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Ver lo invisible
Cada vez que un instrumento llegó a su límite, el paso siguiente no consistió en mejorarlo sino en abandonar el principio en que se basaba. La historia de la microscopía es una secuencia de renuncias.
En la década de 1670, un comerciante de telas de Delft llamado Antonie van Leeuwenhoek empezó a enviar cartas a la Royal Society de Londres describiendo criaturas que nadie había visto. Las llamaba animálculos. Estaban en el agua de lluvia, en el agua estancada de los canales, en la placa de sus dientes. Sus corresponsales tardaron años en creerle, entre otras cosas porque nadie lograba reproducir sus observaciones.
El motivo era que Leeuwenhoek no usaba el microscopio compuesto que ya circulaba en Europa, sino un aparato propio: una placa de latón con una única lente esférica diminuta, montada frente a un tornillo que sostenía la muestra. Pulía esas lentes él mismo con una técnica que nunca reveló y que le permitía alcanzar aumentos de doscientas o trescientas veces, muy por encima de lo que conseguían los instrumentos de varias lentes de su época, arruinados por las aberraciones ópticas.
El límite que nadie podía sortear
La óptica mejoró durante los dos siglos siguientes, pero hacia 1870 el físico alemán Ernst Abbe formuló el problema en términos definitivos. La resolución de cualquier instrumento óptico —su capacidad de distinguir dos puntos como separados— está limitada por la longitud de onda de la luz que emplea. La luz visible abarca aproximadamente de 400 a 700 nanómetros, lo que fija el límite práctico en torno a los 200 nanómetros.
No es una limitación de fabricación que pueda superarse con mejores lentes. Es una consecuencia del comportamiento ondulatorio de la luz. Con luz visible, dos objetos separados por menos de unos 200 nm no pueden distinguirse, por perfecto que sea el instrumento.
El resultado fue paradójico. La formulación de Abbe permitió diseñar objetivos que alcanzaban ese límite teórico —un logro enorme— y al mismo tiempo demostró que el camino estaba cerrado. Para bajar más había que dejar de usar luz.
Electrones en vez de luz
La salida llegó de la mecánica cuántica. Si las partículas también se comportan como ondas, y su longitud de onda depende de su momento, entonces un electrón acelerado tiene una longitud de onda miles de veces menor que la de la luz visible. Un instrumento que ilumine con electrones debería, en principio, resolver detalles miles de veces más finos.
Ernst Ruska construyó el primer microscopio electrónico en Berlín en 1931 y hacia 1933 ya superaba la resolución de cualquier microscopio óptico. Recibió el Nobel de Física en 1986, más de medio siglo después.
El precio fue alto. Los electrones son absorbidos por el aire, de modo que la muestra debe estar en vacío. Son desviados por campos eléctricos, así que hay que recubrir las muestras aislantes con una capa metálica. Y son destructivos: el haz daña el material biológico. Todo lo que se observa con un microscopio electrónico está, en algún sentido, muerto y disfrazado.
Palpar en vez de mirar
El cambio más radical vino en 1981, cuando Gerd Binnig y Heinrich Rohrer, en el laboratorio de IBM en Zúrich, abandonaron por completo la idea de iluminar. Su microscopio de efecto túnel acerca una punta metálica afiladísima —idealmente terminada en un solo átomo— a unas décimas de nanómetro de la superficie, sin llegar a tocarla. A esa distancia, los electrones atraviesan el espacio vacío por efecto túnel, un fenómeno estrictamente cuántico, y generan una corriente medible que depende de manera exponencial de la separación.
Barriendo la punta sobre la superficie y ajustando su altura para mantener la corriente constante, se obtiene un mapa del relieve atómico. La imagen resultante no es una fotografía: es un registro de alturas, reconstruido punto por punto. Binnig y Rohrer recibieron el Nobel en 1986, el mismo año que Ruska.
Poco después, Binnig desarrolló junto a Calvin Quate y Christoph Gerber el microscopio de fuerza atómica, que reemplaza la corriente por la deflexión de una micropalanca y funciona también con materiales no conductores, al aire libre e incluso sumergidos en líquido. Es hoy el instrumento estándar para observar superficies a escala nanométrica.
El límite óptico, después de todo, cedió
Hay un epílogo interesante. Desde los años noventa, varias técnicas de microscopía de fluorescencia lograron sortear el límite de Abbe sin violarlo: en lugar de resolver dos puntos simultáneamente, los encienden por separado en el tiempo y luego reconstruyen la imagen. Eric Betzig, Stefan Hell y William Moerner recibieron el Nobel de Química de 2014 por ese conjunto de métodos, agrupados bajo el nombre de nanoscopía.
La lección se repite. El límite era real y sigue siéndolo; lo que se cambió fue la pregunta.
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