temperatura de este país. Cuando hablamos de baja temperatura no nos referimos a los -40 °C de Noruega en invierno, sino a -269 °C, comúnmente conocidos como los sistemas a 4 Kelvin (0 Kelvin corresponde a -273°C). Esto fue posible gracias al desarrollo de técnicas que consiguieron obtener helio líquido. A estas temperaturas, surgen propiedades nuevas de los materiales que tienen su origen en la mecánica cuántica.

Paralelamente, dentro de la microscopia de fuerzas atómicas, se ha desarrollado instrumentación desde que se descubrió esta microscopia prácticamente, estableciendo nuevos modos de medida para la adquisición de datos y mejorando las capacidades del software continuamente.

Asimismo, se han establecido diversas líneas de investigación donde se explora el mundo nanométrico usando AFM como principal herramienta. La versatilidad del AFM permite el estudio de muestras no conductoras y conductoras en condiciones muy diferentes. Una de las líneas de investigación dentro de estos laboratorios es el estudio de muestras al aire, y el análisis de las propiedades mecánicas y eléctricas de materiales de baja dimensión, como nanotubos de carbono y grafeno, entre otros.

Por otro lado, el AFM permite también trabajar en medios líquidos, indispensable para el estudio de sistemas biológicos. Esto permitió establecer una línea de investigación dentro de la física virológica. ¡Y aquí es donde yo me enmarco! Utilizamos AFM en condiciones fisiológicas para el estudio de las propiedades estructurales y mecánicas de partículas virales. Gracias a este abordaje, no solo visualizamos y manipulamos virus individualmente, también estudiamos sus propiedades y su dinámica para poder entender así sus procesos biológicos.

Como veis, en este sitio se hace mucha ciencia; ciencia diversa, fundamental y aplicada que, con sus quehaceres, día a día, entreteje una historia apasionante de exploración y conocimiento.

 

 

Natalia Martín fue alumna del postgrado de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) en el Título de Experto de Comunicación Pública y Divulgación de la Ciencia. Asimismo, realizó su Grado en Físicas también en la UAM y es doctoranda en el Departamento de Física de la Materia Condensada de la Facultad de Ciencias. Todo esto le ha permitido conocer la labor que se realiza en este departamento, así como su historia desde diversos puntos de vista, desde alumna hasta trabajadora. 

 

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