¿Alguna vez has sentido los átomos? Estamos hechos de átomos y estamos en constante contacto con ellos, tanto dentro de nuestro propio cuerpo como en todos los aspectos del mundo físico. Pero no los sentimos nosotros mismos. Incluso si colocas la palma de tu mano sobre la mesa, en realidad no sientes los átomos: sientes la fuerza repulsiva del campo electrostático creado por los electrones que giran alrededor de cada átomo a casi la velocidad de la luz. Crean una carga negativa que impide que otros átomos que también tienen carga negativa se acerquen demasiado. Con este nivel de detalle, el mundo entero de las superficies "duras" se ha vuelto similar a una cantidad inimaginable de pequeños imanes monopolo que intentan pegarse entre sí.
Esto abre la puerta al primer intento real de los científicos de "sentir" la materia a escala atómica. En 1981, los investigadores Gerd Binning y Heinrich Rohrer, que trabajaban para IBM Zurich, desarrollaron el microscopio de barrido de túneles (STM). Basado en un efecto fundamental de la mecánica cuántica, STM coloca una punta muy afilada muy cerca del material que se inspecciona. Al ganar carga, los electrones "salta" de la punta de la sonda y "hace un túnel" a través del material. Este patrón de túnel (dónde y cuándo los electrones saltan desde la punta al material) proporciona una imagen del material como si hubiera sido atravesado por rayos X. Aunque los átomos no pueden estar estrechamente conectados, Binnig y Basil utilizaron túneles cuánticos para permitirles rozarse unos a otros con tanta suavidad, investigación que les valió el Premio Nobel de Física de 1986.
En 1985, Binnig realizó la primera mejora real del STM: el "microscopio de fuerza atómica" (AFM), añadiendo un oscilador micromecánico a la punta de la sonda. A medida que la punta del AFM vibra hacia adelante y hacia atrás, escanea áreas del material a escala atómica. La punta, que mide sólo una millonésima de metro de largo, no sólo puede "leer" el material que se encuentra debajo, sino que (con la carga adecuada) incluso puede usarse para empujar contra el material, empujando suavemente los átomos individuales a una nueva posición. Para demostrar sus nuevas capacidades, IBM publicó una famosa fotografía en 1989 de un grupo de átomos de xenón dispuestos en el logotipo de IBM. Esto no es tarea fácil: los efectos cuánticos que permiten que los electrones penetren en el material desde la punta también hacen que sea muy fácil para estos átomos "salir" de sus posiciones inducidas por AFM.
Los microscopios de fuerza atómica permiten "leer" y "escribir" átomos, pero un estudiante graduado muy inteligente de la Universidad de Carolina del Norte en Estados Unidos ha descubierto una manera de tocarlos. Russell M. Taylor introdujo información generada por un microscopio de fuerza atómica en una supercomputadora de gráficos multimillonaria. Estos datos se utilizan para generar un "perfil" tridimensional del material debajo de la punta de la sonda. Mientras que los escaneos AFM producen imágenes que describen aproximadamente la "forma" de un átomo, las visualizaciones de Taylor brindan una sensación de profundidad, posición y orientación, no solo de un átomo, sino de átomos (moléculas) químicamente relacionados en relación con la estructura del átomo. Estos átomos y moléculas se proyectan sobre una superficie del tamaño de una mesa y, cuando se ven con gafas 3D especiales, parecen tan reales como manzanas y naranjas.
Taylor añadió un toque final a su dispositivo de investigación: su sistema de realidad virtual tiene una interfaz háptica; en otras palabras, proporciona un "toque" falso a los objetos que se muestran en el mundo virtual del escritorio. Puedes (virtualmente) pasar la mano por la superficie de los átomos, incluso empujarlos y sentir cómo regresan a sus posiciones originales. Como lo llamó Taylor, el nanomanipulador se convirtió en una de las piezas definitorias de la primera era de la realidad virtual. Compartieron su trabajo con varios químicos investigadores. Para su sorpresa, pudieron "sentir" a través de enlaces químicos y estructuras moleculares que siempre habían sido abstractas en teoría, y descubrieron que nunca habían conocido estas sustancias, ya que su sentido del tacto revelaba detalles intuitivos en los que nadie había siquiera pensado. Los nanomanipuladores involucran muchos sentidos, lo que hace que la escala atómica sea tangible y brinda a los químicos una herramienta increíble para pensar en su trabajo.
Los nanomanipuladores hacen tangible la escala atómica.
Pero los nanomanipuladores son grandes, caros y delicados. STM y AFM requieren un cierto nivel de precisión y soporte, así que colóquelos en los kits de laboratorio más raros, y necesitaría una supercomputadora de más de 10 000 dólares para convertirlos en nanomanipuladores si lo intentara. Taylor ha creado una herramienta innovadora y única.
Incluso preparar muestras para el escaneo AFM requiere mucho trabajo; los sujetos de microscopía de fuerza atómica y microscopía de efecto túnel deben colocarse en una cámara de vacío aislada, lo que inmediatamente excluye las observaciones a escala atómica de cualquier ser vivo a distancia.
El investigador Christopher Bolton hizo un descubrimiento inesperado en un laboratorio de la Universidad de Melbourne que abre una ventana a la nanoescala con menos toxicidad. En su trabajo con láseres, Bolton vio algo que nunca había visto ni oído antes: objetos microscópicos brillantes desde múltiples ángulos, lo que resulta en múltiples vistas del mismo objeto. Bolton podría utilizar ideas matemáticas muy simples para resumir estas imágenes en una sola vista de algo muy pequeño.
¿Qué tan pequeño? Los microscopios ópticos alcanzaron el límite físico de lo que se podía ver en medio micrón (un micrón es una millonésima parte de un metro), porque las cosas eran muy pequeñas en ese momento, más pequeñas que la longitud de onda de la luz. Bolton descubrió que al utilizar su método de fotografiar objetos desde todos los ángulos con un haz de luz, sólo podía capturar imágenes de objetos de una vigésima parte del tamaño: sólo 25 nanómetros (una milmillonésima parte de un metro).
Esta técnica se puede utilizar con casi cualquier muestra que desee colocar en un portaobjetos de microscopio, sin necesidad de vacío. “Colocamos una bacteria viva en un portaobjetos de vidrio y la vimos luchar”, informa Bolton. El descubrimiento de Bolton (quien, junto con el asesor de investigación Ray Dagastine, es el fundador de la startup Tiny Bright Things) parece haber aportado medicina y biología. la base de observación que necesitaban para comprender las interacciones profundas pero poco comprendidas entre las bacterias, los virus y nuestros cuerpos y nuestro medio ambiente.
Hace 400 años, los primeros microscopios nos brindaron una ventana a mundos que nunca imaginamos. Estos últimos microscopios abren nuevas perspectivas hacia mundos que conocemos en teoría pero que nunca hemos visitado en la práctica. ¿Cuánto aprenderemos? Tal vez no pase mucho tiempo antes de que algún estudiante graduado emprendedor aproveche una interfaz táctil en este nuevo microscopio. Puedes tocar la superficie del virus, sentir su proteína espiga y tal vez ¿podrías aprender mejor cómo protegerte de estas proteínas?