Viendo los átomos de cerca - icmab csic

EXPLORACIÓN
Viendo los átomos de cerca
Un viaje al nanomundo
Jordi Arbiol
Los últimos avances en micro/nanoscopías
electrónicas
nos permiten ver los átomos
individualmente. Podemos
medir sus características, no
sólo su composición (elemento
químico al que corresponden),
e incluso determinar su estado
de oxidación, su coordinación
estructural o su color.
Nanoestructuras, esos bellos
objetos compuestos de un puñado
de átomos (unos miles,
unas centenas o sólo unos pocos). Tan
buenas propiedades ofrecen que científicos
de todo el mundo emulan ser dioses
dando vida a cada vez más extrañas
y complicadas formas. El prefijo “nano”
las precede, sinónimo de cosa pequeña,
minúscula, diminuta, exigua… Modeladas
a placer, cuyas propiedades
se dejan sentir en el mundo superior,
el “macro” donde los seres vivos habitamos
y las disfrutamos (nuevas energías,
aplicaciones terapéuticas, sensores,
aplicaciones para la electrónica,
nuevas propiedades químicas… y un
Jordi Arbiol Ph.D. Institució Catalana de
Recerca i Estudis Avançats (ICREA) E-08010
Barcelona, CAT, Spain.
Institut de Ciència de Materials de Barcelona,
ICMAB-CSIC, Campus de la UAB, E-08193
Bellaterra, CAT, Spain
E-mail: arbiol@icrea.cat; www.icmab.cat/gaen
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nanoCiTec

largo etc.). La belleza es intangible cuando
no se puede apreciar u observar.
Las cosas “no existen” hasta que no las
vemos, o al menos no nos podemos
hacer una idea de cómo son o hasta
qué punto las podemos modificar. Dichosos
aquellos que creerán sin haber
visto… pero seamos prácticos, cómo
vamos a hacer ciencia si no vemos! De
igual modo que la Nanociencia nos ha
acercado a los límites de la física y la
química para “crear lo imposible”, también
necesitamos ver… ver lo pequeño,
disfrutar de su rareza, y entender el
porqué de su existencia. En el mundo
de lo minúsculo, en el Nanomundo,
donde los átomos tienen su reino y
las leyes de la física cuántica rigen,
necesitamos ver a los átomos como
identidades únicas, reconocerlos, identificarlos
y conocer sus propiedades
individualmente. Eso que hace pocos
años parecía un imposible, ahora es ya
una realidad. Los últimos avances
en micro/nanoscopías electrónicas
nos lo permiten. Podemos ver a los
átomos individualmente, podemos
medir sus características, no sólo su
composición (elemento químico al que
corresponden), sino incluso determinar
su estado de oxidación, su coordinación
estructural o su color. Sí, su
color! Para los más escépticos, sabemos
que agrupaciones pequeñas de átomos
(díganse puntos, pozos o hilos cuánticos),
pueden producir luz de variados
colores y sabemos que podemos medir
esa luz localmente, a placer, en un microscopio
electrónico. Variadas son las
técnicas relacionadas con las antaño
llamadas microscopías electrónicas,
ahora denominadas nano o hasta picomicroscopías
por las resoluciones
cada vez más espectaculares alcanzadas.
Si el radio del átomo de Bohr, de
aproximadamente medio Angstrom
(0.053 nanómetros o 53 picómetros)
parecía irresoluble, ahora podemos
decir que hemos superado esa resolución.
Si el átomo de hidrógeno, por su
ligereza y futilidad parecía invisible,
ahora podemos decir que lo hemos
visto. Estamos viviendo una etapa dorada
de la ciencia, donde el límite de
lo diminuto y su funcionalidad está en
nuestra imaginación. Ver para creer, y
qué mejor para ver en el Nanomundo
Figura 1
A) Visualización por HAADF-STEM de un nanohilo de ZnO. B) Imagen con resolución atómica mediante
HAADF-STEM con corrector de aberraciones de una zona cualquiera del nanohilo mostrado en A). C) Imagen
con resolución atómica ABF-STEM de la misma zona mostrada en B). D) Detalle ABF-STEM de C),
zona encuadrada en naranja. E) Misma imagen que en D), pero coloreada para aumentar el contraste visual.
F) Perfil de intensidad ABF obtenido a lo largo de la pareja Zn-O dentro del rectángulo rojo en C). Podemos
comprobar cómo los átomos ligeros, en este caso Oxígeno, se aprecian perfectamente. Imagen impresa de [1]
con permiso. Copyright (2012) American Chemical Society.
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Figura 2
A) Caracterización de nanocajas de doble pared. A1) Perfil de intensidad obtenido en la imagen de contraste
Z (inset) de las nanocajas de AuAg de doble pared. A2) Mapa elemental EDX y esquema de la distribución
elemental. A3) Caracterización HRTEM. B) Imagen TEM y mapas elementales EDX para la nanocajas trimetálicas
PdAuAg. Imágen obtenida de [2]. Reproducida con permiso de AAAS.
que un Microscopio Electrónico!
Desde los orígenes de la humanidad, el
hombre ha querido saber, comprender
el más allá, ver en los límites de su
conocimiento, y esta visión de los
límites se ha visto terriblemente
limitada por su anatomía. Nuestros
ojos pueden ver o captar el mundo
macroscópico, pero estamos limitados
tanto en las largas distancias como en
las escalas más pequeñas. Así pues,
ya en el renacimiento, a finales del
siglo XVI, se empezaron a desarrollar
los primeros microscopios o lupas
y los primeros telescopios. Fue en
1590 cuando los hermanos Janssen,
Zaccharias y Hans, diseñaron un primer
artilugio que sería la base o embrión de
los actuales microscopios ópticos. En
1609, Galileo también contribuyó al
desarrollo de la microscopía con algún
prototipo mejorado. Desde entonces, la
microscopía óptica fue evolucionando,
pero se vio rápidamente limitada en
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resolución. El problema principal
radica en la utilización de los fotones
(paquetes de energía, partículas u
ondas, componentes de la luz). Los
fotones tienen una longitud de onda
asociada que es del orden de las
décimas de micra. La óptica clásica
predice que un objeto para poder ser
detectado, necesitará interactuar con
una onda cuya longitud sea del orden
del tamaño del objeto en cuestión. Por
lo tanto, con una sencilla regla de tres
vemos que al utilizar la luz como onda
De igual modo que la Nanociencia
nos ha acercado
a los límites de la física y la
química para “crear lo imposible”,
también necesitamos
ver… ver lo pequeño,
disfrutar de su rareza, y
entender el porqué de su
existencia.
para visualizar objetos, en el mejor de
los casos podremos resolver objetos
de hasta 0.2 micras, lo equivalente a la
longitud de onda de la luz azul o violeta,
que es la que cuenta con una longitud
de onda menor (o mayor energía).
Al hablar de luz, nos referimos a la
parte del espectro visible de las ondas
electromagnéticas. La parte visible es la
que puede captar el ojo humano. Pero
utilizando otros detectores, podríamos
pensar en usar alguna parte del espectro
electromagnético con menor longitud
de onda. En este caso, si pensamos en
resolver átomos o estructuras a nivel
atómico, podríamos probar con los
Rayos-X, ya que sus longitudes de onda
nos bastarían para poder resolverlos. El
problema de los Rayos-X radica en su
difícil focalización para crear imágenes.
Por un lado los podemos utilizar como
ondas que difracten en las estructuras
atómicas y nos den información sobre
éstas, pero no podremos obtener
buenas imágenes, al menos hasta la

fecha. Ya a principios del siglo XX, con
los avances en física cuántica y física de
partículas, se formuló que todo cuerpo
suficientemente acelerado, podía
actuar como partícula o bien como
onda. Teniendo en cuenta que los
electrones son cargas negativas, con
una aceleración adecuada mediante un
campo eléctrico, podemos conseguir
longitudes de onda del orden de pocos
picómetros (equivalente a velocidades
alrededor de 0.78 veces la velocidad de
la luz). Para alcanzar estas longitudes
de onda se utilizan potenciales de
aceleración del orden de centenares
de kilo Volts (100-300 keV). Así
pues, a partir de estas premisas,
Knoll y Ruska en 1931 diseñaron el
primer microscopio electrónico de
transmisión abriendo las puertas a una
nueva era para la microscopía. Fue tal
el hallazgo que en 1986 Ernst Ruska
recibió el premio Nobel de Física por
su descubrimiento de la microscopía
electrónica.
Los años fueron pasando, y aunque
el diseño de los microscopios electrónicos
había mejorado enormemente,
las resoluciones teóricas quedaban muy
lejos de alcanzarse. Fue a finales de
1959 cuando Richard Feynmann en su
famosa charla “There is plenty of room
at the bottom” o “Hay mucho espacio
por debajo”, lanzó un reto a la comunidad
científica internacional, animando
a que se pusiera empeño en la mejora
de los microscopios electrónicos y se
pudieran alcanzar resoluciones atómicas.
En esa época la resolución estaba
muy por encima del nanómetro, pero
el objetivo final se fijó en llegar a resoluciones
sub-angstrom. En los años
sucesivos, y hasta llegar al siglo XXI, la
microscopía electrónica consiguió por
fin resolver átomos con resoluciones
de hasta 1 angstrom, pero esa barrera
parecía totalmente infranqueable hasta
que por fin, los microscopios se dotaron
de correctores de aberraciones.
Estos correctores permitieron eliminar
las deficiencias de las lentes por falta
de esfericidad o dotar al microscopio
de monocromadores para el haz, reduciendo
la aberración cromática. El
Figura 3
Figura 3. a) Imagen HAADF de un par de nanohilos núcleo/capa (core-shell) GaN/AlN. b) Imagen HAADF
con resolución atómica la zona encuadrada en a) donde la barra de escala representan 2nm. Las posiciones
individuales de los átomos de Ga se pueden ver perfectamente sobre la capa de AlN. c) y d) corresponden a una
ampliación más detallada de los hilos cuánticos detallados en c) con escala de grises y en d) en falso color. La
imagen insertada en el centro corresponde a un modelo de la estructura del nanohilo conteniendo los distintos
pozos cuánticos. [3] – Reproducido con permiso de The Royal Society of Chemistry. Para ver los modelos
atómicos animados se puede visitar: http://www.icmab.cat/gaen/research/165.
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año 2009 supuso un hito para la microscopía
electrónica a nivel mundial.
Gracias al proyecto TEAM [4], se consiguió
por fin batir la barrera del medio
angstrom, o lo que es lo mismo, poder
llegar a resolver distancias inferiores al
radio de Bohr.
En la actualidad son muchos los análisis
que podemos realizar en un microscopio
electrónico de transmisión.
Podemos resolver estructuras a nivel
atómico mediante microscopía electrónica
de transmisión en modo de
alta resolución (HRTEM, acrónimo en
inglés). Podemos resolver estas mismas
estructuras y obtener imágenes
con resolución atómica y contraste
Z mediante técnicas de microscopía
electrónica de transmisión en modo
rastreo (STEM) utilizando detectores
En los años sucesivos, y
hasta llegar al siglo XXI,
la microscopía electrónica
consiguió por fin resolver
átomos, con resoluciones
de hasta 1 angstrom, pero
esa barrera parecía totalmente
infranqueable hasta
que por fin, los microscopios
se dotaron de correctores
de aberraciones.
anulares de alto ángulo (HAADF).
En este último caso, por ejemplo, la
intensidad obtenida en las imágenes
para cada columna atómica es aproximadamente
proporcional a Z2, lo que
nos proporciona una información muy
valiosa sobre la composición química
de los materiales. Si además combinamos
el modo STEM con la adquisición
simultánea de espectros de pérdida
energética de los electrones (EELS) o
espectros de energía dispersa de rayos
X (EDX), podemos conocer localmente
con resolución atómica la composición
de nuestras estructuras. Otras
posibilidades muy interesantes que nos
ofrece la microscopía electrónica de
transmisión y que se encuentran actualmente
en auge, corresponden a la
adquisición, en modo STEM, de los
haces difractados a distintos ángulos
y con variación de los detectores (sólidos
y/o angulares), para poder elegir
qué tipo de elementos visualizar en
cada momento. Por ejemplo en el caso
del HAADF STEM podemos visualizar
fácilmente los elementos de Z media y
pesados, pero más difícil, sino imposible
será visualizar los átomos ligeros. El
desarrollo de nuevas técnicas basadas
en nuevos detectores, por ejemplo el
detector anular de campo claro (ABF),
nos permite visualizar los elementos
más ligeros como pueden ser el N, O y
hasta el H. [ 5, 6, 7,8] Otras combinaciones,
por ejemplo, nos permiten observar
sólo los átomos ligeros (detec-
tor de campo claro a medio ángulo o
MABF), [6] desapareciendo los átomos
más pesados de la imagen. Las combinaciones
entre las distintas técnicas nos
permitirán por ejemplo la obtención de
mapas composicionales a color.
Podemos decir pues, que la microscopía
electrónica de transmisión
en sus distintos modos de operación
ha dado un paso adelante y se ha
situado a la vanguardia de las técnicas
indispensables en ciencia de materiales
o nanociencia y nanotecnología. Se ha
convertido en pieza básica y nos está
permitiendo “ver” y comprender lo
antes no visto. Bienvenidos al Nanomundo!
Referencias
[1] E. Okunishi, I. Ishikawa, H. Sawada, F. Hosokawa,
et al., 15(Suppl. 2), 164 (2009).
[2] E. González, J. Arbiol, and V. F. Puntes, Science
334, 1377 (2011).
[3] J. Arbiol, C. Magen, P. Becker, G. Jacopin,
et al., Nanoscale 201 DOI: 10.1039/C2N-
R32173D.
[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Transmission_
Electron_Aberration-Corrected_Microscope.
[5] S. D. Findlay, N. Shibata, H. Sawada, E.
Okunishi, et al., Ultramicroscopy 110, 903
(2010).
[6] S. D. Findlay, T. Saito, N. Shibata, Y. Sato, et
al., Applied Physics Express 3, 116603 (2010).
[7] M. de la Mata, C. Magen, J. Gazquez, M. I.
B. Utama, et al., Nano Letters 12, 2579 (2012).
[8] M. Ohtsuka, T.Yamazaki, Y. Kotaka, I.
Hashimoto, and K. Watanabe. Ultramicroscopy
120, 48 (2012).
Mayores informes: http://www.ciasem2013.com/
28 nano Vol 1 No 1 2013