Los investigadores utilizan la microscopía electrónica para producir imágenes de alta resolución a escala atómica de todo, desde nanomateriales compuestos hasta proteínas individuales. La tecnología proporciona información invaluable sobre la textura, química, y estructura de estos materiales. La investigación de las últimas décadas se ha centrado en lograr resoluciones más altas:poder obtener imágenes de materiales en niveles progresivamente más finos con más sensibilidad y contraste. Pero, ¿qué le depara el futuro a la microscopía electrónica?

Andrew Minor es el director de instalaciones del Centro Nacional de Microscopía Electrónica en la Fundición Molecular de Berkeley Lab. Minor también es miembro de la División de Ciencias de los Materiales, y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley y es coautor de más de 190 publicaciones y ha recibido numerosos premios y distinciones por su trabajo. El grupo de investigación de Minor se centra en nuevos métodos que utilizan la microscopía electrónica para estudiar la estructura y los fenómenos a nanoescala de los materiales.

P. ¿El futuro de la microscopía electrónica consiste en lograr una resolución aún mayor o en mejorar otra faceta de la tecnología?

A. Históricamente, la resolución era lo que la gente estaba más interesada en impulsar, y eso sucedió durante los últimos 30 a 40 años con gran efecto. Los microscopios electrónicos ahora pueden alcanzar una resolución de medio angstrom. Eso es la mitad del ancho de un átomo de hidrógeno, y un átomo de hidrógeno es el átomo más pequeño que existe. No hay mucho que ver más allá de eso. Por lo tanto, la resolución espacial real ya no es un gran impulsor para la mayoría de las aplicaciones.

Sin embargo, la gran advertencia es que esta gran resolución solo está disponible cerca de la temperatura ambiente. Mucho de lo que nos interesa estudiar no es a temperatura ambiente, y existen grandes problemas para alcanzar ese tipo de resoluciones si vas a temperaturas muy bajas o muy altas. Mi sensación personal es que las mejoras tecnológicas más impactantes vendrán al extender la resolución que conocemos y amamos a temperatura ambiente a otros entornos.

P. ¿Qué permitiría la microscopía electrónica de alta resolución a temperaturas más bajas?

R. Una cosa que permitiría es obtener mejores imágenes de materiales sensibles al haz de electrones. Existe esta compensación inherente entre el hecho de que los electrones interactúan muy fuertemente con la materia, pero eso también significa que dañan muy fácilmente el asunto. Un metal o una cerámica pueden soportar muchos electrones, lo que llamamos una alta dosis de electrones en un experimento. Puede obtener imágenes muy nítidas porque puede enviar una gran cantidad de electrones y aumentar realmente su relación señal / ruido. En la comunidad biológica, o incluso con un material blando como un polímero, los propios electrones pueden y muy rápidamente causar daños a las estructuras. Esto limita su capacidad para obtener imágenes del material en un estado prístino o representativo.

Una forma en que el campo ha abordado esto es realizando microscopía de baja temperatura, los llamados cryoEM, donde está limitando ligeramente el daño al material porque las cosas están más congeladas en su lugar y el daño no evoluciona tan rápido. Pero cuando vas a bajas temperaturas, porque el resto de la columna del microscopio está caliente en comparación con la baja temperatura de la muestra, su muestra se mueve y cambia de posición. Y cuando tienes un gran aumento, las imágenes se vuelven borrosas. Por eso personalmente pienso, y aquí en Berkeley Lab pensamos, la solución a este problema inherente es enfriar todo el microscopio. Un gran concepto nuevo que estamos liderando aquí es el desarrollo de un microscopio de muy baja temperatura que podría llegar a un grado Kelvin. Existe una gran cantidad de materiales interesantes solo a esas bajas temperaturas.

P. ¿Qué tan avanzado está en el desarrollo de un microscopio frío y qué podría permitir a los investigadores hacer?

R. Comenzamos el diseño con el apoyo del Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio y contamos con el apoyo del Departamento de Energía a través de la Fundición Molecular para construir un prototipo de sistema de prueba de imán superconductor para confirmar algunos aspectos de nuestro diseño. También celebramos una reunión comunitaria en enero para analizar los diferentes impulsores científicos y pensar en lo que se podría hacer si tuviera esta hermosa resolución a bajas temperaturas para materiales novedosos. Aspectos completos de la física de la materia condensada y la física del estado sólido realmente solo existen a bajas temperaturas. El más obvio es la superconductividad:la mayoría de la gente sabe que los superconductores existen solo a bajas temperaturas. Los calientas demasiado y esa propiedad desaparece. Muchas propiedades son así en lo que se llama sistemas fuertemente correlacionados, o materiales cuánticos para abreviar. No hemos podido examinar con resolución atómica muchos de estos aspectos interesantes de los materiales cuánticos debido a los problemas inherentes de deriva y estabilidad en los microscopios disponibles ahora.

Otra capacidad podría ser diseñar nuevos materiales o mejorar los existentes. En la ciencia de los materiales nos interesa la correlación entre estructura y propiedades. Poder examinar que en la resolución fundamental del material, como átomos, es una parte fundamental de lo que implica el desarrollo de nuevos materiales.

P. ¿Cuáles podrían ser otras posibilidades?

R. Existen materiales exóticos en planetas lejanos a temperaturas frías. ¿Qué podemos aprender sobre el estudio de materiales que solo se forman a bajas temperaturas? El microscopio de baja temperatura también proporcionaría un entorno de alto vacío, lo que sería ideal para observar de cerca las superficies de materiales como partículas catalíticas. Otras cosas que serían de interés incluyen la ciencia básica de observar estructuras cuando están lentas y congeladas. Muchos procesos son muy rápidos a escala atómica, like ions going back and forth in a battery. It's so fast that usually we can't capture it. Going cold would be one way to try to slow down processes to examine materials dynamically that are too fast to capture at room temperature.

I'm a materials scientist, so I gave you a lot of materials applications. But more broadly, the field of electron microscopy is impacting other fields, such as the biological community, the earth sciences community, microelectronics, and drug discovery. Going to low temperatures is of interest in these fields because you'll get a better picture and better measurements and enable atomic resolution imaging in an environment that is important for many advanced technologies, like quantum computing.