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La última edición del Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en la categoría de Ciencias Básicas ha recaído en los físicos alemanes Maximilian Haider, Harald Rose y Knut Urban por sus aportaciones ópticas al microscopio electrónico. Este sistema abre nuevas vías de desarrollo de las nanociencias, ya que permite observar el comportamiento de los átomos y relacionarlo con propiedades de la materia.
Los físicos alemanes Maximilian Haider, Harald Rose y Knut Urban han ganado la sexta edición del Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en la categoría de Ciencias Básicas por “aumentar de forma exponencial el poder de resolución del microscopio electrónico al desarrollar una óptica electrónica que ha supuesto un avance que ofrece precisión subatómica”.
Los tres investigadores se enfrentaron a un problema que obstaculizaba el desarrollo de la nanotecnología y que era considerado en gran medida irresoluble: 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.
Haider, Rose y Urban obtuvieron financiación para su trabajo en 1991 y terminaron su prototipo en 1997. En 2003 ya estaban en los laboratorios los primeros microscopios comerciales. Hoy hay ya varios cientos en todo el mundo –dos de ellos en España–, a pesar de que su precio puede alcanzar entre tres y cuatro millones de dólares.
“La microscopía electrónica con corrección de aberración –el nombre de la técnica de Haider, Rose y Urban– ha supuesto un paso fundamental en el estudio de materiales porque permite trabajar con una resolución que a principios del siglo XXI era imposible”, señala José María González Calbet, director del Centro Nacional de Microscopía Electrónica de la Universidad Complutense, uno de los centros españoles que tienen este tipo 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.
En las instalaciones que dirige González están ya en proceso de incorporar otro de estos aparatos con una resolución de 0,5 amstrongs “de la que solo disponen otros tres centros en el mundo; en el Max Planck (Alemania), en California y en Tokio”.
“Esto equivale a que si antes podíamos ver una pelota de ping-pong en la superficie de la luna, ahora podemos ver un garbanzo”, explica González.
Ver átomos para predecir propiedades
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 enormemente el diseño de materiales con propiedades a medida y se multiplican las posibles aplicaciones, ya sea en electrónica o en biomedicina.
Entre otros campos, esta técnica se está utilizando para la investigación de materiales como el grafeno, de nuevas técnicas para la miniaturización de chips y en biología molecular.
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 –continúa el alemán–. 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.
Rose es autor del trabajo teórico que solucionaba el problema de base, relacionado con la distorsión de la imagen que provoca la propia lente –un fenómeno llamado aberración esférica–; Haider construyó un prototipo de microscopio electrónico de transmisión con aberración corregida; y Urban lo convirtió en una plataforma de trabajo útil en ciencia de materiales.
Maximilian Halder nació en 1950 en Freistadt (Austria) y se formó primero en Óptica y más tarde en Física, disciplina en la que se doctoró en la Universidad de Darmstadt (Alemania) en 1987. Entre 1989 y 1996 fue director del Grupo de Microscopía Electrónica del Laboratorio Europeo de Biología Molecular, en Heidelberg, y al año siguiente fundó CEOS, una de las compañías especializadas en la fabricación de microscopios electrónicos con corrección de aberraciones. Entre 2007 y 2010 formó parte del proyecto TEAM, iniciativa del Departamento de Energía de Estados Unidos que ha aportado investigación adicional sobre la corrección esférica y cromática de las aberraciones ópticas. Desde 2008 es catedrático del Instituto Tecnológico de Karlsruhe.
Harald Rose nació en Bremen (Alemania) en 1935 y se doctoró en Física en la Universidad Tecnológica de Darmstadt, en la que ha ejercido como catedrático en dos periodos: entre 1971 y 1975 y entre 1980 y 2000. Especializado en física teórica, ha llevado a cabo parte de su actividad investigadora y docente en Estados Unidos, en particular en el Instituto de Física Aplicada de la Universidad de Cornell y los laboratorios nacionales de Oak Ridge (Tennessee), Argonne (Illinois) y Lawrence Berkeley (California).
Knut Urban nació en Stuttgart (Alemania) en 1941, en cuya universidad se licenció y doctoró en Física. Durante 14 años (1972-1986) dirigió el Grupo de Microscopía Electrónica de Alto Voltaje del Instituto Max Planck de Investigación en Metales. Hoy es catedrático de Física Experimental en la Universidad Tecnológica de Aquisgrán e investigador JARA, iniciativa conjunta de esta universidad y el Centro de Investigación Jülich. En el Jülich -uno de los mayores centros de investigación interdisciplinar de Europa- ha sido, asimismo, director del Instituto de Investigación en Estado Sólido y fundador del Centro Ernst Ruska de Microscopía y Espectroscopía con Electrones.
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