Viendo átomos y moléculas

Soy consciente de que, para gente sin una formación científica algo consistente, explicar las propiedades de la materia en términos de átomos y moléculas es casi como hablar del sexo de los ángeles. El grado máximo de comprensión al respecto no suele ir más allá de “cosas pequeñas que se mueven”. Algún amigo tengo (cuyo nombre no mencionaré) que en cuanto ve una foto obtenida con un microscopio, identifica cualquier cosa que allí aparezca con “moléculas”. Si le digo que, por ejemplo, lo que está viendo es una gota de agua con un poco de polvo ambiental y que en esa gota de agua (0.05 ml) hay 30000000000000000000000 moléculas de agua, la cosa entra ya en el reino de la magia, porque ¿dónde están las jodidas moléculas?.

Sospecho que la razón de mucha de la incomprensión que sufrimos los científicos en nuestra actividad cotidiana radica en que nuestros elementos fundamentales (átomos y moléculas) son tan intangibles como los sellos de Fórum Filatélico. Y, además, no se ven. Y todo lo que un humano no ve adquiere enseguida un aureola de fantasía que puede, casi inexorablemente, deslizarse hacia los dominios de la magia o la religión. Y eso es, y ha sido, aplicable a lo grande y a lo pequeño.

El Universo empezó a entenderse con los telescopios que comenzaron a aumentar la imagen que nuestros ojos tenían de él, permitiendo escudriñar cada vez más lejos, resolver cada vez mejor la forma y movimiento de las estrellas y acabar así concluyendo (¡anda que no les costó a Kepler, Galileo y otros!) que la idea mística de la Tierra como centro del Universo se caía por si sola al pozo de las mentiras religiosas.

La contrapartida a los telescopios la han proporcionado los microscopios. En la entrada sobre la síntesis de Wöhler de la urea (23 de abril) ya mencionaba que la reacción de los partidarios del “toque divino” en todo lo producido por los seres vivos ante la síntesis de productos “orgánicos” fue desviar su atención hacia los primeros descubrimientos sobre lo complejo que era lo pequeño (por ejemplo, un preparado de un tejido biológico), como forma de seguir manteniendo la imposibilidad de los científicos de resolver los enigmas de la vida.

Nuestro microscopio primario, nuestro ojo y su retina, tiene serias limitaciones para ver cosas pequeñas. Os podría pormenorizar aquí un sencillo cálculo basado en mis limitados conocimientos de óptica, pero vamos a irnos directamente al resultado. Un ojo humano normal, sin ayuda de antiparras, tiene un límite de resolución espacial en torno a 75 micras o, lo que es igual, 0.075 milímetros. Ir bastante más allá requiere de ayuda instrumental como la que proporcionan los microscopios. Otro cálculo sencillo permite deducir que, aproximadamente, una molécula de agua mide 0.3 nanometros, que es lo mismo que 0.0000003 milímetros, es decir, la molécula de agua es 250.000 veces más pequeña que lo que nosotros podemos apreciar mínimamente con nuestra retina.

Llegar hasta los límites de ver átomos y moléculas ha requerido todo un gigantesco esfuerzo cooperativo de muchos científicos, gracias a los que hoy podemos ver esas entidades.

Los microscopios se empezaron a desarrollar en el siglo XVII y, en los comienzos, eran en realidad lupas de una sola lente que, aunque con dificultades, empezaron a revelar la existencia de complejas estructuras en los tejidos, la existencia de pequeños insectos y microorganismos, etc. El avance sustancial se produjo con la introducción de lo que hoy conocemos como microscopios ópticos, un conjunto de dos lentes (ocular y objetivo) que ya permitían magnificaciones mayores y que contribuyeron al sostenido crecimiento de la fisiología, la botánica y otras ciencias en el siglo XIX. Como ya puso de manifiesto Abbé en 1873 la resolución de estos microscopios no puede ir más allá de la mitad de la longitud de onda empleada. Tomando la longitud media de la luz visible eso implica una resolución en torno a 0.3 micras, 250 veces la resolución del ojo humano.

La marea de física cuántica que se produjo en las primeras dos décadas del siglo XX fue fundamental para entender que, en lugar de luz, podían usarse flujos de electrones como radiación electromagnética similar a la luz para ver cosas más pequeñas. Ello hizo que en los primeros cincuenta años de ese siglo se desarrollaran toda una serie de microscopios electrónicos, con resoluciones en torno a unos pocos nanometros, lo que permitía ver estructuras poco complejas, pero no átomos.

Pero ahora hace algo más de 50 años, el 11 de octubre de 1955, un grupo de investigadores de la Pennsylvania State University, dirigido por Erwin E. Müller, utilizando una técnica conocida como FIM (Field Ion Microscopy) fue capaz de obtener una fotografía en la que se llegaban a distinguir átomos de wolframio (o tungsteno), un elemento en el que los hermanos Elhuyar y el Real Seminario de Bergara tienen algo que ver.

Posteriormente, otras técnicas como la microscopía electrónica (STEM) o la microscopía de efecto túnel (STM), a la que Pedro Etxenike ha realizado contribuciones fundamentales, han conseguido resoluciones atómicas similares a las de la FIM y, de hecho, han superado a ésta en sus implantaciones comerciales. Pero la primera foto de Müller y sus colegas quedó como un hito en la historia de visualizar los componentes esenciales de la materia. Todo el mundo pensaba que Müller se merecía el Nobel pero murió en 1977 sin conseguirlo. En 1986 el Premio Nobel de Física lo compartieron Ernest Ruska por el diseño del primer microscopio electrónico y Gerd Binning y Heinrich Rohrer por su trabajo sobre el microscopio de efecto túnel. No tengo conocimientos para poner objeción alguna a esa nominación y, además, Rohrer es un tipo que me cae bien, amante confeso de Donosti y con el que este setiembre pasado he compartido cervezas durante el Congreso sobre el Annus Mirabilis de Einstein. Pero, probablemente, Müller será uno más de los que se quedan en la cuneta de esa difícil carrera hacia el Nobel.