Nanomundo: Reconstruyen una figura tridimensional a partir de una simple 'foto'

Imagine que quiere saber, a partir de una sola imagen de la parte frontal de una casa, cómo es ese edificio por detrás (su extensión, si sus ladrillos están dañados) o el número de habitaciones que tiene en el sótano.

¿Le parece imposible? Pues no lo es, al menos en el nanomundo; ese universo tan pequeño que nos resulta invisible (un nanómetro equivale a una mil millonésima parte de un metro).

La razón: Científicos de la ciudad alemana de Jülich y de la china Xi’an han desarrollado un método que permite reconstruir estructuras cristalinas con precisión atómica, en tres dimensiones, a partir solo de imágenes. Aunque, eso sí, se debe reconocer que dichas imágenes no fueron tomadas con una cámara digital corriente, sino con un microscopio electrónico de ultra-alta resolución, capaz de formar imágenes de estructuras cristalográficas… a escala atómica.

El mismo proceso también resultaría muy adecuado para el mapeo espacial de muestras sensibles a radiación, que se destruyen rápidamente bajo un haz de alta energía como los usados en ciertas observaciones, señalan los investigadores en un artículo publicado al respecto en Nature Materials.

Superficies nanométricas

Una característica importante de las nanopartículas es que su superficie determina mucho más sus propiedades físicas y técnicas que las superficies de otros tipos de materiales. Las propiedades superficiales son, por tanto, cruciales a nivel nanométrico. Pueden aumentar exponencialmente, por ejemplo, la eficiencia de catalizadores, si estos son frabricados con nanopartículas.

Por esta razón, físicos y científicos especializados en materiales se afanan por poder determinar la estructura de los nanomateriales desde todos los ángulos y a través de varias capas, hasta el último de sus átomos.

Hasta ahora, para conseguir ese "control" era necesario realizar toda una serie de pruebas desde diferentes ángulos. El método desarrollado por los científicos del Forschungszentrum Jülich (Centro Ernst de Microscopía y Espectroscopía de Electrones o ER-C) y de la Universidad de Xi’an Jiaotong en China permite, sin embargo, calcular la disposición espacial de los átomos, a partir de una sola imagen captada por un microscopio electrónico, en lugar de tener que realizar tantas y tantas pruebas. Muchas ventajas

El nuevo enfoque ofrece muchas ventajas. Por ejemplo, permitiría estudiar muestras atómicas sensibles a la radiación, y que de otro modo resultarían dañadas rápidamente por el haz de electrones de alta energía del microscopio.

Por otra parte, el relativamente corto periodo de tiempo que requiere la adquisición de datos podría permitir en un futuro observar incluso pasos y fases de las reacciones químicas.

Por último, el sistema constituye un procedimiento de medición "suave", destinado a detectar no sólo elementos químicos pesados sino también ligeros, como el oxígeno, que tienen una función importante en muchos materiales tecnológicamente significativos.

Cómo se hizo

"La adquisición de información tridimensional a partir de una única imagen bidimensional parece imposible a primera vista. Sin embargo, es de hecho posible; no obtenemos una simple proyección bidimensional de una muestra de tres dimensiones", explica el profesor Chunlin Jia, uno de los autores del trabajo, en un comunicado del Forschungszentrum Jülich.

Pero, ¿cómo se hace? El nuevo proceso de medición en 3D se inicia colocando una muestra cristalina fina – en este caso, los científicos usaron óxido de magnesio- bajo el microscopio, de tal manera que los átomos situados en las intersecciones de la red cristalina se encuentren exactamente uno encima de otro, formando columnas a lo largo de los ejes de observación. Estas columnas atómicas son posteriormente visibles -en la imagen microscópica- solo como puntos luminosos.

Además, se utiliza un modo de imagen que permite hacer visibles las variaciones sutiles de dicha estructura, para mostrar la ubicación de los átomos individuales en las columnas, a lo largo de la dirección del haz del microscopio.

Para reconstruir luego la estructura espacial, los científicos comparan la imagen tomada con simulaciones realizadas por ordenador de la imagen microscópica de un cristal de óxido de magnesio perfectamente plano. Hacen coincidir ese modelo, paso a paso, con la imagen tomada con el microscopio, hasta que la figura reconstruida se corresponde de forma óptima con ella.

Con el fin de verificar los resultados obtenidos, los científicos realizaron por último extensas pruebas estadísticas que demostraron que su método no sólo es lo suficientemente sensible como para detectar cada átomo individual, sino también para diferenciar entre los elementos "magnesio" y "oxígeno" presentes en el cristal estudiado. Referencia bibliográfica:

C. L. Jia, S. B. Mi, J. Barthel, D. W. Wang, R. E. Dunin-Borkowski, K. W. Urban, A. Thust. Determination of the 3D shape of a nanoscale crystal with atomic resolution from a single image. Nature Materials Advance Online Publication (AOP) (2014). DOI: 10.1038/nmat4087.