Determinación de la composición elemental átomo a átomo usando microscopía electrónica.

Se sabe desde hace mucho tiempo que la resolución espacial que se puede conseguir con un microscopio óptico, esto es, la característica más pequeña que se puede observar, es del orden de la longitud de onda de la luz que se emplee. Para que nos hagamos una idea del orden de magnitud, la longitud de onda del verde es de 550 nm (nanometros). Una forma de mejorar esta resolución es evidente: usar partículas con longitudes de onda asociadas más pequeñas o, lo que es lo mismo, más energéticas. Este es el fundamento de los microscopios electrónicos, en los que las partículas que se usan son electrones. Razones de índole puramente ingenieril hacen que la energía de los electrones empleados en los microscopios electrónicos de transmisión (MET) esté en el rango de los 100 a 300 keV, lo que corresponde a una longitud de onda de entre 3,7 y 2 pm (picometros).

Parémonos aquí un momento porque esto es importante. El radio del átomo de hidrógeno, llamado radio de Bohr (la distancia más probable entre el protón del núcleo y el electrón en el estado estacionario) es de 52,9 pm [ojo, el hidrógeno es el átomo más sencillo pero no el más pequeño]. ¿Significa esto que podemos ver “dentro” de un átomo de hidrógeno usando un MET? Vamos a verlo.

La resolución de un MET está limitada no sólo por la longitud de onda de los electrones, sino por las imperfecciones de las lentes electrónicas. Las principales son las aberraciones esférica y cromática. Instalando correctores (lentes auxiliares) se puede conseguir una resolución de 50 pm. Sí existen fotos de átomos, por tanto (véase por ejemplo aquí).

En la MET lo que se hace es que un haz de electrones atraviese una capa muy fina de la muestra (de ahí lo de transmisión) y después medir cómo han sido afectados los electrones por ese paso. De esta forma podemos saber la posición y más o menos el tamaño de los átomos que constituyen la muestra. En este sentido, “vemos” los átomos. Sabemos qué átomos son, qué elementos, por métodos químicos: bien porque nosotros hemos sintetizado la muestra, bien porque lo hayamos determinado analíticamente.

En el caso del MET, al atravesar la muestra los electrones pueden perder una cantidad de energía que es característica del elemento concreto con el que están interaccionando. Existe una versión de los MET, la llamada con filtro de energías (MET-FE), que es capaz de interpretar las energías de los electrones transmitidos y obtener lo que se llaman mapas químicos de la muestra. Esta técnica ya es comercial y permite realizar análisis químicos a escala nanométrica (véase por ejemplo IMP).

Acabamos de decir nanométrica. ¿Pero no decíamos que la resolución era 50 pm? Efectivamente, pero de nuevo nos encontramos para las técnicas MET-FE los problemas de las aberraciones, especialmente la cromática. Por lo tanto la MET-FE aún no ha conseguido la resolución atómica.

Y aquí es donde interviene el equipo encabezado por Knut Urban, del centro de investigación Jülich (Alemania). Urban recibió en 2011 el premio Wolf de física precisamente por sus trabajos para corregir las aberraciones en los MET. En un artículo aparecido en Physical Review Letters estos investigadores lo que vienen a decir es que han conseguido corregir la aberración cromática en MET-FT. Y para ello han usado el mismo razonamiento que se emplea en astroquímica.

Para determinar que en una nebulosa existe la molécula X, lo que se hace es tomar una muestra de esa molécula, ponerla en las condiciones de temperatura y vacío del espacio interestelar, y medir su espectro en esas condiciones. Después hay que cotejar los espectros recogidos por los telescopios para comprobar si los picos característicos de nuestra molécula están presentes. Pero, y esto es lo interesante, lo que se hace si no se puede conseguir poner la muestra en las condiciones del espacio por la razón que sea, son cálculos teóricos (químico-cuánticos) a partir de primeros principios que nos dirán cuál será probablemente su espectro. Urban et al. han hecho esto mismo aparte de desarrollar nuevas ópticas: cálculos teóricos que permiten interpretar la información recibida.

Los autores pusieron a prueba su método con una muestra de silicio consistente en un único cristal. Seleccionaron sólo aquellos electrones que interactuaban con electrones muy específicos del silicio. La resolución fue suficiente para visualizar las “mancuernas de silicio”, átomos de silicio vecinos que se emparejan en ciertos planos del cristal. Las imágenes muestran que los centros de dos átomos que forman una mancuerna están separados 135 pm (te puedes entretener midiéndolo tú, sabiendo que el radio atómico del silicio es 111 pm).

Si nos damos cuenta, esto es exactamente lo que se ve en las películas de ciencia ficción: introducen una muestra minúscula en un equipo y éste te dice la composición átomo a átomo. El futuro ya está aquí (otra vez). Nos falta la Enterprise.

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XXV Edición del Carnaval de Química que acoge ISQCH-Moléculas a reacción

Referencia:

Urban K.W., Mayer J., Jinschek J.R., Neish M.J., Lugg N.R. & Allen L.J. (2013). Achromatic Elemental Mapping Beyond the Nanoscale in the Transmission Electron Microscope, Physical Review Letters, 110 (18) DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.185507