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¿Y cómo funcionan?

Desde Arquímedes al nacimiento del microscopio de fuerza atómica, Parte I

JORGE CHANONANov 07, 2022 
Tiempo de lectura: 9 mins.

Los espejos, lentes, lupas y microscopios nos han acompañado desde hace mucho tiempo. Cuenta una leyenda que Arquímedes derrotó a una flota de barcos de madera del general romano Marco Claudio Marcelo, usando espejos ustorios

¿Cómo se creó el microscopio? (Foto: Especial)

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Los espejos, lentes, lupas y microscopios nos han acompañado desde hace mucho tiempo. Cuenta una leyenda que Arquímedes derrotó a una flota de barcos de madera del general romano Marco Claudio Marcelo, usando espejos ustorios (cóncavos) para incendiarlos y que asediaban Siracusa en 214 a. C, -Ciudad natal del sabio griego-.

Pero algunos estudios del pasado y también recientes conducidos por el MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts por sus siglas en inglés) y programas de televisión, se propusieron desmitificar la leyenda, concluyendo que para hacer esa hazaña, se requieren condiciones climáticas específicas y un tiempo prolongado de exposición (10 min) para incendiar los barcos y que era poco probable que esto ocurriera, así que era más fácil lanzar flechas con fuego para incendiar los barcos. 

Lo que sí es cierto es que el gran Arquímedes inventó el polipasto que es un juego de poleas que sirve para embarcar cosas pesadas en los barcos, también se le atribuye mejorar la precisión de la catapulta, al acoplar un odómetro a esta arma.

El odómetro es un ingenio que consiste en una rueda o engranaje calibrado con precisión para saber cuántas vueltas hay que dar al engrane para tener una mayor certidumbre de la distancia recorrida por de los proyectiles enviados, por eso, es común ver en películas antiguas de romanos y recientes, como en la saga del Señor de los Anillos, donde calibran los engranes para acertar a los objetivos. 

Plutarco narra que, durante el sitio de Siracusa, los soldados romanos que estaban en los barcos de asedio; sufrían de estrés y pánico cuando observaban alguna viga o polea sobresaliendo de las murallas de la ciudad por temor a ser alcanzados por proyectiles dirigidos con precisión, similar a los misiles teledirigidos actuales. Muchas historias y anécdotas han sido atribuidas al gran Arquímedes, destacable físico, ingeniero, inventor, astrónomo y matemático griego. 

Entre las más notables fue encontrar el volumen de un objeto irregular. Hierón II rey tirano de Siracusa contemporáneo del sabio helénico, le pidió probar que si su nueva corona era de oro puro y no estaba adulterada con otros metales. La leyenda dice que al darse un baño se dio cuenta que al sumergir la corona de oro esta desplazaría una cantidad de agua igual a su propio volumen (Principio de Arquímedes), y al dividir el peso de la corona y el volumen desplazado, encontraría la densidad del oro y así probaría si la corona era de oro. 

Al imaginar esto, se dice que salió desnudo corriendo gritando “Eureka” que se traduce como:¡Lo he encontrado!, similar a cuando los estudiantes de bachillerato resuelven un problema de cálculo diferencial y dicen: “ya me giró la ardilla”. Aunque Galileo dijo que lo más probable es que inventó una balanza hidrostática para medir la densidad de metales. 

Otros inventos e ingenieros atribuidos al sabio son la palanca. "Dadme un punto de apoyo y moveré el mundo", el tornillo y la temible garra que atrapaba barcos para hundirlos y que llevan su nombre. En matemáticas se aproximó con bastante precisión el valor del número p, descubrió la relación entre una esfera y un cilindro circunscrito con la misma altura y diámetro:

La esfera tiene un área y un volumen equivalentes a dos tercios de los del cilindro. Recientemente, el libro "El código de Arquímedes" narra en forma de novela la historia de la restauración de un libro antiguo llamado "El Palimpsesto de Arquímedes" que ha sido analizado con diferentes técnicas de imagenología, desde imágenes obtenidas con espectroscopia ultravioleta, infrarroja y de rayos X, para develar como debajo de los escritos de un monje del siglo XIII, se ocultaban varios trabajos de Arquímedes relacionados con descubrimiento prematuro del cálculo diferencial, utilizando una mezcla de razonamientos infinitesimales, gráficos y mecánicos, aproximadamente dos milenos antes de que Newton y Leibniz (siglo XVII), quienes propusieron de manera independiente la invención del cálculo infinitesimal. 

Tristemente durante el sitio de Siracusa en la Segunda Guerra Púnica, las últimas palabras que se atribuyen a Arquímedes fueron: "No molestes mis círculos", en referencia a las figuras que en la arena dibujaba el matemático en sus sesudos estudios, cuando intempestivamente un soldado romano lo interrumpe y le ordena que fuera a ver a su general (Marcelo), pero Arquímedes se negó diciendo: "tengo que trabajar en el problema" y enojado lo mata espada en mano, Marcelo se enfureció porque quería conservar al sabio por su valía como ingeniero y estratega militar para la Roma imperial. 

Tiempo después, Cicerón en el 75 a. C. relata en sus memorias que descubrió el sepulcro de Arquímedes rodeado de zarzas y matorrales, y que luego de limpiarlo en una columnita estaban grabados sobre su sepulcro, la figura de una esfera y un cilindro, cálculo del estaba muy orgulloso Arquímedes, por la relación entre los volúmenes de ambos sólidos, diciendo que el del cilindro es una vez y media el de la esfera, porque este resultado lo obtuvo con muchísimo esfuerzo, haciendo uso de su método de exhaustivo o cálculo diferencial.

Después de narrar la larga biografía de Arquímedes, regresemos a los lentes y microscopios. Varios siglos después diversos inventores y usuarios de microscopios salen a escena, Janssen (1595) del que se dice que inventó el primer microscopio, pero se tienen algunas dudas, porque Nehemiah Grew (1664), Hooke (1665) que acuña por primera vez la palabra célula y usaban microscopios, así Swammerdam (1667), Reigner de Graaf (1667) y Malpighi (1675) también participaron en esta vorágine acerca de la paternidad de la invención y uso del primer microscopio.

Entre todos estos sabios, Anton van Leeuwenhoek, sin apenas estudios formales en ciencia, sobresale como uno de los primeros cazadores de microbios, y es reconocido históricamente como padre de la microscopía, al presentar por primera vez sus observaciones a la Real Sociedad de Ciencias de Londres (1673), usado un microscopio primitivo para evaluar la calidad de las fibras de las telas.

Él documentó con dibujos detallados el mundo microscópico de los "animálculos" contenidos en una gota de agua, el esperma humano, bacterias de los dientes, las células de la sangre, entre otras muestras, iniciando así la era de la microscopía.

Desde ese tiempo a la fecha, y con el desarrollo de la microscopía de electrones (Ruska, 1931), y confocal (Minsky, 1957), solo podíamos "ver" los objetos usando lámparas y láseres en el espectro visible, y/o electrones de alta energía en condiciones de vacío. En ambos casos, los láseres y electrones causan daño a las muestras biológicas por el calor que se genera al "iluminar" los objetos, similar a los espejos cóncavos que supuestamente usó Arquímedes para incendiar barcos romanos. 

Solo hasta 1986 los físicos Gerd Binnig y Heinrich Rohrer ganadores del premio Nobel de ese año, propusieron una alternativa distinta para hacer microscopía, suponemos que pensaron: ¿qué pasaría sí tocamos los objetos a escalas atómicas, como Feynmann sugirió anteriormente (1959)?, y entonces la historia cambió. De esta revolucionaria idea nació el microscopio de fuerza atómica o atomic force microcope (AFM,  por sus siglas en inglés), que no ve con luz, láseres o electrones, aunque parezca contradictorio para el concepto de la microscopia tradicional, de hecho, se puede decir que un AFM no ve, sino que se puede decir que "siente" los objetos, algunas veces también se dice que "toca", pero a escalas atómicas las cosas realmente no se tocan por la repulsión electrostática, pero esas mismas fuerzas electroestáticas de atracción o repulsión son lo que permiten que los AFM funcionen. Para entender esto hay que explicar la exquisita sencillez de la arquitectura de un AFM. 

Lo primero, es que hay que tener una punta muy afilada y compatible con lo que queremos tocar, mover o rayar, así en el principio, el gran logro de las aplicaciones de la AFM fue que mientras que principios de 1990, muchos grupos en todo el mundo todavía estaban tratando de lograr una resolución atómica con el microscopio de túnel de barrido (STM), investigadores de IBM hicieron un rebase por la izquierda, asombrando al mundo al colocar paso a paso 35 átomos de xenón en una superficie de níquel (110) para deletrear el icónico logotipo de IBM. Continuará…

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