How big is Cosa más pequeña visible en un microscopio electrónico?

Un microscopio electrónico forma imágenes con un haz de electrones en lugar de luz, y puede mostrar átomos individuales. Hasta 2026, los mejores microscopios electrónicos pueden distinguir detalles separados por unos 20 picómetros, más o menos una quinta parte del ancho de un átomo de hidrógeno. Un picómetro es una billonésima de metro.

Tamaño

Esta cifra es una resolución, no el tamaño de un objeto. La resolución de un microscopio es la distancia más pequeña a la que dos puntos todavía se ven como dos puntos separados y no como una sola mancha borrosa. Lo más pequeño que muestra un microscopio electrónico son átomos individuales, y los mejores instrumentos ya distinguen detalles separados por una fracción del ancho de un átomo.

Los defectos de las lentes magnéticas que enfocan el haz de electrones limitaban antes las imágenes más nítidas a unos 100 picómetros. Los correctores de lentes cambiaron eso. En 2008, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley presentó TEAM 0.5, un microscopio diseñado para alcanzar medio ángstrom, es decir, 50 picómetros. Más tarde, su equipo informó que había distinguido pares de átomos de germanio separados por 47 picómetros.

Después, un método computacional llamado pticografía electrónica llevó el récord todavía más lejos. Un equipo de la Universidad Cornell alcanzó 39 picómetros en 2018 y unos 20 picómetros en 2021. En 2024, un equipo de la Universidad Tsinghua, en China, informó haber distinguido detalles de apenas 14 picómetros, con otra forma de medir la resolución. El récord exacto depende de cómo se mida la resolución.

Comparaciones de tamaño

Un átomo de hidrógeno, de unos 0.1 nanómetros de diámetro, es unas cinco veces más ancho que el detalle más fino que distinguen estos microscopios.
Si un átomo de hidrógeno se ampliara hasta el tamaño de un balón de básquet, de unos 24 centímetros de diámetro, el microscopio podría distinguir detalles separados por unos 4.5 centímetros.
Un microscopio óptico común no puede distinguir detalles separados por menos de unos 0.2 micrómetros. Eso es 10,000 veces la distancia que pueden resolver los mejores microscopios electrónicos. Un micrómetro es una millonésima de metro.
Veinte picómetros son 0.2 ángstroms. Los enlaces entre átomos suelen medir de 1 a 2 ángstroms, es decir, de 5 a 10 veces la longitud del detalle más fino que se ha logrado distinguir.
A lo ancho de un cabello humano cabrían unos 4 o 5 millones de los detalles más finos que se pueden distinguir.

Por qué los electrones muestran detalles más finos que la luz

Los microscopios convencionales no pueden distinguir detalles mucho más pequeños que la longitud de onda de lo que usan para ver. La longitud de onda es la distancia entre una cresta de una onda y la cresta siguiente. En un microscopio óptico común, el límite es de unos 0.2 micrómetros, como determinó el microscopista Ernst Abbe en 1873.

Los electrones también se comportan como ondas, con longitudes de onda mucho más cortas que las de la luz. Los electrones rápidos que usan muchos de estos microscopios tienen una longitud de onda de unos 2 picómetros. En teoría, eso permite ver detalles muchísimo más finos de lo que la luz podría mostrar jamás. En la práctica, las lentes imperfectas mantuvieron a los microscopios electrónicos muy lejos de ese límite, y desde entonces los correctores y los métodos computacionales han reducido la diferencia.

Cómo se obtienen las imágenes más recientes

La pticografía electrónica no depende solo de las lentes. El microscopio recorre la muestra con su haz, en puntos que se superponen, y registra cómo se dispersan los electrones en cada uno. Después, unos algoritmos de computadora calculan qué forma tendría que tener la muestra para producir esos patrones, y a partir de ellos reconstruyen la imagen.

Las imágenes de Cornell de 2021 mostraban un cristal ampliado 100 millones de veces. Con esa resolución, el desenfoque que queda se debe sobre todo a los propios átomos, que vibran sin parar por el calor. El líder del equipo, David Muller, lo describió como prácticamente un límite definitivo para la resolución.