Fotografían por primera vez un átomo individual con rayos X

Por Julio García G. / Periodista de Ciencia

Aunque el origen de la materia que le da forma al universo sigue discutiéndose tanto desde el ámbito científico como filosófico, nadie duda de que los átomos -constituidos por partículas aún más pequeñas como los protones y los neutrones, así como de quarks que son aún más diminutos- representan los ladrillos fundamentales de lo que está hecha la realidad.

La primera persona en plantear una teoría atómica fue el filósofo presocrático Leucipo de Mileto, quien en el siglo V antes de Cristo fundó el atomismo, cuyos preceptos se basan en el hecho de que la materia no puede dividirse más allá de cierta porción. Por lo tanto, ésta, llegado a un punto, es indivisible.

Quien siguió los pasos y enseñanzas de Leucipo de Mileto fue su discípulo, Demócrito, encargado de desarrollar la teoría atómica entre el 460-370 a.C. Este último concibió el universo como un sitio constituido por átomos indivisibles, indestructibles e idénticos. De ahí que la palabra átomo signifique, justamente, indivisible.

Desde aquellos tiempos de Leucipo y Demócrito ha pasado mucho tiempo y nuestra comprensión del átomo y su funcionamiento ha ido ampliándose, a tal grado que un grupo de científicos logró fotografiar, por primera vez, un átomo individual utilizando rayos X.

Normalmente, los átomos pueden visualizarse de forma rutinaria a través de unos microscopios electrónicos llamados de sonda de barrido, los cuales, como su nombre lo indica, utilizan una sonda que capta la superficie de los objetos estudiados. Desafortunadamente, este tipo de microscopios son incapaces de detectar un solo átomo a la vez, ya que solamente los captan en conjunto.

Demócrito. Imagen: worldhistory.org

No obstante, gracias a la utilización de rayos X -los cuales fueron descubiertos en 1895 por el físico alemán Wilhelm Röntgen-, los investigadores lograron visualizar átomo por átomo, lo que les ha permitido también conocer su estado químico.

Los responsables de este novedoso experimento, cuyos pormenores han aparecido publicados en la revista Nature, son científicos estadounidenses de la Universidad de Ohio y del Laboratorio Nacional Argonne en Illinois.

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La utilización de rayos X -y no de otro tipo de ondas- para visualizar átomos obedece al hecho de que la distribución de la longitud de onda de los primeros es comparable al tamaño del átomo, por lo que, si se utilizasen otro tipo de ondas como rayos gamma u ondas infrarrojas (estas últimas son ondas más largas y menos energéticas), sería imposible conocer su estructura.

Por otro lado, aunque han existido otros intentos por visualizar átomos individuales, éstos han resultado infructuosos debido a que la señal de rayos X emitida por un solo átomo suele ser demasiado débil para ser detectada mediante métodos convencionales.

Cuando los rayos X (color azul) iluminan un átomo de hierro (bola roja en el centro de la molécula), los electrones del núcleo se excitan. A continuación, los electrones excitados por rayos X se canalizan hacia la punta del detector (gris) a través de orbitales atómicos/moleculares superpuestos, que proporcionan información elemental y química del átomo de hierro. Imagen: Universidad de Ohio/www.ohio.edu

Con el objetivo de superar este obstáculo, los investigadores utilizaron una técnica llamada microscopía de túnel de rayos X sincrotrón, con la cual se pueden obtener imágenes superficiales atómicas mediante la utilización de una punta conductora extremadamente fina que crea un efecto túnel en los electrones excitados por el bombardeo de rayos X.

Estos electrones, que han pasado por el efecto túnel, producen un espectro único -algo parecido a las huellas dactilares que son irrepetibles- el cual logra que los científicos puedan identificar a cada átomo individualmente a partir de las características de dicho espectro. La técnica ha sido perfeccionada a lo largo de 12 años y el experimento ha sido aplicado a átomos de hierro.

Sobre los alcances que tendrá este nuevo experimento destaca el hecho de que, a partir de ahora, los científicos podrán modificar la estructura de los materiales y quizá, en un futuro no tan lejano, crear materiales nuevos a partir de la modificación de su configuración atómica.

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En una entrevista para el portal de internet Futurism, uno de los autores del trabajo, Sai Wai Hla de la Universidad de Ohio, calificó el hecho de visualizar átomos individuales como “un descubrimiento que transformará el mundo”.

Que los seres humanos podamos modificar la estructura de la realidad y sus componentes a niveles nunca alcanzados con anterioridad gracias al método científico y sus aplicaciones, nos está permitiendo por vez primera no solamente modificar los átomos, sino también otros elementos fundamentales como los genes y las proteínas.

(Izquierda) Una imagen de una supramolécula en forma de anillo donde solo un átomo de Hierro (Fe) está presente en todo el anillo. (Derecha) Firma de rayos X de un solo átomo de Hierro (Fe). Imagen: Universidad de Ohio/www.ohio.edu

Por ejemplo, en el caso de las proteínas -cuya función es decisiva en todo organismo vivo-, la Inteligencia Artificial (IA) está jugando un papel determinante en su desciframiento y comprensión con el fin, entre otras aplicaciones, de combatir enfermedades graves que hoy no tienen cura.

Para ello, Google, junto con su filial inglesa DeepMind, han desarrollado una IA llamada Alpha Fold, la cual ha podido crear recientemente una base de datos con más de 200 millones de proteínas, es decir, de todas las proteínas que hasta la fecha se conocen con el objetivo de “desenrollarlas” y conocer su estructura interna.

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Evidentemente, estos avances científicos traen consigo preguntas de tipo ético: ¿Cuáles empresas controlarán la información generada por estos avances y cuáles serán las consecuencias de este control? ¿Tendría que intervenir el Estado para definir lineamientos concretos para determinar cuál de esta información puede hacerse pública y cuál no? ¿Las empresas privadas deberían de controlar siempre toda la información?, entre muchas otras que seguramente surgirán conforme estos descubrimientos y tecnologías vayan haciéndose de uso más cotidiano.