España ‘estrenó’ en junio uno de los microscopios más potente del mundo
José A. Calvet en el microscopio electrónico JEOL JEM GRAND ARM 300 cF. @Rosa Tristán
ROSA M. TRISTÁN
Ver un garbanzo en la Luna y, además, determinar de qué está compuesto. Esta es la resolución que puede llegar a alcanzar el microscopio electrónico JEOL JEM GRAND ARM 300 cF, el gigante que desde junio pasado está en acción en Madrid y que es uno de los tres que existen en el mundo. Su puesta en marcha ha abierto a los investigadores un sinfín de posibilidades para los estudios de materiales. Es capaz de “ver”, con una resolución de 0,5 Angström (A) -la diez mil millonésima parte de un metro-, lo que ocultan sus átomos.
Con esa facultad de hacer visible lo que no lo era hasta hace poco, no sólo es posible mejorar cualquiera de los materiales sólidos existentes, sino también crear otros que incluso permitan levitar a objetos tan grandes como un tren, mejorar las baterías de los móviles que llevamos en el bolsillo o descubrir con qué arcilla exactamente pintó Diego de Velázquez sus cuadros, de forma que puedan restaurarse con el mismo tinte que utilizó su autor hace más de cuatro siglos.
El JEOL JEM GRAND ARM 300 cF es de tecnología japonesa, pero con una configuración diseñada en España. Todavía hoy los técnicos del país nipón visitan este país de vez en cuando para realizar unos últimos ajustes que mejoren sus capacidades, si bien lleva ya unos meses disponible para su uso científico. Sólo tres personas en su sede, el Centro Nacional de Microscopía Electromagnética (CNME), en el campus de la Universidad Complutense de Madrid, conocen perfectamente su complejo funcionamiento y aunque la demanda de su servicio va aumentando lentamente, aún es un gran desconocido para muchos de sus potenciales clientes, públicos y privados.
Este instrumento, que mide las distancias entre los átomos, es tan sensible a cualquier mínimo cambio ambiental que se encuentra dentro de una especie de ‘jaula’ para impedir que le afecten las inapreciables vibraciones del Metro, una de cuyas líneas pasa justamente por debajo del centro; también se mantiene su temperatura estable gracias a unos equipos acondicionadores especiales en sus paredes y en la puerta, justo antes de entrar en la sala, hay que pasar por unas alfombrillas atrapan las motas de polvo de las suelas de los zapatos. Nada puede interferir en la tarea de una herramienta que costó, en total, nueve millones de euros y que se encuentra en el exclusivo grupo de las 29 Instalaciones Científico-Tecnológicas Singulares (ICTS) de España.
El desarrollo de la tecnología del JEOL JEM GRAND ARM 300 cF, a principios de este siglo, supuso un salto fundamental en la microscopía electrónica mundial, que se encontraba estancada desde hacía más de una década. Aún hoy, tan sólo hay otra herramienta como ésta en marcha en el mundo, en concreto, en Dresde (Alemania), y otros dos se encuentran en instalación, en Tokio (Japón) y Berkeley (Estados Unidos). Otra empresa alemana, Thermo, también ha puesto en el mercado equipos similares, si bien no alcanzan la precisión de un JEOL.
“Si Ramón y Cajal levantara la cabeza, no creería lo que somos capaces de ver con este microscopio, pese a que el fondo el mecanismo se basa en el mismo principio que el suyo: un haz de electrones que pasa por un objetivo”, explica el físico José Antonio Calbet, director y artífice de esta instalación en la UCM. “Si nuestro Nobel veía neuronas, aquí somos capaces de observar átomos y también la distancia que les separa. Es el equivalente a que una persona se pusiera a 10 kilómetros de nosotros con una cerilla en cada mano en mitad del desierto y distinguiéramos las dos pequeñas llamas. Antes de este JEOL sólo se vería una luz. Esta resolución no se ha podido alcanzar hasta que no se han corregido las distorsiones de las lentes electromagnéticas, ahora incluso podemos diferenciar los elementos más ligeros y pequeños de la tabla periódica”, explica Calbet. “ Es un cambio fundamental porque si queremos ver las propiedades de un material determinado hay que saber cómo están colocados sus átomos, y no sólo verlos”, argumenta el director del CNME.
Efectivamente, los investigadores que acuden al CNME ya pueden observar cada uno de los átomos de sus muestras, saber a qué elemento de la tabla periódica corresponden y observar los defectos que hay en sus cadenas. En definitiva, conocer para poder transformar, mejorar o crear. “Si comprendes un defecto o propiedad en la materia puedes averiguar si es perjudicial o justamente lo que le otorga una característica determinada para un fin. ¿Y cómo lo vemos? En realidad, el microscopio electrónico nos mide los electrones que rebotan en la materia, la energía que sale despedida de los átomos. Es una cantidad que varía según el elemento de que se trate. A menos longitud de onda de los electrones, más resolución se obtiene”, apunta el experto.
Hoy no hay otra tecnología que alcance este nivel de precisión, ni siquiera los rayos X: “Los rayos X también permiten ver distancias entre átomos, pero necesitan que el sólido a observar tenga sus átomos ordenados por debajo de los 70 Angström de resolución, porque en otro caso no los distingue. Sin embargo, este microscopio si los ve y podemos obtener información a nivel muy local, además de la información de su estructura en un plano medio”, señala Calbet.
La historia de este centro ICTS está muy ligada a su persona. Hasta que se propuso la apertura del CNME, en 1988, en España casi todos los microscopios electrónicos de gran potencia estaban instalados en los hospitales y se dedicaban a la Medicina. Tan sólo había alguno con el que trabajar con materiales inorgánicos en el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Ese año, junto a un grupo de profesores de la Facultad de Física, Calbet propuso a la Complutense tener sus propios microscopios para el estudio de materia no orgánica. “Primero compramos un microscopio de 400.000 voltios, con una resolución de 1, 7 Angströms, que era lo máximo que existía entonces y que en la potencia que se quedó estancada la tecnología durante más de una década”, recuerda.
Cabe recordar que los microscopios electrónicos se conocen desde los años 30 del siglo XX. Fue el checo Ernest Ruska el primero en desarrollar lentes electrónicas, por lo que acabó recibiendo el Premio Nobel en Física en 1986. Durante décadas, estos instrumentos fueron haciéndose más precisos por el expeditivo método de aumentar su voltaje (a más voltios, más electrones y menos longitud de onda entre ellos, por lo tanto más calidad de imagen), hasta que llegó un momento en el que ya no se mejoraba la resolución, debido a las distorsiones de la propia lente.
Tras un periodo de estancamiento, a principios del siglo XXI la tecnología comenzó de nuevo a avanzar, con el desarrollo en Japón y Alemania de correctores capaces de subsanar esas anomalías. Se descubrió que al colocar unos imanes a ambos lados de las lentes, se generan campos magnéticos que eliminan las distorsiones. Gracias a ellos, hoy es posible ver las mencionadas resoluciones de 0,5 Angström donde antes se llegaba a 1,7. Es decir, ya es posible ver desde la Tierra el equivalente a un garbanzo sobre la superficie de la Luna. Y, además, con tal precisión que se observan las columnas de átomos, ya sean grandes o pequeños, en su lugar exacto.
Por todo ello, cuando en el año 2005, la Fundación de Ciencia y Tecnología (FECYT) preguntó a los científicos españoles cuáles eran sus necesidades tecnológicas, aprovechando los fondos FEDER disponibles, Colbet no tuvo dudas: quería uno de esos nuevos microscópicos electrónicos de sorprendente resolución atómica que se estaban desarrollando y situaría al CNME en un centro puntero en el mundo. Hay que señalar que, en principio, la condición para acceder a los nueve millones de euros de inversión que suponía la instalación, pasaba por una cofinanciación entre el Gobierno y la Comunidad Autónoma de Madrid, algo a lo que ambos se comprometieron, si bien ésta última se ha terminado desmarcando. “Lo propuse porque era consciente de que sería un avance muy importante para los científicos en este país. Los problemas con la cofinanciación lo retrasaron, pero finalmente, sin apoyo de la Comunidad, se hizo la petición en 2012 y en abril de 2016 se hizo realidad”, recuerda el director del CNME.
Un paso importante fue decidir qué modelo comprar: el de los japoneses de JEOL o el de la empresa Thermo (antigua Philips), del entorno europeo-americano. “En realidad, había una carrera entre ambas empresas por lograr la ultra-alta resolución antes que la competencia y llegar a estos 0,5 Angström, pero el primer microscopio comercial que los garantiza es el que tenemos aquí, el japonés JEOL, que es el que ex cogimos. Es más, incluso hemos llegado a alcanzar resoluciones de 0,45”, señala Calbet mientras muestra en la pantallas del ordenadores algunas de las sorprendentes imágenes capturadas por el “gran ojo”. En concreto, un ‘nanohilo’ con átomos de lantero, estroncio y maganeso enviado desde París para que analicen sus propiedades de cara a su utilización en cabezales de discos duros de ordenadores.
Paralelamente a la petición del CNME, en Aragón otro grupo de científicos conseguía fondos suficientes de su comunidad autónoma para montar el otro gran microscopio electrónico de España, el Laboratorio de Microscopías Avanzadas, en Zaragoza, también otra de las escogidas ICTS. En su caso lo adquirieron en la empresa europea Thermo y está más centrados en investigaciones de electromagnetismo, por lo que Calbet asegura que su trabajo es complementario al de CNME. Asimismo, hay algunos microscopios electrónicos más en el País Vasco de gran potencia, pero no alcanzan la del JEOL japonés.
En realidad, al visitar la instalación de Madrid se comprueba que el JEOL JEM GRAND ARM 300 cF es tan sólo la mejor pieza de un complejo compuesto por dos piezas, que son dos microscopios con correctores de aberraciones. Si el JEOL corrige las anomalías de la lente del objetivo (que es la que toma la imagen), el que hay en la sala vecina -el JEM ARM200c- tiene instalado otro corrector para su lente condensadora de la luz. Juntos hacen un tándem hoy difícil de superar: “Si el JEOL es un microscopio que nos permite obtener la información cristalográfica con resolución atómica, el JEM nos da la información de sus composición con resolución atómica porque es de barrido. Podríamos haber puesto los dos correctores en un solo microscopio, pero entonces no pueden funcionar los dos a la vez, así que pensamos en este diseño con un corrector en cada uno”, precisa Almudena Torres, técnica especialista en su manejo.
En la actualidad, en el centro trabajan 10 personas, como ella, casi todos técnicos de alto nivel, si bien según su responsable deberían ser más para sacar el máximo provecho a la instalación. “El problema es que ahora no tenemos mecanismos de contratación de investigadores. Al estar en la universidad, la opción son oposiciones a profesores o contratos de técnicos de nivel básico, así que sólo tres personas tienen capacidad para manejarlo, pero sacamos un gran provecho”.
Ya antes de contar con estas nuevas herramientas, el CNME tenía una media anual de 850 grupos de investigación que requerían sus servicios, unas cifras que, previsiblemente, irán en aumento. “Es el segundo equipo montado en el mundo. Aunque lleva poco tiempo en España, apenas unos meses, ya han recibido peticiones de Francia, Holanda, Suecia y otros países, casi siempre a distancia. Nos envían sus muestras y les enviamos los resultados. Esta instalación abre infinitas posibilidades”, concluye Calbet.
CSI LAS VEGAS, BAJO LA LUPA ELECTRÓNICA
Entre las peticiones que llega al Centro Nacional de Microscopía Electrónica, hay algunas tan curiosas que los investigadores se sienten como si estuvieran en la sede de CSI Las Vegas. Han recibido muestras de la Policía y la Guardia Civil, interesada en que analicen suelos relacionados con delitos, del Museo del Prado, para que averigüen el origen de las arcillas de cuadros de Velázquez, y poder restaurarlos con el material más parecido al original; de componentes óxidos de los que se utilizan en los cabezales de los ordenadores, relacionadas con la catálisis de los motores diésel para rebajar sus emisiones contaminantes; de diminutos insectos amazónicos, en los que la diferencia entre una especie u otra es imposible de observar a simple vista porque depende de los pelos de una pata; de fósiles… Un sin fin de opciones que mantienen activos sus 11 microscopios actuales.
Ahora, el futuro pasa por poder bajar el voltaje para poder manejar material orgánicos sin que se deteriore y mayor rapidez de espectroscopia. “Se están diseñando microscopios a 15 megavoltios de gran precisión para que se pueda manejar material orgánico. Esa va a ser la siguiente revolución en este campo”, asegura Torres.
Laboratorio para Sapiens 