Miraba o invisible
Ver: interpretar a nosa contorna a través dos raios de luz que chegan aos ollos. Pero, que ocorre si o que queremos ver é 500 ou 100 veces máis pequeno que un fotón, unha partícula de luz? Para ver átomos e moléculas, a luz non serve. Andamos a cegas.
a principios dos anos 80, dous físicos alemáns que traballaban en IBM revolucionaron o mundo da ciencia cun invento que lles serviría para gañar o Nobel en 1986: o microscopio de efecto túnel. O invento consiste en achegar a unha superficie unha punta delgada que acaba nun só átomo, a unha distancia duns poucos angstroms. Antes de tocar a punta e a superficie, entre ambos discorre unha corrente eléctrica. A medida desta corrente permite debuxar un mapa topográfico da superficie.
No soto de CICnanoGUNE, en Donostia-San Sebastián, existe un microscopio deste tipo. Non ve, sente, como un cego que le en braille. Nacho Pascual, director do equipo de investigación Nanoimaging, tróuxoo de Berlín. Deseñou e construíu xunto co seu equipo.
NACHO PASCUAL. CICnanoGUNE: Cando decidimos traballar nas condicións deste sistema, non había máquinas deste tipo, e tivemos que desenvolvelas nós mesmos. Foi un gran reto. Aínda que a tecnoloxía era coñecida, queriamos traballar con temperaturas criogénicas: 4º K, é dicir, -269º C. Isto era imprescindible para que os átomos permanecesen inmóbiles.
A temperatura ambiente, os átomos móvense continuamente. Sería imposible analizalos e manipulalos un a un. Así, o microscopio foi axustado a un criostato de helio que foi introducido nun depósito cheo de nitróxeno líquido. Así conseguiron traballar a 270 graos baixo cero.
Si o frío é importante para que os átomos permanezan inmóbiles, o baleiro é imprescindible para que estes mantéñanse limpos. Esta instalación funciona a unha presión de 10-13 co mesmo baleiro que no espazo intergaláctico.
Ter unha superficie composta por átomos estables é moi importante non só para analizar átomos e moléculas, senón tamén para manipulalos. Si a punta do microscopio aproxímase un pouco máis, os átomos poden trasladarse a outro punto da superficie. Así, movendo os átomos dun nun, creáronse as imaxes que conforman esta película que realizou IBM. Pero o obxectivo de manipular os átomos non é facer debuxos, por suposto, senón analizar as súas propiedades.
NACHO PASCUAL. CICnanoGUNE: Os átomos son os ladrillos de materiais. Medicamentos, combustibles, discos duros que conteñen información magnética… as propiedades de todos os materiais dependen da súa composición atómica. É dicir, da maneira en que os átomos se unen entre si para formar estruturas máis grandes. Na escala duns poucos átomos, o noso obxectivo é construír novos materiais e optimizar o seu funcionamento.
A outra imaxe foi creada por Jingcheng Li, do grupo Nanoimaging, no propio nanoGUNE. Dunha superficie de prata extraeu os átomos dun nun, coma se extraeuse o mineral da canteira. Cada átomo mide menos de dous angstroms e empúxaos coa punta do microscopio até formar unha circunferencia.
JINGCHENG LI. CICnanoGUNE: Esta é unha cadea de moléculas. Situamos as moléculas sobre unha superficie para analizar as reaccións químicas entre elas. Así, estudamos a súa luz, a súa forza e propiedades similares.
Pero isto non é un microscopio convencional de efecto túnel. O grupo de Nacho Pascual inseriu na punta un pequeno diapasón de cuarzo para analizar tamén materiais que non son condutores de electricidade.
NACHO PASCUAL. CICnanoGUNE: Iso é unha moda. Os científicos tamén funcionamos segundo modas! Un dos problemas deste microscopio é que utilizamos electricidade para medir a distancia entre a punta e a superficie, polo que só funciona con materiais condutores. Nós inserimos un diapasón de cuarzo, como o dos reloxos, en cuxo bordo pegamos a punta do microscopio. O diapasón sempre está a oscilar e medindo os cambios desta frecuencia de oscilación, podemos detectar interaccións mecánicas entre a punta e a mostra. Isto é moi útil, xa que podemos saber que a punta se está achegando sen pasar a corrente.
Grazas ao diapasón de cuarzo, o microscopio de efecto túnel funciona tamén como microscopio de forza atómica. Dous dispositivos nun. Pero, unha vez comezada a construción da propia máquina, engadíuselle unha terceira función: a espectroscopia óptica.
NACHO PASCUAL. CICnanoGUNE: É unha das vantaxes de deseñar e construír a túa propia máquina! Creo que é a única máquina do mundo que cumpre o tres funciones. Mediante un espectrómetro medimos o efecto fotovoltaico. Nos paneis solares, por exemplo, cando chega un fotón emítese un electrón. E, á inversa, un electrón pode emitir un fotón. Nós facémolo así, enviamos electróns entre a punta e a mostra e detectamos os electróns que se emiten.
O microscopio, que chegou en outubro desde Berlín, púxose en marcha no mes de xaneiro. Para poder instalarse neste laboratorio, tiveron que realizar obras de acondicionamento que asegurasen un illamento óptico.
NACHO PASCUAL. CICnanoGUNE: A punta do microscopio debe aproximarse a unha distancia aproximada dun nanómetro. Si foses capaz de ver como se moven as paredes deste edificio, verías as oscilacións de varias micras. É dicir, 1000 ou 10.000 veces esa distancia. Si deixamos o microscopio aquí, moveríase así e non sería estable. Por iso é tan importante protexerse das vibracións.
O propio microscopio cólgase duns peiraos dentro do criostato. Toda a máquina está sobre catro patas neumáticas, é dicir, sobre aire. E o solo da habitación tamén está illado do edificio.
NACHO PASCUAL. CICnanoGUNE: Para que funcione ben no microscopio debe estar illado das vibracións da contorna. Aínda que non o vexamos, cando pasan os coches ou o tren, a terra estremécese. Por iso, construímos sobre este bloque. trátase dun bloque de cemento de 30 toneladas, con catro patas sobre pneumáticos. Este é un pneumático de roda de tren. metémoslle unha presión de 7 bares e levantamos todo o bloque.
Ademais, as paredes de laboratorio están insonorizadas e illadas das ondas electromagnéticas. Todo para que nada dane as medicións. De feito, si dicimos que o traballo dun relojero ou cirurxián é de gran precisión, si falamos de traballar a escala nanométrica, a palabra precisión queda curta.
Buletina
Bidali zure helbide elektronikoa eta jaso asteroko buletina zure sarrera-ontzian