6 de Julio de 2021
Microscopía

Observan átomos con una resolución récord

Los científicos consiguen un detalle sin precedentes gracias a la pticografía electrónica, una técnica de imagen que podría ayudar a desarrollar mejores componentes electrónicos y baterías.

Reconstrucción por pticografía electrónica de un cristal de ortoscandio de praseodimio (PrScO3). La imagen está ampliada 100 millones de veces y la resolución es tal (de unas 15 billonésimas de metro) que el principal factor limitante son las fluctuaciones térmicas de los átomos. [Universidad Cornell]

La imagen microscópica que encabeza este artículo es la más detallada que se haya obtenido nunca. Un grupo de investigadores de la Universidad Cornell tomó una instantánea de un cristal tridimensional y la amplió 100 millones de veces, alcanzando una resolución dos veces mejor (de unas 15 billonésimas de metro) que la que les valió a los mismos científicos un récord Guinness en 2018. Su trabajo podría ayudar a desarrollar materiales para diseñar teléfonos, ordenadores y otros aparatos electrónicos más potentes y eficientes, así como baterías más duraderas.

Los investigadores obtuvieron la imagen mediante una técnica denominada pticografía electrónica, que consiste en lanzar un haz de electrones (unos mil millones de ellos por segundo) contra un material. El haz se mueve infinitesimalmente a medida que se emiten los electrones, por lo que el ángulo con el que estos inciden en la muestra va variando: a veces la atraviesan limpiamente, y otras chocan con los átomos y rebotan en el interior de la muestra antes de abandonarla.

El físico de Cornell David Muller, cuyo equipo ha llevado a cabo el estudio, compara la técnica con jugar a balón prisionero contra unos oponentes que están a oscuras. Los balones son los electrones, y los blancos, los átomos individuales. Aunque Muller no puede verlos, sí puede registrar dónde acaban los «balones», gracias a detectores avanzados. A partir del patrón de manchas que generan miles de millones de electrones, los algoritmos de aprendizaje automático pueden calcular dónde se encuentran los átomos de la muestra y qué forma podrían tener.

Hasta ahora, la pticografía electrónica solo se había usado para obtener imágenes de muestras muy planas, con uno o unos pocos átomos de espesor. Pero el nuevo estudio, publicado en Science, ha logrado captar múltiples capas, con espesores de entre decenas y cientos de átomos. Eso hace que la técnica resulte mucho más relevante para los científicos de materiales, que suelen estudiar las propiedades de muestras con grosores de entre 30 y 50 nanómetros (menos de lo que crecen nuestras uñas en un minuto, pero mucho más de lo que podía alcanzar la pticografía electrónica hasta el momento). «Ahora pueden observar pilas de átomos, es increíble», valora Andrew Maiden, ingeniero de la Universidad de Sheffield que ayudó a desarrollar la pticografía pero no participó en el nuevo estudio. «La resolución es sencillamente asombrosa.»

El resultado supone un gran avance en el mundo de la microscopía electrónica. Inventados a principios de la década de 1930, los microscopios electrónicos estándar permitieron ver objetos más pequeños que las longitudes de onda de la luz visible, como los poliovirus. Pero poseían una limitación: para aumentar su resolución había que incrementar la energía del haz de electrones, y a partir de un cierto punto la energía necesaria sería tan grande que dañaría la muestra.

En los años 60, los investigadores teóricos idearon una manera de evitar ese problema: la pticografía. Pero, debido a las limitaciones de los detectores y de potencia computacional, así como a la complejidad de las matemáticas implicadas, pasaron décadas antes de que la técnica se pusiera en práctica. Y las primeras versiones empleaban luz visible y rayos X, en vez de los haces de electrones que hacían falta para obtener imágenes de objetos de tamaño atómico. Entretanto, los científicos seguían hallando modos de mejorar los microscopios electrónicos, los cuales funcionaban tan bien que la pticografía electrónica no podía seguir el ritmo. «Había que ser un verdadero creyente en la pticografía para prestarle atención», asevera Muller.

Hasta hace unos pocos años, Muller y su equipo no lograron desarrollar un detector lo bastante bueno como para que la pticografía electrónica funcionara experimentalmente. En 2018 ya habían descubierto cómo usar la técnica para reconstruir muestras bidimensionales, y produjeron «la imagen con mayor resolución del mundo, sin importar el método usado para generarla», afirma Muller, que obtuvo así un récord Guinness. Y los investigadores lo lograron con energías menores que las usadas en otras técnicas, lo que les permitía preservar mejor sus muestras.

No obstante, las muestras más gruesas presentan varios retos. En vez de rebotar una sola vez antes de la detección, los electrones van chocando con los átomos de una muestra tridimensional como en un pinball. «Se sabe dónde acaban, pero no el camino que han seguido en el material», subraya Muller. Este problema se conoce como dispersión múltiple, y él y su equipo se han pasado los últimos años tratando de resolverlo.

Con suficientes patrones de manchas superpuestas y potencia de cálculo, descubrieron que podían trabajar en sentido inverso para determinar qué disposición de los átomos producía un determinado patrón. Para ello, los investigadores ajustaban un modelo hasta que el patrón de manchas que generaba coincidía con el observado en los experimentos. Solucionar el problema de la dispersión múltiple constituye un gran paso, sostiene Muller. Con respecto a la resolución que la técnica de su equipo puede alcanzar en muestras de hasta 300 átomos de espesor, asegura que «podemos hacerlo mejor que nadie, y podemos hacerlo entre dos y cuatro veces mejor».

Estas técnicas de imagen de alta resolución son clave para desarrollar la próxima generación de dispositivos electrónicos. Por ejemplo, los investigadores quieren ir más allá de los chips basados en silicio y buscan semiconductores más eficientes. Para conseguirlo, los ingenieros necesitan saber con qué están trabajando a nivel atómico, lo que implica aprovechar técnicas como la pticografía electrónica.

«Tenemos esas herramientas a nuestra disposición, esperando para ayudarnos a optimizar la que será la próxima generación de dispositivos», comenta J. Murray Gibson, decano del Colegio de Ingeniería de las universidades Estatal y de Agricultura y Mecánica de Florida, que no tomó parte en el nuevo estudio. «Sin ellas, no podríamos lograrlo.»

Las baterías son un área especialmente prometedora para la aplicación de técnicas de imagen como la pticografía electrónica, señala Roger Falcone, físico de la Universidad de California en Berkeley que tampoco participó en la investigación. «¿Cómo fabricamos la estructura de las baterías», se pregunta, «de forma que puedan almacenar mucha energía pero sean seguras?». Esta es una pregunta crucial, sobre todo de cara a la transición desde los combustibles fósiles a las energías renovables, incluidas la eólica y la solar. «Las técnicas de imagen son muy importantes para mejorar las baterías porque nos permiten observar las reacciones químicas con detalle», apunta Falcone.

Pero aún queda mucho camino por recorrer. Para que la pticografía electrónica conduzca a nuevos avances en nuestros móviles o portátiles, debe hacer algo más que tomar una imagen: ha de ser capaz de localizar con precisión un átomo concreto de un material. Aunque los investigadores probaron con argumentos teóricos que la técnica puede lograrlo, aún no han hecho una demostración experimental. «Con cualquier nueva técnica, se precisa un poco de tiempo para que otros investigadores la prueben y confirmen si tiene usos reales y prácticos», señala Leslie Thompson, exdirectora de análisis y caracterización de materiales de IBM Research en Almaden, ajena al estudio.

«Cuando uno inventa una nueva herramienta como un microscopio de alta resolución, mi sensación es que tienden a sorprenderle los problemas a los que se aplica», concluye Falcone. «La gente examinará cosas que hoy no podemos ni imaginar y resolverá problemas que aún no estamos ni siquiera seguros de tener.»

Anna Blaustein

Referencia: «Electron ptychography achieves atomic-resolution limits set by lattice vibrations», Zhen Chen et al. en Science, vol. 372, págs. 826-831, 21 de mayo de 2021.

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