Observaciones realizadas han hecho posible crear imágenes tridimensionales de los átomos y de sus localizaciones
Un equipo de investigadores de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) ha conseguido, por vez primera, observar el interior de las estructuras más diminutas del mundo para crear imágenes tridimensionales de átomos individuales, así como de sus localizaciones. Todo ello ha sido posible gracias a un método desarrollado para medir, de manera directa, la estructura atómica de los nanomateriales. Por Yaiza Martínez.
En el interior de una nanopartícula de oro. Fuente: UCLA.
Un equipo de investigadores de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) ha conseguido, por vez primera, observar el interior de las estructuras más diminutas del mundo para crear imágenes tridimensionales de átomos individuales, así como de sus localizaciones. Todo ello ha sido posible gracias a un método desarrollado para medir, de manera directa, la estructura atómica de los nanomateriales.
Según explica uno de los autores del avance, el profesor de física e investigador del California NanoSystems Institute (CNSI) de la UCLA,Jianwei Miao, en un comunicado de dicha Universidad: “Este es el primer experimento en el que hemos podido ver directamente estructuras locales en tres dimensiones, a una escala de resolución atómica. Esto jamás se había hecho antes”.
Para lograrlo, Mio y sus colaboradores usaron un microscopio de transmisión electrónica de barrido (STEM), que utiliza haces de electrones para visualizar cualquier objeto. Con este instrumento, los científicos hicieron incidir un estrecho haz de electrones de alta energía sobre una fina nanopartícula de oro, de sólo 10 nanómetros de diámetro (casi 1.000 veces menor que un glóbulo rojo de la sangre).
La nanopartícula contenía decenas de miles de átomos de oro individuales, cada uno aproximadamente un millón de veces menor que el ancho de un cabello humano. Estos átomos interactuaron con los electrones procedentes del microscopio. La proyección de sombras resultante de dicha interacción fue lo que proporcionó información sobre la estructura interior de la nanopartícula, a un detector situado bajo el microscopio.
Miao y sus colaboradores descubrieron que tomando medidas por este mismo sistema a la nanopartícula, pero desde 69 ángulos distintos, podían combinar los datos recabados por cada sombra individual, y reconstruir con ellos el interior de la nanopartícula en 3D.
Aplicando así este método, conocido como tomografía electrónica y previamente usado para la visualización tridimensional de la arquitectura de las células, los científicos pudieron ver directamente a los átomos individuales, así como la manera en que éstos se posicionaban dentro de la nanopartícula de oro estudiada.
Según explica uno de los autores del avance, el profesor de física e investigador del California NanoSystems Institute (CNSI) de la UCLA,Jianwei Miao, en un comunicado de dicha Universidad: “Este es el primer experimento en el que hemos podido ver directamente estructuras locales en tres dimensiones, a una escala de resolución atómica. Esto jamás se había hecho antes”.
Para lograrlo, Mio y sus colaboradores usaron un microscopio de transmisión electrónica de barrido (STEM), que utiliza haces de electrones para visualizar cualquier objeto. Con este instrumento, los científicos hicieron incidir un estrecho haz de electrones de alta energía sobre una fina nanopartícula de oro, de sólo 10 nanómetros de diámetro (casi 1.000 veces menor que un glóbulo rojo de la sangre).
La nanopartícula contenía decenas de miles de átomos de oro individuales, cada uno aproximadamente un millón de veces menor que el ancho de un cabello humano. Estos átomos interactuaron con los electrones procedentes del microscopio. La proyección de sombras resultante de dicha interacción fue lo que proporcionó información sobre la estructura interior de la nanopartícula, a un detector situado bajo el microscopio.
Miao y sus colaboradores descubrieron que tomando medidas por este mismo sistema a la nanopartícula, pero desde 69 ángulos distintos, podían combinar los datos recabados por cada sombra individual, y reconstruir con ellos el interior de la nanopartícula en 3D.
Aplicando así este método, conocido como tomografía electrónica y previamente usado para la visualización tridimensional de la arquitectura de las células, los científicos pudieron ver directamente a los átomos individuales, así como la manera en que éstos se posicionaban dentro de la nanopartícula de oro estudiada.
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Superando a la cristalografía de rayos X
Actualmente, la técnica más usada para visualizar estructuras moleculares en 3D a resoluciones atómicas es la cristalografía de rayosX.
En esta técnica, los rayos X interactúan con los electrones de las muestras a analizar, lo que hace que los rayos se desvíen ligeramente. Como los patrones de desviación dependen de la densidad electrónica con la que los rayos X se encuentren, dichos patrones constituyen una fuente de información sobre la posición y el tipo de átomos con los que el haz de rayos X ha interactuado.
Pero, según los científicos de la UCLA, la cristalografía de rayos X implica la necesidad de medir muchas muestras casi idénticas, y de establecer la media de resultados. Además, requiere de trillones de moléculas, lo que ocasiona que parte de la información se pierda en el proceso.
“Es como promediar a toda la gente de la Tierra para hacerse una idea de la apariencia de los humanos. En ese caso, se perderían completamente las características únicas de cada individuo”, explica Miao.
Por último, la cristalografía de rayos X es una técnica muy potente para el estudio de estructuras de cristales perfectos (con átomos perfectamente alineados), pero la mayoría de las estructuras presentes en la naturaleza son no-cristalinas, es decir, presentan estructuras atómicas mucho menos ordenadas.
Más allá del cristal
Lo cierto es que, hasta la fecha, ningún experimento directo ha conseguido “ver” estructuras atómicas no-cristalinas en tres dimensiones. Sin embargo, llegar a hacerlo resulta importante porque incluso las variaciones más pequeñas en dichas estructuras pueden alterar las propiedades electrónicas de los materiales (por ejemplo, la capacidad para examinar de cerca el interior de un semiconductor podría revelar desperfectos escondidos que afectarían a su rendimiento).
A este respecto, Miao declara que “la resolución atómica en tres dimensiones de las estructuras no-cristalinas aún sigue siendo un importante problema sin solución de las ciencias físicas”.
El investigador y sus colaboradores tampoco han superado esta limitación, pero sí han demostrado que pueden reproducir una estructura no perfectamente cristalina, a una resolución de 2,4 angstroms (el angstrom equivale a una diezmillonésima de milímetro), siendo el tamaño medio de un átomo de oro de 2,8 angstroms.
De hecho, la nanopartícula de oro medida por los investigadores estaba compuesta de varios granos de cristal diferentes, cada uno de los cuales conformaba una pieza del puzle completo cuyos átomos estaban alineados en patrones sutilmente distintos. Según Miao, una nanoestructura con segmentos cristalinos ocultos y demarcaciones interiores no se comportará como una nanoestructura formada por un solo cristal continuo, pero otras técnicas han resultado incapaces de visualizar esto en tres dimensiones (hasta ahora).
Los investigadores también descubrieron que la nanopartícula estudiada tenía la forma de una gema polifacética, aunque ligeramente aplastada por un lado por estar apoyada sobre una plataforma plana del interior del microscopio (otro pequeño detalle que no habría tenido cabida en las medias realizadas con métodos más tradicionales). Todos estos resultados han aparecido detallados en la revista Nature.
Actualmente, la técnica más usada para visualizar estructuras moleculares en 3D a resoluciones atómicas es la cristalografía de rayosX.
En esta técnica, los rayos X interactúan con los electrones de las muestras a analizar, lo que hace que los rayos se desvíen ligeramente. Como los patrones de desviación dependen de la densidad electrónica con la que los rayos X se encuentren, dichos patrones constituyen una fuente de información sobre la posición y el tipo de átomos con los que el haz de rayos X ha interactuado.
Pero, según los científicos de la UCLA, la cristalografía de rayos X implica la necesidad de medir muchas muestras casi idénticas, y de establecer la media de resultados. Además, requiere de trillones de moléculas, lo que ocasiona que parte de la información se pierda en el proceso.
“Es como promediar a toda la gente de la Tierra para hacerse una idea de la apariencia de los humanos. En ese caso, se perderían completamente las características únicas de cada individuo”, explica Miao.
Por último, la cristalografía de rayos X es una técnica muy potente para el estudio de estructuras de cristales perfectos (con átomos perfectamente alineados), pero la mayoría de las estructuras presentes en la naturaleza son no-cristalinas, es decir, presentan estructuras atómicas mucho menos ordenadas.
Más allá del cristal
Lo cierto es que, hasta la fecha, ningún experimento directo ha conseguido “ver” estructuras atómicas no-cristalinas en tres dimensiones. Sin embargo, llegar a hacerlo resulta importante porque incluso las variaciones más pequeñas en dichas estructuras pueden alterar las propiedades electrónicas de los materiales (por ejemplo, la capacidad para examinar de cerca el interior de un semiconductor podría revelar desperfectos escondidos que afectarían a su rendimiento).
A este respecto, Miao declara que “la resolución atómica en tres dimensiones de las estructuras no-cristalinas aún sigue siendo un importante problema sin solución de las ciencias físicas”.
El investigador y sus colaboradores tampoco han superado esta limitación, pero sí han demostrado que pueden reproducir una estructura no perfectamente cristalina, a una resolución de 2,4 angstroms (el angstrom equivale a una diezmillonésima de milímetro), siendo el tamaño medio de un átomo de oro de 2,8 angstroms.
De hecho, la nanopartícula de oro medida por los investigadores estaba compuesta de varios granos de cristal diferentes, cada uno de los cuales conformaba una pieza del puzle completo cuyos átomos estaban alineados en patrones sutilmente distintos. Según Miao, una nanoestructura con segmentos cristalinos ocultos y demarcaciones interiores no se comportará como una nanoestructura formada por un solo cristal continuo, pero otras técnicas han resultado incapaces de visualizar esto en tres dimensiones (hasta ahora).
Los investigadores también descubrieron que la nanopartícula estudiada tenía la forma de una gema polifacética, aunque ligeramente aplastada por un lado por estar apoyada sobre una plataforma plana del interior del microscopio (otro pequeño detalle que no habría tenido cabida en las medias realizadas con métodos más tradicionales). Todos estos resultados han aparecido detallados en la revista Nature.
Jianwei Miao. Fuente: UCLA.
Origen del proyecto
El presente proyecto ha tenido su origen en una investigación anterior de Miao, que implicó el hallazgo de fórmulas de minimización de las dosis de radiación administradas a pacientes, durante sesiones de tomografía axial computerizada (TAC).
Durante estos escáneres, los pacientes deben ser radiados desde diversos ángulos. Las mediciones resultantes se combinan para proporcionar a los médicos una imagen del interior del cuerpo del paciente.
En su investigación, Miao descubrió una forma matemáticamente más eficiente de obtener imágenes de resolución similar, pero tomando escáneres desde menos ángulos. Más adelante, el investigador se dio cuenta de que este descubrimiento podría beneficiar a científicos que estuvieran analizando el interior de nanoestructuras, y no sólo a los médicos.
Las nanoestructuras, como los pacientes, pueden resultar dañadas si se les hacen demasiados escáneres. Un bombardeo constante de electrones de alta energía puede hacer que los átomos de las nanopartículas se reorganicen y que, en consecuencia, la partícula cambie de forma.
Al trasladar su descubrimiento médico a las ciencias de los materiales y a la nanociencia, Miao ha sido capaz de inventar una nueva manera de “ver” el interior de las estructuras más diminutas. Los resultados obtenidos podrían mejorar la resolución y la calidad de imágenes moleculares y atómicas en muchos campos, incluido el de la biología.
El presente proyecto ha tenido su origen en una investigación anterior de Miao, que implicó el hallazgo de fórmulas de minimización de las dosis de radiación administradas a pacientes, durante sesiones de tomografía axial computerizada (TAC).
Durante estos escáneres, los pacientes deben ser radiados desde diversos ángulos. Las mediciones resultantes se combinan para proporcionar a los médicos una imagen del interior del cuerpo del paciente.
En su investigación, Miao descubrió una forma matemáticamente más eficiente de obtener imágenes de resolución similar, pero tomando escáneres desde menos ángulos. Más adelante, el investigador se dio cuenta de que este descubrimiento podría beneficiar a científicos que estuvieran analizando el interior de nanoestructuras, y no sólo a los médicos.
Las nanoestructuras, como los pacientes, pueden resultar dañadas si se les hacen demasiados escáneres. Un bombardeo constante de electrones de alta energía puede hacer que los átomos de las nanopartículas se reorganicen y que, en consecuencia, la partícula cambie de forma.
Al trasladar su descubrimiento médico a las ciencias de los materiales y a la nanociencia, Miao ha sido capaz de inventar una nueva manera de “ver” el interior de las estructuras más diminutas. Los resultados obtenidos podrían mejorar la resolución y la calidad de imágenes moleculares y atómicas en muchos campos, incluido el de la biología.
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