Erwin Müller, el primero en “ver” átomos individuales

Carlos Rojas.

Escuela de Física. Facultad de Ciencias

Sabemos que la materia está compuesta por átomos, partículas básicamente esféricas con un tamaño de unas pocas décimas de nanómetro (nm), que pueden enlazarse químicamente entre sí para formar la gran variedad de sustancias que nos rodean. En los sólidos, la separación entre átomos vecinos suele estar entre 0.2 y 0.4 nm, distancias que se determinan con gran precisión mediante técnicas de dispersión o difracción como la Difracción de Rayos-X. Sin embargo, estas técnicas, aunque precisas, no proporcionan una imagen directa de los átomos y de su distribución espacial. El anhelo de los científicos siempre fue «ver» directamente a los átomos, localizados en sus posiciones en la materia que conforman. En 1933, el alemán Ernst Ruska dio un paso gigante al construir el primer Microscopio Electrónico de Transmisión, usando lentes magnéticos. Para 1955, este instrumento lograba aumentos de hasta 200.000 veces, alcanzando una resolución de 1 nm, acercándose pero sin lograrlo, a la visualización directa de los arreglos atómicos. Fue entonces cuando otro alemán, Erwin Wilhelm Müller ①, abordó el desafío de una manera radicalmente innovadora.

Müller ya había inventado en 1937 un microscopio de concepción completamente diferente: el microscopio de Emisión por Campo (Field Emission Microscope, FEM). Este era un microscopio de proyección que, de forma ingeniosa, prescindía por completo de lentes. La muestra, una aguda punta metálica terminada en un hemisferio de radio r, se coloca frente a una pantalla fluorescente separada de ella por una distancia R. El aumento se logra por la simple proyección radial de la superficie de la punta sobre la pantalla, con un factor de aumento M = R/r.

Con valores típicos de r = 50 nm y R = 5 cm, se alcanza un aumento de un millón de veces. En el FEM, la punta está en vacío y se polariza con un potencial V negativo respecto a la pantalla. La pequeñez del radio de curvatura permite que con unos pocos kilovoltios se genere en su superficie un campo eléctrico E tan intenso (E = -∇V) que los electrones de conducción pueden escaparse de la muestra por efecto túnel, viajando en trayectorias radiales hacia la pantalla fluorescente. La imagen resultante ② revela los distintos planos cristalinos expuestos en el hemisferio de la punta (que no es una semiesfera perfecta sino, más bien, una superficie facetada), y el contraste se debe a las diferencias en la función trabajo (la energía mínima para extraer un electrón) de cada faceta o plano cristalino expuesto. La cámara del FEM era de una simplicidad asombrosa: un matraz Erlenmeyer con un tapón sosteniendo la punta y con una sustancia fluorescente recubriendo su fondo.

En 1941, Müller descubrió un fenómeno crucial: la Evaporación por Campo. Al aplicar pulsos de voltaje positivo a la punta, los átomos de su superficie se ionizaban, siendo expulsados radialmente. Sin embargo, el número de iones era demasiado bajo para formar una imagen en la pantalla. La genialidad de Müller consistió en concebir una forma de «amplificar» esta señal atómica utilizando iones de un gas inerte para formar las imágenes. Así nació, en 1951, el Microscopio de Iones en Campo (Field Ion Microscope, FIM) ③. El FIM es conceptualmente similar al FEM, pero con una polaridad invertida: ahora se aplica un potencial positivo a la punta y se introduce en la cámara un gas noble (como helio o neón) a baja presión, el cual va a ser ionizado.

Los átomos del gas, polarizados por el intenso campo no uniforme, son atraídos hacia la punta. Allí son ionizados por efecto túnel, perdiendo un electrón que pasa a la punta. Para fijar en su sitio los átomos de la muestra, evitar la difusión superficial y permitir el acomodamiento de los átomos de gas inerte en su
superficie, es necesario enfriar la punta hasta temperaturas muy bajas. Gracias a la presencia del gas inerte o gas de imagen, el proceso de ionización ocurre de manera continua, y con una mayor probabilidad justo en torno a los átomos que sobresalen o bordean los planos cristalinos, donde el campo eléctrico es localmente mucho más intenso ④. Los iones positivos resultantes son entonces repelidos violentamente desde la punta, siguiendo las líneas de campo radiales hacia la pantalla.

El resultado es una imagen de altísima resolución que consiste en puntos brillantes, cada uno correspondiente a un átomo individual en la superficie de la punta ⑤. Fue en 1955, en la Universidad Estatal de Pensilvania (Penn State), con el uso de Helio gaseoso y enfriando la punta con Hidrógeno líquido, que Müller pudo finalmente tener el placer de “ver” directamente el arreglo de los átomos en la superficie de una punta de Tungsteno.

El FIM se convirtió, así, en el primer instrumento en producir imágenes directas de átomos individuales, mostrando sus posiciones superficiales en una punta metálica. Su alta resolución permitió distinguir estructuras y detalles superficiales tales como átomos adsorbidos, bordes de grano, vacancias y dislocaciones.

Dos años después, en 1957, Erwin Müller visitó Venezuela, invitado por Humberto Fernández-Morán (Director del IVNIC, predecesor del actual IVIC) portando consigo un sencillo FIM. Allí enseñó a Fernández-Morán a elaborar puntas mediante ataque electroquímico y a operar este novedoso microscopio. Enfriando una punta de Tungsteno con Helio que ellos mismos licuaron en el Instituto, lograron obtener imágenes con nítida resolución atómica  ⑥. Según Fernández-Morán, sus extraordinarias habilidades experimentales y su virtuosismo al elaborar los filamentos puntiagudos eran inspiradores y dignos de admirar, siendo así como él aprendió a fabricar filamentos puntiagudos de tungsteno, los cuales jugarían un rol importante en la microscopía electrónica de alta resolución.

En la década de 1970 algunos investigadores venezolanos iniciaron su formación en Física de Superficies con el uso del FIM. El Prof. Joaquín Lira-Olivares (Universidad Simón Bolívar) lo utilizó en Berkeley para desarrollar su tesis doctoral sobre aleaciones ordenadas de Níquel-Tungsteno ⑦. El Prof. Rodrigo Casanova (Universidad de Los Andes), en su tesis doctoral realizada en Penn State, empleó el FIM para estudiar átomos de Silicio depositados sobre Tungsteno ⑧. Durante mis estudios doctorales en el
Imperial College de la Universidad de Londres, conocí de cerca el uso que le daba mi condiscípulo y buen amigo el Prof. Vinod Dhanak (Universidad de Liverpool) para seguir la difusión de metales de transición sobre superficies de Tungsteno y de Molibdeno, “viendo” cómo átomos individuales del adsorbato
saltan de un sitio a otro en la superficie del sustrato.

Gracias al ingenio de Erwin Müller logré apreciar la belleza de conjugar lo simple con lo potente: podemos “ver” átomos individuales con un microscopio construido a partir de un matraz Erlenmeyer y de una fina punta metálica ⑨.