La Historia y Evolución del Microscopio Electrónico Comercial: De la Teoría a la Nanotecnología

La capacidad de observar objetos pequeños más allá de la resolución del ojo humano, que es de aproximadamente 1 mm, ha sido siempre uno de los mayores desafíos para la humanidad. En este contexto, el microscopio electrónico, tanto el de transmisión (TEM) como el de barrido (SEM), ha demostrado ser una herramienta fundamental. Un concepto crucial en la microscopía es la resolución, definida como la distancia mínima observable con un instrumento óptico. Esta depende de factores como la longitud de onda de la fuente de iluminación y los defectos de las lentes, incluyendo aberraciones esféricas, cromáticas y astigmatismo. Una menor longitud de onda y la reducción de defectos en las lentes mejoran la resolución. Actualmente, la resolución del SEM ha alcanzado 1 nm, mientras que la del TEM ha logrado valores inferiores a 0.1 nm.

Orígenes y Principios del Microscopio

La frase "Hasta no ver, no creer", atribuida a Santo Tomás, subraya la importancia de la visión en el desarrollo del conocimiento. El microscopio de luz fue inventado en 1595 por el fabricante de lentes holandés Zacharias Janssen, aunque su paternidad se disputa con el italiano Galileo Galilei. En 1665, Robert Hooke publicó "Micrographia", donde presentó sus observaciones microscópicas. En 1742, el inglés John Cuff diseñó un microscopio compuesto, popularizado por Henry Baker en su libro "The microscope made easy". Ernst Abbe, una figura central en el desarrollo de la microscopía de luz, señaló en 1897 que se había alcanzado la resolución máxima de este tipo de microscopio (décimas de micra), utilizando luz con longitudes de onda de aproximadamente 500 nm.

El siglo XX marcó el límite teórico para los microscopios ópticos, no logrando aumentos superiores a 500X y 1000X. La ciencia necesitaba herramientas para observar detalles de estructuras celulares como el núcleo y las mitocondrias, que habían sido descubiertas siglos atrás.

En 1895, Wilhelm Conrad Röntgen descubrió los rayos X. Poco después, en 1897, Joseph John Thomson descubrió los electrones, partículas cargadas negativamente, que giran alrededor del núcleo. Estas partículas tendrían un papel decisivo en el desarrollo de un nuevo tipo de microscopio.

Joseph John Thomson, descubridor del electrón.

La Hipótesis de De Broglie y las Lentes Electromagnéticas

En 1924, Louis de Broglie revolucionó la física al enunciar el carácter ondulatorio de los electrones, asignándoles longitudes de onda según su velocidad. Por ejemplo, en un microscopio electrónico de 100 kV, la longitud de onda de los electrones es de 0.0037 nm. Esta hipótesis fue fundamental para la construcción del microscopio electrónico. Basado en las ideas de De Broglie, Hans Busch indicó en 1929 la posibilidad de enfocar un haz de electrones con campos electromagnéticos (bobinas), de manera similar a cómo las lentes de vidrio enfocan la luz. Este aporte fue crucial.

Louis de Broglie, autor de la hipótesis sobre la dualidad onda-partícula.

El Nacimiento del Microscopio Electrónico de Transmisión (TEM)

Considerando que los electrones en movimiento poseen una longitud de onda más pequeña que la luz, ofreciendo una resolución superior, Ernst Ruska, bajo la tutela de Max Knoll, construyó en 1931 un microscopio que utilizaba un haz de electrones acelerados como fuente de iluminación.

Ernst Ruska (derecha) y Max Knoll, constructores del prototipo del TEM en 1931.

En 1933, la compañía Siemens presentó el prototipo del TEM de Ruska. En 1938, Ruska, junto con Bodo von Borries, reportó una resolución de 10 nm, superando con creces la del microscopio de luz. Este microscopio incorporaba un recipiente tipo "lavabo" para el enfriamiento por agua y fue el diseño que permitió la producción en serie de los primeros microscopios electrónicos, con un voltaje de aceleración de 70 kV y una resolución de 7 nm.

Bodo von Borries (1905-1956), colaborador de Ruska y Knoll, y fundador de la Federación Internacional de Sociedades de Microscopía Electrónica (IFSEM).

Primeros Microscopios Electrónicos Comerciales

El TEM de Ruska y Knoll comenzó a venderse en 1939. En 1940, James Miller de la Radio Corporation of America (RCA) construyó un microscopio electrónico bajo la supervisión de Vladimir K. Zworykin, quienes también inventaron el cinescopio de la televisión. La compañía inglesa Vickers Metropolitan produjo un prototipo mejorado del TEM, llamado EM1, y simultáneamente, la compañía Phillips presentó en Holanda un microscopio TEM comercial. Otros TEM fueron construidos en la Universidad de Toronto (Canadá) por Eli Franklin Burton, A. Prebus y James Miller, y en Estados Unidos por Cecil E. Hall. En Bruselas, Bélgica, Ladislaus L. Marton construyó un TEM y obtuvo la primera imagen de una bacteria.

Microscopio electrónico de sobremesa de RCA (1950).

El Desarrollo del Microscopio Electrónico de Barrido (SEM)

En 1937, Manfred von Ardenne introdujo un sistema de barrido en el diseño de un TEM, dando origen al microscopio electrónico de barrido-transmisión (STEM). Durante la Segunda Guerra Mundial, en 1942, Vladimir K. Zworykin, Charles William Oatley y sus colaboradores lograron un avance significativo en el desarrollo del SEM, obteniendo un prototipo del detector de electrones secundarios. A pesar de estos avances, la resolución del SEM se limitaba a 50 nm con un aumento de 8,000x.

Manfred von Ardenne, inventor del STEM.

En 1944, Manfred von Ardenne alcanzó una resolución de 1.5 nm en el STEM. En 1948, bajo la dirección de Charles Williams Oatley, Dennis McMullan desarrolló una fuente estable de alto voltaje para el filamento de electrones y lo introdujo en el tubo de rayos catódicos (TRC) como sistema de observación de las imágenes del SEM.

Dennis McMullan, figura clave en el desarrollo del SEM en la Universidad de Cambridge.

La Comercialización del SEM

Durante la década de 1960, varios fabricantes trabajaron en la comercialización del SEM. La compañía Cambridge Scientific Instruments lanzó el SEM MARK I STEREOSCAN en diciembre de 1965. Poco después, JEOL comercializó su primer SEM en enero de 1966. Estos fueron los primeros microscopios electrónicos de barrido comerciales.

El SEM MARK I STEREOSCAN, primer microscopio electrónico de barrido comercial, lanzado en 1965.

Avances Tecnológicos y Mejoras Continuas

A lo largo del siglo XX, la microscopía electrónica experimentó una serie de mejoras significativas:

• 1946: James Hiller obtuvo una resolución de 1 nm.
• 1951: Raimond Castaing inició el desarrollo de la espectroscopia por rayos X característicos (EDS), que convirtió el SEM en un instrumento analítico. Ese mismo año, James M. Lafferty descubrió que los cristales de LaB6 emitían una mayor densidad de electrones que los alambres de W.
• 1956: K. C. A. Smith introdujo el procesamiento no lineal de las señales, el barrido con doble deflexión del haz, la corrección electromagnética del astigmatismo y un sistema eficaz de centrado de las aperturas.
• 1969-1970: Alec N. Broers introdujo el filamento de LaB6, mejorando la emisión de electrones en comparación con los filamentos de Wolframio (W).
• 1980: El SEM alcanzó una resolución de 2 nm. Los sistemas de vacío del TEM mejoraron con bombas turbomoleculares, logrando una resolución de 0.2 nm. Se desarrollaron nuevas técnicas como la difracción electrónica de haz convergente (CBED) y mejoras en el STEM.
• 1981: Heinrich Roher y Gerd Binnig inventaron el microscopio de barrido de tunelaje (STM), revelando la topografía de superficies a nivel atómico.
• 1985: Carl Zeiss introdujo el primer SEM con barrido controlado digitalmente.
• 1986: Binnig, Quate y Gerber inventaron el microscopio de fuerza atómica (AFM). Binnig, Roher y Ruska recibieron el Premio Nobel.
• Finales de los 80s y principios de los 90s: Philips (luego FEI) desarrolló la diferenciación del vacío entre el cañón/columna y la cámara de muestras, eliminando la necesidad de alto vacío constante para la muestra.
• 1990: JEOL presentó el microscopio JEM-1210, completamente operado por software.
• 1992: Surgieron los microscopios de "segunda generación" o "G2", controlados por computadoras personales.
• 1995: Ondrej Krivanek desarrolló el filtro de energía (prismas electrónicos), usados como monocromadores y selectores de energía en EELS.
• Años recientes: Surgimiento de la microscopía remota controlada vía Internet. Desarrollo de detectores para dispersión a alto ángulo (contraste Z) por Stephen J. Pennycook y colaboradores, alcanzando el STEM una resolución de 50 picómetros en 2010.

El uso de filamentos de emisión de campo ha permitido a los SEM alcanzar resoluciones por debajo de 2 nm y a los TEM por debajo de 0.1 nm.

La siguiente tabla resume los hitos clave en el desarrollo del microscopio electrónico:

Preparación de Muestras y Aplicaciones

El avance en las capacidades observacionales estuvo íntimamente ligado a las técnicas de preparación de muestras. Para el TEM, es necesario trabajar en alto vacío, deshidratar las muestras, cortar secciones muy finas y usar fijación química. La introducción del ultramicrotomo y los materiales de fijación plásticos a finales de los años cuarenta, y la fijación por congelación a partir de mediados de los sesenta, facilitaron la preparación de especímenes biológicos delicados.

Ejemplo de una muestra biológica (tardígrado) preparada para SEM, recubierta de metal.

Las preparaciones para el SEM son más sencillas. Los especímenes biológicos se convierten en conductores recubriéndolos de metal, mientras que otras muestras pueden investigarse directamente sin preparación previa. La investigación con microscopios electrónicos ha abierto una ventana a un mundo microscópico desconocido, desde la biofísica de los virus hasta la morfología de los polímeros y la caracterización de materiales en la tecnología de semiconductores.

La Microscopía Electrónica en México

La microscopía electrónica en México se inició en 1946 con la fundación del Laboratorio de Microscopía Electrónica en la Escuela Nacional de Ciencias Biológicas del IPN. El primer microscopio electrónico en México fue un SEM de la marca RCA, modelo I-MC-1, con 30 kV de aceleración, una resolución de 5 nm y amplificaciones de hasta 5,000x. Con este equipo, Antonio González Ochoa y Gerardo Varela, considerados los primeros microscopistas electrónicos en el país, estudiaron agentes microbiológicos.

En 1949, Nicolás Aguilera Herrera presentó la primera tesis de licenciatura realizada en México utilizando la microscopía electrónica, titulada "Estudio de arcillas y suelos de México usando microscopía electrónica". En este trabajo, Aguilera y el físico Efrén Fierro utilizaron el microscopio SEM para el estudio de arcillas, marcando el inicio de la investigación en microscopía electrónica aplicada a los suelos de México y Latinoamérica. Por esta razón, el maestro Aguilera es considerado el pionero en esta aplicación en México.