Artículo redactado por Alba Gil Plaza
Martes 17 de Diciembre del 2024
Artículo de hoy
ERNST RUSKA
Un gran Premio Nobel En 1986 el investigador alemán Ernst Ruska recibió el Premio Nobel de Física por su trabajo fundamental en óptica de electrones y por la construcción en 1933 del primer microscopio electrónico con el que se superaba notablemente la resolución lograda con microscopios de luz. Desde hace muchos siglos, los seres humanos han estado muy interesados en poder visulizar aquellas cosas de pequeño tamaño que no somos capaces de diferenciar a simple vista. Es en este sentido donde se hace notable el enorme trabajo llevado a cabo por este gran físico, ya que desarrolló el primer microscopio electrónico, capaz de ampliar la imagen de un objeto cuatrocientas veces, lo cual suponía un gran avance respecto a los microscopios ópticos. El principio en el que se basa un microscopio electrónico es el uso de un haz de electrones móviles en lugar de la luz para iluminar el objeto. Lentes electromagnéticas producen campos magnéticos que desvían el haz de electrones de la misma manera que las lentes de cristal dirigen los rayos de luz. Sin embargo, el objeto tiene que encontrarse en un vacío, porque las moléculas de aire pueden desviar a los electrones. Dado que los electrones tienen una longitud de onda mucho menor que la de la luz, pueden mostrar estructuras mucho más pequeñas, lo cual permite una visualización directa de muchas moléculas y de algunos átomos. 
Imagen 1. Ernst August Friedrich Ruska; Heidelberg, 1906 – Berlín, 1988. Imagen extraída de: https://www.biografiasyvidas.com/biografia/r/ruska.htm
ERNST RUSKA
Ernst August Friedrich Ruska nació el 25 de diciembre de 1906 en Heidelberg, Alemania. Desde muy jóven empezó a mostrar interés por los inventos eléctricos, de modo que estudió electrónica en la Escuela Técnica de Munich entre 1925 y 1927 y en la de Berlín entre 1927 y 1931, año en el que obtuvo el grado de Ingeniero Eléctrónico. Aquí fue donde postuló que los microscopios que usan electrones con longitudes de onda 1000 veces más corta que la de la luz visible, pueden proveer imágenes más detalladas de los objetos que los microscopios que utilizan luz, en los cuales la magnificación es limitada por el tamaño de las longitudes de dicha de onda. En 1931 demostró que una bobina magnética podría actuar como una lente electrónica, y usó varias bobinas en una serie para construir el primer microscopio electrónico en 1933. Con el fin de captar fondos para continuar sus investigaciones y perfeccionar el microscopio electrónico, fue a trabajar a la empresa privada Fernseh Ltd, donde dirigió el departamento de receptores y transistores de televisión así como de células fotoeléctricas con amplificación secundaria. Allí estuvo entre 1933 y 1937. Con Bodon von Borries (1905-1956) fabricó microscopios de alta resolución cada vez más potentes en la empresa Siemens & Halske entre 1936 y 1937.
Imagen 2. Fotografía del microscopio electrónico de Ernst Ruska con el que ganó el premio Nobel en 1933.
Ese año crearon en Berlín el Laboratorio de Óptica Electrónica donde se fabricaron varios microscopios personalizados y entre ellos el conocido como Supermicroscopio Siemens. En 1940, Siemens creó un Instituto de Investigación y Desarrollo gracias al uso del microsopio, y en 1945 ya hubo 35 instituciones que fueron equipadas con microscopios de este tipo. Ruska también colaboró con otras instituciones que desarrollaban sus propios microscopios como la Politécnica de Berlín, donde obtuvo la capacidad para impartir docencia, la Academia alemana de Ciencias (1947-1948), la Facultad de medicina de Berlín, y desde 1949, como jefe de departamento en lo que después se llamaría Instituto Fritz Haber, del la Sociedad Max Plank. El 27 de junio de 1957 le nombraron director del Instituto de Microscopía electrónica después de que dejara su relación con la casa Siemens. Se jubiló el 31 de diciembre de 1974.
OTROS PREMIOS
Su obra le reportó premios y reconocimientos en vida. Fue nombrado doctor honoris causa de las universidades de Kiel, Módena, Berlín y Toronto. Perteneció a varias sociedades científicas entre las que figuran la francesa, japonesa e inglesa de microscopía electrónica. En 1939 recibió el premio Senckenberg, de la Universidad de Frankfurt; en 1941 la Medalla Silberne Leibniz, de la Academia de Ciencias de Berlín; en 1960 el premio Albert-Lasker, de la American Public Health Association, de San Francisco; en 1968 la Medalla de Oro Diesel; en 1975 la Medalla Duddel del Instituto de Física de Londres; en 1983 la Medalla Albert von Gräfe; y en 1986 la Medalla Robert Koch, entre otros. En 1986 compartió el premio Nobel de física con Gerd Binnig (1947-) y Heinrich Rohrer (1933-2013). El cincuenta por cien del monto económico del premio fue para él por sus trabajos en óptica electrónica y diseño del primer microscopio electrónico. La otra mitad para los otros dos por su diseño del microscopio de efecto túnel o Scanning tunneling microscope.
Imagen 3. Ernst Ruska.
IMPORTANCIA DE SU INVESTIGACIÓN
El desarrollo de la microscopía electrónica permitió, entre otras cosas, alcanzar el nivel de resolución espacial que muchos investigadores de diversas disciplinas demandaban, y fundar una rama de investigación que a pesar de ser relativamente joven, ha avanzado de una manera vertiginosa en la ciencia contemporánea. Esta técnica se ha convertido en una fuente inagotable de información y desarrollo, no solo por la resolución alcanzada, sino también por las capacidades de análisis de las técnicas asociadas a un microscopio electrónico moderno, como son la espectroscopía por dispersión de energía de rayos X (EDS de sus siglas en inglés “Energy Dispersive Spectroscopy”), la espectroscopia por dispersión de longitud de onda (WDS, del inglés “Wavelenght Dispersive Spectroscopy”) y la espectroscopia Auger, entre otras.
Por su capacidad de proporcionar información morfológica, topográfica, química, cristalina, eléctrica y magnética de los materiales, la han convertido en herramientas indispensables en el dominio de la física del estado sólido, ciencia de materiales, electrónica, polímeros, metales, textiles, biología, medicina, etc. Se utilizan para investigar la ultraestructura de una amplia gama de especímenes biológicos e inorgánicos, incluidos microorganismos, células, moléculas grandes, muestras de biopsia, metales y cristalinos. Industrialmente, los microscopios electrónicos se utilizan a menudo para el control de calidad y el análisis de fallas. Los microscopios electrónicos modernos producen micrografías de electrones utilizando cámaras digitales especializadas y capturadores de fotogramas para capturar las imágenes.
Imagen 3. Microscopio electrónico de Ernst Ruska. Imagen extraída de wikimedia commons.
El futuro de esta técnica es muy prometedor debido a su desarrollo tecnológico en la última década del siglo XX, alcanzando un poder de resolución de hasta 0.1 nm en un TEM (microscopio electrónico de transmisión) y 1.5 nm en un SEM (microscopio electrónico de barrido), éste último con la posibilidad de trabajar a presión controlada, útil en la observación de muestras húmedas.
Imagen 4. Fotografías tomadas con los dos tipos de microscopios electrónicos.
El microscopio electrónico usa electrones en lugar de fotones o luz visible para formar imágenes de objetos diminutos. Los microscopios electrónicos permiten alcanzar amplificaciones mayores antes que los mejores microscopios ópticos, debido a que la longitud de onda de los electrones es bastante menor que la de los fotones. Un microscopio electrónico de transmisión de barrido ha logrado una resolución superior a 50 pm en el modo imágenes anulares de campo oscuro y ampliación de hasta aproximadamente 10 000 000× mientras que la mayoría de los microscopios ópticos están limitados por difracción a una resolución de aproximadamente 200 nm y ampliaciones útiles por debajo de 2000×. Los microscopios electrónicos utilizan campos magnéticos moldeados para formar sistemas de lentes ópticas electrónicas que son análogas a las lentes de vidrio de un microscopio de luz óptica.
ANTECEDENTES
Un paso importante en la investigación de Ernst Ruska fue el trabajo de Hertz en 1883, que fabricó un tubo de rayos catódicos con desviación electrostática y magnética, demostrando la manipulación de la dirección de un haz de electrones.
La focalización de los electrones mediante un campo magnético axial diseñado por Emil Wiechert en 1899, cátodos recubiertos de óxido mejorados que producían más electrones por Arthur Wehnelt en 1905 y el desarrollo de la lente electromagnética en 1926 por Hans Busch fueron algunas de las investigaciones previas al desarrollo del microscopio electrónico.
Imagen 5. Imagen de Ernst Ruska y Max Knoll.
Para su logro, Ernst Ruska se basó en los estudios de Louis-Victor De Broglie (1892-1987) sobre las propiedades ondulatorias de los electrones para obtener imágenes.
En 1928, en la Universidad Técnica de Berlín, Adolf Matthias (catedrático de Tecnología de Alta Tensión e Instalaciones Eléctricas) nombró a Max Knoll para dirigir un equipo de investigadores que avanzaran en la investigación sobre haces de electrones y osciloscopios de rayos catódicos. El equipo estaba formado por varios estudiantes de doctorado, entre ellos Ernst Ruska. En 1931, Max Knoll y Ernst Ruska generaron con éxito imágenes ampliadas de rejillas de malla colocadas sobre la abertura de un ánodo.
Imagen 6. Microscopio electrónico de 1964.. Imagen extraída de: https://es.wikipedia.org/wiki/Microscopio_electr%C3%B3nico#/media/Archivo:Elektronenmikroskop.jpg
ECHEMOS AHORA UN VISTAZO AL PRESENTE
MICROSCOPIOS ACTUALES
Existen dos tipos principales de microscopios electrónicos: el microscopio electrónico de transmisión y el microscopio electrónico de barrido (podéis ver este video para aclarar ideas: https://www.youtube.com/watch?v=5EhV-_z-y-8)
1. El microscopio electrónico de transmisión emite un haz de electrones dirigido hacia el objeto cuya imagen se desea aumentar. Una parte de los electrones rebotan contra la muestra, formando así una imagen aumentada. Para utilizar un microscopio electrónico de transmisión debe cortarse la muestra en capas finas, no mayores de unos 2000 ángstroms. Los microscopios electrónicos de transmisión pueden aumentar la imagen de un objeto hasta un millón de veces (podéis ver en este video como se ven las imágenes: https://www.youtube.com/watch?v=DGI5lXsk63I).
2. En el microscopio electrónico de barrido la muestra es recubierta con una capa de metal delgado, y es barrida con electrones enviados desde un cañón. Un detector mide la cantidad de electrones enviados que arroja la intensidad de la zona de muestra, siendo capaz de mostrar figuras en tres dimensiones, proyectados en una imagen de TV. Su resolución está entre 3 y 20 nm, dependiendo del microscopio. Permite obtener imágenes de gran resolución en materiales pétreos, metálicos y orgánicos. La luz se sustituye por un haz de electrones, las lentes por electroimanes y las muestras se hacen conductoras metalizando la superficie. Apoyándose en los trabajos de Max Knoll de los años 1930 fue Manfred von Ardenne quien logró inventar el MEB en 1937 que consistía en un haz de electrones que barría la superficie de la muestra a analizar, que, en respuesta, reemitía algunas partículas. Estas partículas son analizadas por los diferentes sensores que hacen que sea posible la reconstrucción de una imagen tridimensional de la superficie (podéis ver como se ven las imágenes en este video: https://www.youtube.com/watch?v=iQUrO5Vb42I) 
Imagen 7. Microscopio electrónico actual conectado al ordenador que procesa las imágenes. Imagen extraída de: https://www.businesswire.com/news/home/20200525005168/es
Otros tipos de microscopios:
1. Microscopio de efecto túnel (STM): Un microscopio de efecto túnel es un instrumento para tomar imágenes de superficies a nivel atómico. Su desarrollo en 1981 hizo ganar a sus inventores, Gerd Binnig y Heinrich Rohrer (de IBM Zürich), el Premio Nobel de Física en 1986.
2. Microscopio de sonda de barrido (SPM): Un microscopio de sonda de barrido es aquel que tiene el transmisor en la parte exequimal del lente (Objetivo 4x). Este microscopio electrónico utiliza una sonda que recorre la superficie del objeto a estudiar. La rama de microscopios SPM se fundó con la invención del microscopio de efecto túnel en 1981. Su uso en investigaciones científicas es el de regular la imagen mediante un barrido de electrones haciendo que la imagen aumente (10.000.000 nm).
3. Microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM): La microscopía electrónica de transmisión de alta resolución es una técnica para obtener imagen mediante el microscopio electrónico de transmisión que permite la formación de imágenes de la estructura cristalográfica de una muestra en una escala atómica. Debido a su alta resolución es una valiosa herramienta ampliamente utilizada para el estudio de nanoestructuras de materiales cristalinos como los semiconductores y los metales. En la actualidad, por defecto, se alcanza una resolución de 0,8 Å (0,08 nm). Para utilizar esta resolución directamente con el TEM deben utilizarse correctores para la aberración esférica. A través del desarrollo de nuevos correctores, además de la aberración esférica y la aberración cromática, a veces se puede obtener hasta una resolución de 0,5 Å (0,05 nm). A estas escalas pequeñas se pueden obtener imágenes, de átomos individuales y defectos cristalinos. Puesto que todas las estructuras cristalinas son 3-dimensional, se puede necesitar combinar varias vistas del cristal, tomadas desde ángulos diferentes, en un mapa 3D. Esta técnica se llama cristalografía de electrones.
UN HOMBRE DIGNO DE ADMIRAR
Como podéis apreciar, es un hombre que, a pesar de haber vivido circunstancias poco agradables, como la Segunda Guerra Mundial, nunca abandonó su ilusión por la ciencia y continuó en sus investigaciones, dejándonos un maravilloso legado que ha permitido muchos avances para las generaciones posteriores.
BIBLIOGRAFÍA
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21. Fernández, T., & Tamaro, E. (2004). Biografía de Ernst Ruska. Editorial Biografías y Vidas. https://www.biografiasyvidas.com/biografia/r/ruska.htm (página consultada el 10 de diciembre de 2024)
Artículo editado por Ana María Morón Usero, creadora del proyecto Ammu Neuroscience and Biology.
Más sobre la autora:
Alba Gil Plaza, bióloga, 3 másteres (biología general, biología molecular y ensayos clínicos). Amante de la ciencia, la espeleología, el deporte y de pasar ratos con Ammu y el resto de colaboradores compartiendo tonterías.
Que la ciencia y la fuerza os acompañe.
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