Knut Urban nació en Stuttgart (Alemania) en 1941, en cuya universidad se licenció y doctoró en Física. Durante 14 años (1972-1986) dirigió el Grupo de Microscopía Electrónica de Alto Voltaje del Instituto Max Planck de Investigación en Metales. Hoy es catedrático de Física Experimental en la Universidad Tecnológica de Aquisgrán e investigador JARA, iniciativa conjunta de esta universidad y el Centro de Investigación Jülich. En el Jülich -uno de los mayores centros de investigación interdisciplinar de Europa- ha sido, asimismo, director del Instituto de Investigación en Estado Sólido y fundador del Centro Ernst Ruska de Microscopía y Espectroscopía con Electrones. Ha publicado 390 artículos científicos y obtenido ocho patentes.
Discurso
Ciencias Básicas VI edición
Ningún ser vivo puede ver los átomos a simple vista, y eso es sin duda útil para desenvolverse por la realidad a escala humana: ¿cómo ver los átomos de un escalón y a la vez no tropezar? Para el hombre tecnológico, sin embargo, los límites que impone el ojo biológico pueden ser una desventaja. Hoy se sabe que las propiedades de los materiales que configuran nuestra vida cotidiana —semiconductores, aislantes, biocompatibles, magnéticos, rígidos, ópticos…— dependen de lo que ocurre en la escala atómica. En cierto modo la tecnología nace en un ámbito al que nuestros sentidos no acceden, de ahí que hacer zoom en los materiales hasta llegar a visualizar los átomos sea una antigua aspiración. O lo haya sido; porque ahora ya es posible.
Harald Rose, Maximilian Haider y Knut Urban, creadores del dispositivo que permite al microscopio electrónico ver el tejido atómico de los materiales, son los ganadores del Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en Ciencias Básicas. La microscopía electrónica de transmisión con corrección de aberración, el nombre de la técnica de Haider, Rose y Urban, muestra la posición de cada átomo y su interacción con los demás.
Como señala el acta del jurado, esto es hoy clave «en muchas áreas de la ciencia aplicada y fundamental», porque permite «estudiar las consecuencias de los sutiles cambios atómicos en las propiedades de los materiales». La posibilidad de controlar estos cambios promete crear mejores catalizadores, células solares más eficaces, membranas para capturar CO2… La lista es posiblemente tan larga como la imaginación de investigadores e ingenieros. En términos de distancia, la unidad que entra en juego en la escala atómica es el picómetro: millonésimas de millonésimas de metro. Un átomo medio mide cien picómetros —mucho más pequeño que la longitud de onda, la anchura de la luz que detecta el ojo humano, que por tanto no lo ve—.
El microscopio electrónico con corrección de aberración percibe cambios en las posiciones de los átomos de apenas unos picómetros. Y si alguien duda de la importancia de un cambio así, baste saber que con desplazamientos atómicos de ese orden se graba la información en los pen-drive; los bits digitales en los lápices de memoria actuales son átomos de oxígeno que apenas se han movido. La historia de cómo Rose, Haider y Urban lograron «abrir la puerta al mundo atómico» —en expresión del propio Urban— tiene los ingredientes de una buena aventura: un viejo reto ante el que la comunidad científica estuvo a punto de rendirse, un artículo revolucionario que es rechazado por una revista importante, perseverancia y trabajo en equipo. El punto de partida es el problema mismo. Alcanzar la escala atómica en microscopía electrónica exigía corregir un fenómeno, denominado aberración esférica, que emborrona la imagen.
En los microscopios electrónicos la muestra se ilumina con un haz de electrones mucho más fino que la luz visible y por tanto capaz de detectar los átomos. Para solucionar la aberración esférica había que crear una lente correctora con campos magnéticos, que son los que enfocan a los electrones. Se intentaba sin éxito desde poco después de la invención del microscopio electrónico, en 1937. Harald Rose (Bremen, Alemania; 1935), físico teórico, se enfrentó a ese reto ya durante su tesis en el Instituto de Física Teórica de la Universidad Técnica de Darmstadt (Alemania), a finales de los años sesenta. Casi lo logra, pero su director de tesis, Otto Scherzer, murió en 1982 y el proyecto fue abandonado. Tan insalvables parecían los obstáculos, que a finales de los ochenta la agencia de investigación estadounidense dejó de financiar los proyectos que intentaban solventarlos.
El consiguiente efecto dominó frenó la investigación en todo el mundo… excepto en la mente de Rose. Justo en esa época él, que se define como «muy testarudo», dio con la solución mientras investigaba en otro proyecto. Se trataba de usar dos hexapolos, un tipo de imán no probado antes porque, aunque solucionaba la aberración esférica, generaba otras distorsiones. Conjeturó entonces que colocando dos hexapolos de forma simétrica se evitaban las distorsiones adicionales: «Estaba seguro de que funcionaría», cuenta Rose, para quien este ha sido el reto de su vida: «La idea para resolverlo la tuve en cinco minutos, pero me costó veinte años llegar a esos cinco minutos».
Haider (Freistadt, Austria; 1950) se formó originalmente como óptico, pero ya con 26 años decidió que le interesaba más la ciencia que hay detrás de esa profesión y se hizo físico. Se dedicaba a la microscopía con luz visible —microscopía óptica— hasta que contactó con Rose en Darmstadt. Él también estaba convencido de que «la idea de Rose para alcanzar la resolución atómica en la microscopía electrónica funcionaría, que era cuestión de conseguir financiación y perseverar». Lo de los fondos no fue fácil. Clausurado el grupo de Rose en Darmstadt, Haider se trasladó al prestigioso Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL) en Heidelberg, donde pese a ser nombrado en 1989 director del Grupo de Microscopía Electrónica no logró financiación para el proyecto de corregir la aberración.
Entra en escena entonces Knut Urban, experto en nuevos materiales. Su asiento en la reunión de la sociedad alemana de microscopía electrónica de 1989 estaba cerca del de Haider y Rose. «Ellos buscaban un colaborador con una reputación excelente en mi área, y para mí eso suponía el acceso al mundo atómico», cuenta Urban, convencido de que si en ciencia «no te arriesgas, no descubres nada». Resalta además dos factores para explicar cómo por fin, en 1991, consiguieron dinero: la triple configuración del grupo —un teórico, un experto en óptica electrónica y otro en nuevos materiales— y el haberse dirigido a la Fundación Volkswagen, que financia investigación «no necesariamente próxima a los desarrollos prácticos».
Las primeras imágenes con un microscopio electrónico con corrección de aberración se obtuvieron en 1997, y aunque en un primer momento la revista ‘Nature’ rechazó publicarlas —«Como ocurre a menudo en ciencia, los aspectos novedosos del trabajo no se reconocieron de forma inmediata», dice Urban—, en 1998 sí lo hizo y con enorme impacto. En 2003 ya estaban en los laboratorios los primeros microscopios comerciales con corrección de aberración. También en la etapa de comercialización han intervenido los galardonados, en cierto modo empujados por la necesidad. Durante el desarrollo del proyecto la dirección del EMBL cambió y el grupo de Haider fue clausurado: «Para seguir adelante nos vimos obligados a crear nuestra propia compañía», afirma.
