From London to Morse via Binnig, Quate, and Gerber

Imagina un mundo donde puedes ver y tocar átomos individuales, los diminutos bloques de construcción que conforman todo lo que nos rodea. Durante décadas, los científicos han utilizado un tipo especial de microscopio llamado microscopio de fuerza atómica para hacer precisamente eso. En lugar de utilizar la luz, que es demasiado grande para ver los átomos, este instrumento utiliza una aguja tan afilada que termina en un solo átomo. Mientras esta aguja sobrevuela una superficie, siente las fuerzas invisibles que atraen o empujan entre sí y los átomos que hay debajo. Estas fuerzas varían desde los tirones muy débiles y suaves que mantienen unido el polvo, hasta los enlaces increíblemente fuertes que mantienen unidas las moléculas. La gran pregunta para los investigadores siempre ha sido: ¿es esta aguja un observador pasivo que registra silenciosamente lo que hay, o es un participante activo que cambia lo que ve?

Un equipo de investigadores de la Universidad de Nottingham y otras instituciones ha pasado veinte años respondiendo a esta pregunta. Han realizado un viaje a través de los diferentes tipos de fuerzas que existen a escala atómica, comenzando por las más débiles y avanzando hacia las más fuertes. Su trabajo demuestra que la aguja nunca es solo un observante pasivo; siempre está interactuando con la superficie, a veces suavemente y otras tan fuertemente que mueve los átomos. Al comprender exactamente cómo se comporta la aguja, han aprendido a construir estructuras diminutas átomo por átomo, y ahora están enseñando a las computadoras a ayudarlos a hacerlo aún mejor.

La historia comienza con las fuerzas más débiles, el tipo de fuerzas que mantienen unidas las nanopartículas en una capa delgada sobre una superficie. Los investigadores observaron una película de diminutas partículas de oro, cada una de unos dos nanómetros de ancho, situadas sobre una superficie de silicio. Cuando escanearon esta superficie con su aguja atómica, algo sorprendente sucedió. Las partículas, que inicialmente estaban dispersas en un patrón desordenado y laberíntico, comenzaron a reorganizarse en montones más grandes y suaves. Esto no ocurrió debido al calor o al envejecimiento natural; ocurrió porque la propia aguja estaba empujando y tirando de las partículas mientras escaneaba de un lado a otro. La aguja actuó como una fuente de energía local diminuta, dando pequeños empujones a las partículas hasta que encontraron una disposición más estable. Este proceso, llamado engrosamiento, mostró que incluso el toque más suave del microscopio podía remodelar una superficie, demostando que la herramienta misma estaba impulsando el cambio.

Subiendo en la escala de fuerza, el equipo observó cómo interactúan entre sí dos moléculas individuales con forma de balón de fútbol, conocidas como fullerenos. Lograron recoger una de estas moléculas y pegarla a la punta de su aguja. Luego, acercaron esa punta a otro fullereno situado en la superficie. Al medir la fuerza entre ellos, mapearon exactamente cómo las dos moléculas se atraían y se repelían. Descubrieron que la forma en que las moléculas estaban orientadas entre sí importaba enormemente. Aunque la fuerza general era de atracción, la forma específica de las moléculas significaba que las fuerzas repulsivas entre sus átomos eran lo que realmente determinaba cómo se asentaban juntas. Este mapeo detallado mostró que la interacción era mucho más compleja que una simple atracción; era un delicado equilibrio de fuerzas que dependía enteramente de cómo estaban giradas las moléculas.

Los investigadores dirigieron entonces su atención a un tipo común de conexión química llamada enlace de hidrógeno, que es crucial para mantener unidas muchas moléculas biológicas. En el pasado, los científicos habían afirmado ver estos enlaces directamente en las imágenes del microscopio como líneas brillantes que conectan las moléculas. Sin embargo, el equipo de Nottingham descubrió que esas líneas brillantes eran a menudo ilusiones. Cuando escanearon una superficie donde las moléculas estaban unidas por enlaces de hidrógeno, vieron líneas brillantes exactamente donde deberían estar los enlaces. Pero cuando analizaron los datos cuidadosamente, se dieron cuenta de que estas líneas no eran los enlaces en sí. En su lugar, fueron causadas por la punta flexible del microscopio, que se doblaba ligeramente al moverse sobre la superficie, creando una imagen que parecía un enlace incluso cuando no había ninguno. Este descubrimiento fue una corrección importante para el campo, mostrando que lo que parece un enlace químico en una imagen de microscopio podría ser simplemente un artefacto del propio movimiento de la herramienta.

Para ir más allá de estas ilusiones, el equipo pasó a las fuerzas más fuertes de todas: los enlaces covalentes, que son los vínculos rígidos que mantienen unidos a los átomos en una estructura sólida. Se centraron en una superficie de silicio donde pares de átomos, llamados dímeros, estaban unidos pero podían girar de un lado a otro como un interruptor. Al presionar la aguja hacia abajo con la cantidad justa de fuerza, pudieron activar estos interruptores atómicos, cambiando la orientación de los átomos bajo demanda. Sin embargo, descubrieron que no podían activar un solo átomo de forma aislada; la acción siempre afectaba a sus vecinos. Esto les enseñó que el entorno local es crítico; los átomos están tan estrechamente conectados que cambiar uno inevitablemente cambia a los demás. Este nivel de control es esencial para construir futuros dispositivos a escala atómica, pero requiere una comprensión profunda de cómo reacciona todo el grupo de átomos ante la sonda.

El objetivo final de este trabajo es construir estructuras desde abajo hacia arriba, colocando átomos uno por uno para crear nuevos materiales. El equipo demostró esto recogiendo átomos de cobre individuales de una superficie y depositándolos en un patrón específico. Aprendieron que no podían simplemente empujar los átomos hacia los lados; a veces tenían que levantarlos de la superficie y dejarlos caer en un nuevo lugar. Esta manipulación vertical les permitió construir cúmulos de átomos que no podrían haberse formado mediante deslizamientos laterales. Por ejemplo, lograron crear un cúmulo triangular apretado de tres átomos de cobre, una forma que era imposible de formar usando solo movimientos laterales. Esta capacidad de mover los átomos hacia arriba y hacia abajo, así como de lado a lado, abrió nuevas formas de construir formas tridimensionales complejas a nivel atómico.

A lo largo de todos estos experimentos, los investigadores se dieron cuenta de que la forma de su aguja era la variable más importante. Una punta perfecta de un solo átomo es un ideal que rara vez existe en la realidad. Las puntas de sus microscopios eran a menudo desordenadas, con múltiples átomos sobresaliendo, lo que cambiaba cómo interactuaban con la superficie. A veces, este desorden ayudaba a ver cosas que no se veían con una punta perfecta, pero otras veces creaba imágenes confusas. Para resolver esto, comenzaron a utilizar inteligencia artificial para ayudarlos. Entrenaron programas informáticos para reconocer la forma de la punta y decidir la mejor manera de moverla. Estos programas podían aprender de miles de intentos para encontrar la secuencia perfecta de movimientos para recoger y colocar átomos, automatizando efectivamente el proceso de construcción con materia.

El trabajo de este equipo resalta una verdad fundamental sobre mirar el mundo atómico: la herramienta que utilizas es parte del experimento. No puedes simplemente observar los átomos; siempre estás interactando con ellos. Ya sea empujando suavemente una partícula, activando un interruptor o construyendo una nueva estructura, el microscopio es un participante activo. Al comprender los límites y las capacidades de sus herramientas, y al usar computadoras inteligentes para guiarlos, estos científicos se acercan a un futuro donde podremos diseñar y construir materiales átomo por átomo, creando cosas que nunca antes han existido.