¿Se pueden ver los átomos?

Por Paloma Fernández Sánchez

Actualmente hay muchas formas de ver o de medir "cosas” con resolución atómica, es decir de ver los átomos. En esta ocasión vamos a fijarnos en una de ellas: el Microscopio de Efecto Túnel. Este microscopio fue diseñado por Gerd Binning y Heinrich Röhrer y merecieron por ello el Premio Nobel en el año 1986. Con este pequeño artículo queremos rendir un homenaje a Heinrich Röhrer fallecido en mayo de este año.

El desarrollo del microscopio de efecto túnel y posteriormente de todos los agrupados bajo la categoría de Microscopias de Campo Cercano, han constituido una herramienta básica para el estudio de los materiales en los últimos años. Es evidente que muchos de los avances en el campo de la nanotecnología y la nanociencia no habrían sido posibles sin el desarrollo de este instrumento, pero no sólo esta rama se ha beneficiado de él. Aunque normalmente no nos demos cuenta de ello, la superficie de los materiales es un elemento fundamental, y en muchos procesos importantes juega un papel determinante. El microscopio de efecto túnel ha permitido no sólo saber dónde y cómo están colocados los átomos en la superficie, sino incluso moverlos.

Imágenes de los átomos de una superficie de óxido de titanio y de la construcción de una estructura que se conoce como corral cuántico, fabricada moviendo átomos de hierro sobre una superficie de cobalto.

Fuente: Instituto de Investigación en Nanociencia de Aragón.

En realidad el efecto túnel no es algo tan distinto de lo que conocemos de la vida diaria… ¡Bueno, un poco distinto sí!

Cuando viajamos por una zona montañosa, formada por muchas colinas y valles, si queremos ir de un valle a otro, no hay más remedio que subir la montaña y luego bajar otra vez. Pero eso es cansado, largo y a veces peligroso¡imagina bajar por la pendiente de la montaña de la imagen! Para hacer que los viajes sean más rápidos y cómodos se hacen túneles que nos permiten atravesar las montañas fácilmente con un coche u otro medio de transporte, o incluso andando. Pero hay túneles un poco especiales por los que no se mueven coches ni trenes, sino partículas como los electrones y que no están hechos para atravesar montañas, sino "capas de material”, o "espacios vacíos”.

Empecemos por el principio. Los materiales están hechos de átomos unidos unos a otros formando los materiales sólidos tal como los vemos, nosotros no distinguimos los átomos porque son muy pequeños, pero están ahí. Son tan pequeños que las leyes de la Naturaleza a las que estamos acostumbrados en nuestro mundo, dejan de funcionar y empiezan a pasar cosas nuevas o distintas.

Veamos un ejemplo. Imagina que tiras una pelota contra una pared, la pelota no puede atravesar la pared, rebotará y volverá a tus manos, a menos que la lances con suficiente energía como para que pueda saltar por encima.

Sin embargo si tirases la pelota contra una pared de un material frágil y no muy gordo o contra una ventana podría pasar otra cosa. Si tirásemos la pelota lo suficientemente fuerte podríamos atravesar la pared o ventana, aunque eso sí, rompiendo el cristal. ¡Pero si estuviéramos a escala atómica habríamos podido atravesar la pared sin romperla! Y a eso es a los que los físicos llaman "efecto túnel”. Eso sí la pelota tendría que ser un electrón y la pared una lonchita de material muy muy pequeña.

Lo que hemos llamado efecto túnel puede ocurrir también entre dos superficies metálicas separadas por una distancia muy pequeña. Normalmente, los electrones no podrán abandonar el material y saltar de una superficie a la otra, pero en algunas condiciones podrán salvar esa distancia, y aparecer en la otra superficie.

Imagina que estás en el terreno montañoso del dibujo y para salir tienes que saltar y agarrar las asas de la parte de arriba. El terreno montañoso de abajo representa la superficie del material, con las montañas en el papel de los átomos. El muñeco es el electrón que tiene que conseguir atravesar la distancia entre las montañas y los valles y la punta de arriba, donde están las asas. Si el muñeco está en el valle, aunque salte, no llegará a alcanzar las asas, pero si está en la parte alta seguramente sí podrá.

Si estuviéramos mirando al muñeco, cada vez que éste alcanzara las asas sabríamos que había saltado desde un punto alto, por lo tanto podríamos hacer un esquema de dónde están localizados los puntos más altos. Si la punta está enfrente de un valle, aunque el muñeco salte no alcanzará, si está en la cima de la montaña con un pequeño salto podrá alcanzar, y si está en un punto intermedio de la ladera, podrá alcanzar las asas pero con mayor esfuerzo, saltando más.

El microscopio de efecto túnel hace algo parecido. La punta se va moviendo muy cerca de la superficie que estamos estudiando, pero sin rozar. Cuando los electrones de la superficie sean capaces de atravesar el espacio entre la punta y a muestra, mediremos una corriente eléctrica, pero esto sólo ocurrirá cuando la distancia de separación entre la punta y la muestra sea lo suficientemente pequeña como para que se produzca el efecto túnel. Si mantenemos la altura de la punta constante, los cambios en la corriente que medimos estarán asociados a la topografía de la muestra. También podríamos fijar la corriente que deseamos medir y dejar que la aguja alcance la altura necesaria para que se produzca, en cualquiera de los dos casos obtendríamos un mapa de la topografía de la superficie. Si la aguja es suficientemente fina, seremos capaces de ver los átomos, ya que cuando la punta esté justo enfrente de un átomo de la superficie será cuando pueda producirse el efecto túnel de manera más eficiente, es decir tendremos una corriente máxima. De esta forma podemos ver la superficie de las cosas con gran detalle, en realidad hablamos de resolución atómica, o sea que podemos distinguir los átomos que forman la superficie. En el esquema de la parte derecha de la figura puedes ver a qué nos referimos.