Para cuidar tus ojos, los amigos jóvenes deben hacerlo primero. A la hora de leer y estudiar, deben colocar los libros y el papel a una distancia de 25 centímetros de sus ojos. Esta distancia se llama "distancia aparente". ¿De dónde viene la “distancia de 25 cm” que exigen profesores y padres? Resulta que nuestros ojos pueden distinguir dos puntos a 0,1 mm (1.000.000 nm) a 25 cm de distancia del ojo. En este caso, en el caso de los ojos, su ángulo visual es de aproximadamente 1’ y la imagen incide directamente sobre las dos células fotorreceptoras de la retina. Si la distancia entre dos puntos es inferior a 0,1 mm, todas sus imágenes en la retina caerán en una célula fotorreceptora y nuestra visión solo percibirá un punto. Obviamente, al intentar ampliar esta perspectiva, podemos ver cosas más pequeñas.
El nacimiento de los microscopios ópticos La aparición de los microscopios comenzó hace 400 años. Alrededor de 1590, el óptico Jason colocó dos lentes convexas delante y detrás y descubrió que los detalles de los objetos se volvían muy claros. Así se inventó por accidente el microscopio óptico. Sin embargo, cuando se trata de microscopios, el holandés Levin Hooke es mucho más famoso que Janssen. La contribución de Levin Hooke no sólo radica en la fabricación de un microscopio con un aumento de 300 veces, sino también en la aplicación práctica de los microscopios. Esto lo convierte en una figura destacada en la historia del desarrollo de los microscopios.
Lo que más nos llamó la atención después de leer la transcripción de la grabación de Levine Hooker fue su abrumadora curiosidad. Era un comerciante que vendía ropa de cama, pero le gustaba fabricar artículos de vidrio y metal.
Dedicaba su tiempo libre a pulir vasos y montar microscopios. Ser empresario es ganarse la vida; hacer experimentos es su juego. Levine Hooker utilizó un microscopio casero para descubrir un mundo microscópico, un mundo que nadie había visto antes. Esto lo emocionó mucho. Estamos acostumbrados a la belleza de la naturaleza. ¡Solo con un microscopio podemos descubrir que la naturaleza microscópica también es muy conmovedora y hermosa! Leviinhoek observó con gran interés los "detalles" de muchas cosas. Saliva, orina, hojas, estiércol de vaca, etc. Todos ellos se convirtieron en objetos de su observación. Usó un microscopio para observar bacterias por primera vez, rompiendo cientos de años de especulaciones supersticiosas y marcando el comienzo de una nueva era en la conquista de enfermedades infecciosas.
La historia de la microscopía es la historia de una resolución cada vez mayor: detalles de muestras cada vez más pequeños son visibles al ojo con un ángulo de visión de más de 1'. Los científicos se han dado cuenta de que la resolución de los microscopios ópticos es directamente proporcional a la longitud de onda de la radiación iluminadora. Cuanto más corta sea la longitud de onda de la radiación luminosa, mayor será la resolución del microscopio. La longitud de onda de la luz visible es de 400 nanómetros a 760 nanómetros. El aumento máximo efectivo de los microscopios ópticos modernos puede alcanzar 2.000 veces, pueden resolver objetos de 200 nanómetros y ver las bacterias más pequeñas. La mayoría de los virus son mucho más pequeños que las bacterias y por eso no pueden verse con un microscopio óptico.
Con el nacimiento del microscopio electrónico, la comprensión de la luz por parte de las personas continúa profundizándose. En 1864, Maxwell atribuyó todos los fenómenos electromagnéticos a un conjunto de ecuaciones matemáticas, dedujo que las ondas electromagnéticas existen en la naturaleza y señaló que la luz es simplemente una onda electromagnética especial con una longitud de onda muy pequeña.
En 1878, se reconoció que la resolución de los microscopios ópticos era teóricamente limitada. Los científicos saben que para mejorar la resolución, la muestra debe irradiarse con "radiación" de longitudes de onda más cortas. En 1905, Einstein, de 26 años, publicó un artículo titulado "Visiones inspiradoras sobre la generación y transformación de la luz", que reveló por primera vez la dualidad onda-partícula de los fotones. En 1921, Einstein ganó el Premio Nobel de Física por los resultados de este artículo. En el verano de 1923, De Broglie, de 32 años, propuso que todas las partículas físicas fluctúan; en 1924 dio una fórmula para calcular la longitud de onda de las ondas de la materia; Cuanto mayor es el impulso de una partícula física, más corta es su longitud de onda. De Broglie ganó el Premio Nobel de Física en 1929.
Estos acontecimientos revolucionarios en la física condujeron a una revolución en la ciencia y la tecnología de la microscopía. Los científicos alemanes Ruska y Knoll creen que, dado que "todas las partículas físicas tienen forma de ondas", se pueden utilizar rayos de electrones en lugar de luz como "fuente de luz" del microscopio.
Al igual que los fotones, los electrones también tienen dualidad onda-partícula. La longitud de onda de los electrones es mucho más corta que la de la luz. Al iluminar una muestra con un haz de electrones, podemos resolver los detalles más finos de la muestra. En 1932 desarrollaron el primer microscopio electrónico con un aumento de 12.000, superando al de los microscopios ópticos. Ruska tiene sólo 26 años. En 1939, bajo el liderazgo de Ruska, Siemens construyó el primer microscopio electrónico práctico del mundo. Ahora el voltaje de funcionamiento de los microscopios electrónicos llega a 6,5438 millones de voltios y el aumento efectivo llega a 6,5438 millones de veces. El microscopio electrónico completó una revolución en la tecnología de la microscopía, por lo que Ruska ganó la mitad del Premio Nobel de Física de 1986, y la otra mitad la compartieron Boonnig y Rohrer, quienes desarrollaron el microscopio de efecto túnel. Ruska tenía 80 años cuando ganó el Premio Nobel de Física, apenas dos años después de su muerte.
La característica revolucionaria de los microscopios electrónicos es el uso de haces de electrones en lugar de iluminación óptica. Después de que los electrones son acelerados por un voltaje de 50 ~ 100 kV, la longitud de onda es de 0,53 ~ 0,37 nm, que es aproximadamente igual a L/1000 de la longitud de onda de la luz. Basándonos en la relación entre las dos longitudes de onda, podemos inferir que la resolución de un microscopio electrónico será mucho mayor que la de un microscopio óptico. Los microscopios electrónicos modernos pueden distinguir dos puntos de un objeto que están separados por 0,2 nanómetros, que es 1/1000 de la diferencia de un microscopio óptico. Con la ayuda de microscopios electrónicos, las personas pueden observar la estructura cristalina de los metales, la estructura de las moléculas de proteínas, las células y los virus. La invención del microscopio electrónico impulsó la investigación biológica.
El nacimiento del microscopio de efecto túnel. Los objetos observados con un microscopio electrónico deben colocarse en el vacío, deshidratarse y golpearse con electrones de alta velocidad. Por lo tanto, las muestras que se pueden colocar en el microscopio electrónico para su observación son limitadas y los resultados de la observación también se ven afectados. El desarrollo de la ciencia y la tecnología requiere microscopios basados en nuevos principios; los avances teóricos en microscopios deben basarse en avances revolucionarios en la ciencia básica. En 1958, la científica japonesa Reina Ezaki descubrió el efecto túnel mientras estudiaba uniones PN fuertemente dopadas, revelando el principio físico de la formación de túneles de electrones en sólidos. Esaki Reiuna compartió el Premio Nobel de Física de 1973 con Guiavel y Josephson.
En 1978, la inspiración para un nuevo microscopio surgió de una conversación. Un día, Laurel, una científica del laboratorio de IBM en Zurich, le presentó el plan de investigación de física de superficies de su laboratorio a Buennig, un estudiante de posgrado alemán. Buennig, de 31 años, sugirió que el efecto túnel podría usarse para estudiar fenómenos de superficie. Rolle estaba intrigado por su idea. Luego, a finales de 1978, Rohrer invitó a Buennig a Zurich para desarrollar un microscopio que explotara el efecto túnel. Buennig y Laurel superaron muchas dificultades y finalmente desarrollaron el microscopio de efecto túnel en 1981. Es otro avance revolucionario en la tecnología de los microscopios, con un aumento de decenas de millones de veces. Lo revolucionario de este nuevo microscopio es que utiliza el efecto túnel para estudiar la superficie de los materiales. Por tanto, no utiliza lentes, no es destructivo para la muestra y puede obtener imágenes tridimensionales.
El exitoso desarrollo del microscopio de efecto túnel demuestra la belleza armoniosa de unos resultados completos. No fueron Buennig y Rohrer quienes utilizaron por primera vez el efecto túnel para estudiar los fenómenos superficiales, sino el físico estadounidense Giaver. Podemos imaginar que observar la escala atómica de la superficie de la muestra debe requerir una estabilidad extremadamente alta del instrumento. Guiavel no logró superar este formidable obstáculo. Sin embargo, en tres años, Buennig y Laurel lograron avances en teoría, tecnología experimental y tecnología mecánica, resolvieron el problema de la estabilidad del instrumento y lograron el éxito final. Sin los avances en la tecnología mecánica, el éxito de la microscopía de efecto túnel no habría sido posible.
La resolución del microscopio de efecto túnel es extremadamente alta, alcanzando 0,2 nm en dirección horizontal y 0,001 nm en dirección vertical, y puede proporcionar información a escala atómica sobre la superficie de la muestra. Sabemos que la linealidad típica de los átomos es de 0,3 nanómetros. Para imágenes de un solo átomo, esta resolución es suficiente. La invención del microscopio de efecto túnel impulsó la investigación en ciencias biológicas, física de superficies, materiales y procesos semiconductores e interacciones químicas. La tecnología de microscopía de efecto túnel continúa evolucionando.
Por ejemplo, para compensar el inconveniente de que los microscopios de efecto túnel sólo pueden visualizar y procesar conductores y semiconductores, se han desarrollado microscopios de fuerza atómica que pueden visualizar y procesar aisladores a nanoescala.
En la década de 1930 también apareció un microscopio que utilizaba electrones para mostrar la estructura superficial de un objeto, es decir, un microscopio de emisión de campo. En 1937, Müller inventó el microscopio de emisión de campo, que proyectaba la imagen de la superficie del emisor directamente sobre una pantalla fluorescente. Por ser una "proyección directa", el aumento de este microscopio es aproximadamente igual al radio de la pantalla fluorescente dividido por el radio del emisor, que puede llegar a 6,5438 millones. La microscopía de emisión de campo y la microscopía iónica de campo se encuentran entre los microscopios más potentes jamás desarrollados. La resolución de la microscopía de emisión de campo puede alcanzar los 2 nm. La microscopía iónica de campo tiene una resolución más alta, que puede alcanzar los 0,2 nm. ¿Qué significa una resolución de 0,2 nm? Es decir, los átomos individuales de la superficie de la muestra (punta) se pueden mostrar en la pantalla fluorescente. En la microscopía iónica de campo, la punta de la muestra está sujeta a fuertes fuerzas de campo eléctrico. Por lo tanto, la microscopía iónica de campo sólo se utiliza para estudiar materiales metálicos y no puede estudiar moléculas biológicas.
Desde los microscopios ópticos, pasando por los microscopios electrónicos hasta los microscopios de efecto túnel, la microscopía ha avanzado de la mano de la ciencia moderna durante más de 400 años. El microscopio acompañó a Galileo, Newton, Maxwell y Einstein. La historia del desarrollo de los microscopios es la historia de la revolución científica, la innovación tecnológica y el desarrollo de la tecnología de fabricación. Los microscopios son el producto armonioso de las actividades humanas científicas, tecnológicas y de ingeniería. La historia del desarrollo de los microscopios es como la historia de la ciencia: es un espejo y nos ha brindado muchas revelaciones profundas.
Los microscopios nos ayudan a ver las características microscópicas de los objetos. Con los microscopios, los humanos no sólo pueden estudiar estructuras microscópicas y descubrir nuevas leyes, sino también descubrir otras bellezas agradables a menor escala. El microscopio no es sólo el producto de la fusión de la verdad, la bondad y la belleza, sino también el "testigo" de la fusión de la verdad, la bondad y la belleza.