Los tres investigadores se enfrentaron a un problema que obstaculizaba el desarrollo de la nanotecnología y que era considerado en gran medida irresoluble: la baja resolución de la microscopía electrónica. De hecho, mientras agencias estatales decidían dejar de financiar esta línea de investigación, los ganadores formaron un equipo con el objetivo de encontrar una solución. En menos de una década no solo tenían una respuesta teórica, sino también un prototipo de microscopio.

Su técnica es la única que permite explorar la materia en la escala del picómetro, el equivalente a una centésima del diámetro de un átomo de hidrógeno –la billonésima parte de un metro–. Se puede ver así cómo se mueve cada átomo, y cómo interacciona con los demás con una nitidez nunca alcanzada antes.

La candidatura ha sido presentada por Achim Bachem, presidente del Centro de Investigación Jülich y vicepresidente de la Asociación Helmholtz de Centros Nacionales de Investigación de Alemania. Según el nominador, la contribución de los galardonados “llega en un momento en el que el desarrollo de las nanociencias, en particular las derivadas de la física y la química, demandan instrumentos de alta resolución para investigación, síntesis y validación de tecnologías”.

Ver átomos para predecir propiedades

El microscopio de Haider, Rose y Urban permite cumplir una antigua aspiración de los físicos: a partir de la imagen de los átomos, relacionar qué comportamiento se corresponde con una determinada propiedad, como pueden ser la conductividad o la dureza. De esta forma, basta emular ese modelo de comportamiento para lograr dicha propiedad. Así se facilita enormemente el diseño de materiales con propiedades a medida y se multiplican las posibles aplicaciones, ya sea en electrónica o en biomedicina.

Como señala el acta del jurado, la microscopía electrónica de transmisión con corrección de aberración –el nombre de la técnica de Haider, Rose y Urban– “es hoy clave en muchas áreas de la ciencia aplicada y fundamental”. Con ella es posible “estudiar las consecuencias de los sutiles cambios atómicos de las propiedades de los materiales y la dinámica de las interacciones en posiciones atómicas específicas”. Entre otros campos, se está utilizando para la investigación de materiales como el grafeno, de nuevas técnicas para la miniaturización de chips y en biología molecular.

Una muestra de la importancia de este desarrollo es la rapidez con que ha sido acogido por la comunidad científica. Haider, Rose y Urban obtuvieron financiación para su trabajo en 1991 y terminaron su prototipo en 1997. En 1998 publicaron las primeras imágenes en la revista Nature y en 2001 lo presentaron públicamente durante un encuentro científico en San Francisco. En 2003 ya estaban en los laboratorios los primeros microscopios comerciales. Hoy hay ya varios cientos en todo el mundo –dos de ellos en España–, a pesar de que su precio puede alcanzar los 400 millones de euros.

En el acta se destaca la tenacidad de los galardonados: “Hace poco más de dos décadas la resolución de los microscopios electrónicos utilizados para explorar materiales (…) parecía haber alcanzado un límite infranqueable y, tras perder la esperanza, la atención de la comunidad se centró en otros aspectos. La perseverancia de Maximilian Haider, Harald Rose y Knut Urban durante la siguiente década dio lugar a la comprensión, el desarrollo y la puesta en marcha de técnicas de corrección de la aberración en la óptica electrónica”.

La forma de trabajar de los galardonados, en equipo, también se resalta en el acta. Rose es autor del trabajo teórico que solucionaba el problema de base, relacionado con la distorsión de la imagen que provoca la propia lente –un fenómeno llamado aberración esférica–; Haider construyó un prototipo de microscopio electrónico de transmisión con aberración corregida; y Urban lo convirtió en una plataforma de trabajo útil en ciencia de materiales.

“Una gran sorpresa”

Los tres galardonados se mostraron ayer por teléfono agradecidos y sorprendidos. ”Me siento muy feliz. Realmente no pensaba que nos lo fueran a dar”, dijo Haider, destacando la importancia de conocer la estructura atómica de los materiales para poder mejorarlos y crear, por ejemplo, “chips de memoria para los teléfonos móviles”.

Según Haider las ventajas de la técnica desarrollada por estos tres investigadores frente a la microscopía de efecto túnel –que, aunque con menor resolución, también llega a escala atómica– es que mientras “la microscopía de efecto túnel permite ver los átomos, sólo lo consigue en la superficie de las muestras, nosotros vemos a través del material. Podemos ver las posiciones de los átomos, podemos medirlas con una precisión de unos 50 picómetros. Eso te permite ver cómo los materiales interaccionan entre sí a escala atómica, y deducir las propiedades macroscópicas del material a partir de sus características microscópicas”. Los nuevos microscopios electrónicos también son útiles en biología –muestran, por ejemplo, virus–. Frente a los microscopios electrónicos convencionales, tienen la ventaja de que son menos agresivos con las muestras biológicas.

Sobre por qué decidieron enfrentarse a un reto al que muchos de sus colegas habían renunciado, tanto Haider como Urban dicen haber estado convencidos, en su día, de que el problema tenía solución. Los tres investigadores, de diferentes instituciones y con líneas de investigación distintas dentro de la ciencia de materiales, coincidieron en una conferencia en la que Rose había expuesto su trabajo teórico en 1989. “Tuve la idea para resolver la cuestión en cinco minutos, pero me costó veinte años llegar a esos cinco minutos”, recuerda Rose.

“Y era una idea muy buena”, cuenta Urban, que en la época tenía ya una reputación muy sólida. Los tres decidieron colaborar y pedir fondos públicos, sin saber que ya entonces Estados Unidos había renunciado a tratar de aumentar la resolución de la microscopía electrónica. Pero Rose, que se confiesa testarudo, estaba convencido de lograrlo porque “no hay ninguna ley física que lo impidiera”. Contrariados por el rechazo de sus propuestas, Haider, Rose y Urban acudieron a la Fundación Volkswagen, que –explica Urban– financia investigación “no necesariamente tan próxima a los desarrollos prácticos”.

Urban reconoce que fue un paso arriesgado en su carrera, dado lo difícil del reto; “¡Pero si no te arriesgas no descubres nada!”, dice. Y resalta la paradoja de que una investigación para la que costó encontrar fondos “ha generado muy rápidamente resultados industriales”. Él siempre declaró estar interesado solo en la ciencia, por lo que no figura en muchas de las patentes que protegen esta técnica, pero apoya “totalmente”  que una investigación básica redunde en desarrollos industriales. “Cuando empecé a trabajar con Rose y Haider todos los equipos que compraba en mi laboratorio venían de Japón. Los fabricantes europeos abandonaban el sector porque faltaban productos nuevos, faltaba innovación”.

Jurado internacional

El jurado de esta categoría ha sido presidido por Theodor W. Hänsch, director de la División de Espectroscopia Láser del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (Alemania) y premio Nobel de Física 2005; actuando como secretario Avelino Corma, profesor de investigación del Departamento de Catálisis del Instituto de Tecnología Química del CSIC-Universidad Politécnica de Valencia (España).

Los vocales han sido Ignacio Cirac, director de la División Teórica del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (Alemania); Trevor Hastie, catedrático John A. Overdeck de Ciencias Matemáticas en la Universidad de Stanford (EE. UU.); Nigel Hitchin, catedrático Savilian de Geometría de la Universidad de Oxford (Reino Unido); Martin Quack, catedrático de Química-Física en la Escuela Politécnica Federal (ETH) de Zúrich (Suiza); y Sandip Tiwari, catedrático Charles N. Mellowes de Ingeniería en la Universidad de Cornell (Estados Unidos).