Un nuevo microscopio inventado en la Universidad Estatal de Michigan permite a los científicos hacer zoom sobre los movimientos de los átomos y las moléculas.

Los microscopios electrónicos permiten a los científicos observar la  estructura de microorganismos, células, metales, cristales y otras  estructuras tan pequeñas que no eran visibles con microscopios de luz. Pero  mientras que estas imágenes han permitido a los científicos hacer  grandes descubrimientos, la relación entre la estructura y la función sólo podía ser estimada por imágenes estáticas.

En la década de 1990, los investigadores agregaron una cuarta dimensión,  el tiempo, mediante el uso de un láser para capturar imágenes de  moléculas gaseosas tal y como estaban reaccionando.

Ahora, Chong-Yu Ruan, profesor asociado en MSU de física y astronomía, ha  traído estas “películas moleculares” al nivel de nanoescala, donde las propiedades de los materiales comienzan a cambiar. Este trabajo tiene aplicaciones en las tecnologías nanoelectrónicas y en la industria de energía limpia.

El equipo de Ruan es uno de los pocos en el mundo en desarrollar  activamente la tecnología de la imagen basada en la electrónica a una  escala de tiempo de femtosegundos. Un femtosegundo es la millonésima parte de una mil millonésima de segundo, esto es una  escala de tiempo fundamental que tienen los átomos para realizar tareas  específicas, como la mediación del tráfico de cargas eléctricas o la participación en las reacciones químicas.

“La implementación de esta tecnología dentro de la configuración de un microscopio electrónico permite examinar funciones cruciales en estos dispositivos a nanoescala”, dijo Ruan. “El objetivo es explorar los límites que pueden producirse en las transformaciones físicas, químicas y biológicas específicas.”

Ruan y sus colaboradores presentaron una patente en el dispositivo, y también contempla que los componentes esenciales del dispositivo sean modulares, por lo que pueden ser añadidos a un microscopio electrónico ya existente, permitiendo a los científicos ampliar las capacidades de estos de dichos dispositivos sin necesidad de construir uno nuevo.

“Un microscopio electrónico cuesta de uno millón a 10 millones de dólares”, dijo Ruan. “Espero que nuestro dispositivo cueste menos de $500.000. Esto permitiría a los microscopios electrónicos actualizar su aumento de resolución por menos dinero que comprar uno nuevo.”

La investigación de Ruan se basa en el trabajo de Ahmed Zewail, del Instituto de Tecnología de California. Ruan  trabajó como investigador postdoctoral con Zewail, quien recibió el Premio Nobel de Química en 1999 al demostrar cómo se mueven los átomos de una molécula durante una reacción química.

Ruan está ampliando el trabajo a la cristalografía ultrarrápida de electrones, que permite mirar nanocristales, sus enlaces, y cómo se ven afectados por su superficie y el agua. También está desarrollando la habilitación de una radiofrecuencia de alto brillo en el microscopio electrónico.

En 2010, Ruan recibió una beca del Departamento de Energía de EE.UU. por establecer su laboratorio en la MSU. En  2011, él, Martin Berz y Phillip Duxbury, profesores de MSU de física  astronomía, junto con Martin Crimp, profesor de ingeniería química, lograron una subvención de la Fundación Nacional de Ciencia para comenzar a construir el dispositivo.

Ruan, Berz, Duxbury y Crimp son parte del comité organizador de la próxima Conferencia en diciembre, del 9 al 12, de “Femtosecond Electron Imaging and Spectroscopy“, que se centrará en el futuro de este campo de investigación.

– Imagen: El nuevo microscopio inventado en la Universidad Estatal de Michigan permite a los científicos hacer zoom sobre los movimientos de los átomos y las moléculas. Crédito: Michigan State University .

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