Con sede en Chicago, Estados Unidos, la empresa RHK Technology, que se especializa en la fabricación de microscopios de efecto túnel, destinados a la obtención de imágenes atómicas, aprovechó la conferencia de la American Physical Society, celebrada en marzo de este año en ese país, para lanzar al mercado mundial un nuevo microscopio dotado de un sistema que permite captar señales de luminiscencia. Este dispositivo capta la luz dentro del microscopio con una eficiencia más de tres veces superior a la de los modelos anteriores. Lo curioso es que esta innovación no fue diseñada en los laboratorios de la compañía, sino a unos 8.300 kilómetros de distancia, en el Instituto de Física Gleb Wataghin, de la Universidad de Campinas (IFGW-Unicamp), en Brasil.
El desarrollo del sistema estuvo a cargo del físico Luiz Fernando Zagonel, docente del IFGW, en colaboración con los investigadores Ricardo Javier Peña Román e Yves Maia Auad, ambos realizando sus respectivos doctorados en la Unicamp y en la Universidad París-Saclay, en Francia. Por la innovación, cuya licencia ya ha sido negociada, y con el producto lanzado al mercado, el equipo se hizo acreedor este año al Premio Inventores que concede la Unicamp, en la categoría Tecnología Asimilada por el Mercado.
“Esta nueva tecnología añadió una capacidad crucial para una parte de nuestros clientes, que consiste en estudiar la emisión de luz de la muestra y sus características electrónicas y topográficas”, le dijo Adam Kollin, fundador y presidente de RHK Technology a Pesquisa FAPESP. “La función pudo incorporarse a un producto nuestro ya existente con un nivel de modificación sencillo, lo que hizo muy fácil ofrecérselo a la comunidad científica”. El nuevo dispositivo salió al mercado con la marca PanScan Lumin-SLT.
El proyecto, financiado por la FAPESP a través del Programa Joven Investigador, surgió de una necesidad identificada por Zagonel cuando este cumplía una pasantía de investigación posdoctoral en la Universidad de París-Sur (ahora llamada París-Saclay), entre 2008 y 2010. Por entonces, él estaba estudiando nanohilos semiconductores y se le dificultaba encontrar un microscopio que cubriera los requerimientos de su investigación. En contacto con varias empresas del segmento, recibió ofertas de dispositivos con capacidad de captación de luz limitada a una pequeña fracción de la luminosidad emitida por la muestra, del 2 % al 5 %, algo que lo dejó insatisfecho como cliente e incitado como científico.
Léo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESPMicroscopio de efecto túnel del IFGW de la UnicampLéo Ramos Chaves / Revista Pesquisa FAPESP
A partir de ahí, transformó su necesidad en un reto tecnológico. “Durante los dos años que pasé en Francia, identifiqué y resolví varios problemas. Publicamos artículos y depositamos solicitudes de patentes”, recuerda el investigador. En 2015, ya de regreso en Brasil, el proyecto de investigación aprobado por la FAPESP dio como resultado la creación de un dispositivo con capacidad de captación de luz de hasta un 72 %. El sistema consta de tres componentes: una pequeña mesa óptica que se conecta a un microscopio de efecto túnel, un manipulador que puede desplazarse en tres direcciones, y un espejo parabólico.
Para tener una idea más clara de lo que significan estos porcentajes hay que entender cómo funciona un microscopio de efecto túnel, conocido por sus siglas en inglés STM (Scanning Tunneling Microscope). Para poder obtener imágenes con resolución atómica, estos aparatos aprovechan el fenómeno cuántico de la corriente de tunelización, que permite el paso de una corriente de electrones entre dos superficies extremadamente cercanas, dispuestas a una distancia del orden de 1 nanómetro, una milmillonésima parte de un metro. En esas situaciones, se produce un desplazamiento de electrones entre la punta metálica del dispositivo y la muestra observada, generando una transferencia de energía hacia la muestra, que emite luz al ser captada por el microscopio.
“El problema, por lo tanto, radica en cómo analizar y registrar la luz emitida en forma compatible con un STM dispuesto en un ambiente de ultravacío que pueda operar a bajas temperaturas, el equipo para el cual está pensado el dispositivo”, explica Zagonel. Para aclarar este desafío el investigador recurre a una comparación. “Imaginemos el faro de un automóvil. Hay una fuente luminosa y un reflector que procura captar gran parte de la luz generada y enfocarla hacia adelante. Sin el reflector, la luz se dispersaría en todas direcciones sin iluminar la carretera en forma adecuada. En el interior del microscopio sucede lo mismo. Hay una fuente de luz muy débil, que es la muestra. Necesitamos contar con una manera de captar la mayor cantidad de luz posible y dirigirla hacia adelante para poder registrarla”.
Entre los equipos disponibles hasta ahora en el mercado, explica el físico, los más empleados estaban dotados solamente de fibras ópticas o de lentes, y por eso captaban un pequeño porcentaje de la luz emitida por la muestra. El dispositivo ideado por los científicos de la Unicamp echa mano de otro recurso para lograr su objetivo: un espejo reflector parabólico en miniatura. Al obtener un mejor rendimiento en la recolección de luz, pueden obtenerse más detalles de la luz emitida por el objeto que se examina, lo que permite realizar investigaciones más exhaustivas y con mayor abundancia de detalles sobre materiales de interés científico e importancia económica, tales como semiconductores, nanoestructuras metálicas y otros materiales nanoestructurados.
“Nos planteamos como meta una nueva solución tecnológica. Los sistemas convencionales, con fibra óptica, son de baja eficiencia, de hasta un 5 %. Con el uso de lentes, la eficiencia puede incrementarse hasta valores de entre un 10 % y un 20 %, que sigue siendo poco. Para superar la barrera del 50 % es necesario utilizar reflectores parabólicos o elipsoidales. La eficacia de la recolección de luz es más alta, pero la alineación del espejo es un problema difícil de resolver”, explica Zagonel. “Nuestra estrategia consistió en asociar el espejo reflector parabólico con el manipulador de tres ejes de alta precisión. Este conjunto permite alinear el espejo para que realmente funcione”.
