Blog en original en inglés por Natalie Hudson-Smith
Editado por Becky Rodriguez
Originalmente publicado 18 de Agosto 2017

En la década de 1930, el diseñador de microscopios Royal Rife hizo un impacto con informes de que había diseñado un nuevo microscopio que podía ver objetos a nanoescala como viruses!¹ El único problema fue que no funcionó. De hecho, no podía funcionar según la física básica de la luz. Rife estaba tratando de mejorar el microscopio óptico (que utiliza luz visible a través de lentes) pero las hazañas afirmaron que no sería posible sin un microscopio electrónico.

¿Pero por qué?

Tal vez ya has notado cuántos tipos de microscopios hay, desde los simples microscopios ópticos (como el microscopio emoji 🔬) hasta microscopios electrónicos costosos y complejos. Letanía de microscopios electrónicos con nombres tan largos que hicimos siglas– SEM, TEM, STEM* – tornando nuestros cuadernos del laboratorio en una sopa alfabética. Los microscopios electrónicos son una valiosa herramienta en la nanotecnología porque nos permiten visualizar y entender los objetos que se encuentran en la nanoescala.

Así que ¿cuál es la diferencia entre un microscopio electrónico y un sencillo microscopio óptico? Simplemente tomar el microscopio de un laboratorio de biología de la secundaria, colocar un par de lentes más en él, aumentas la magnificación y verificas algunas nanopartículas? ¿Por qué no podemos utilizar el mismo tipo de microscopio para visualizar todo tipo de espécimen?

En 1932, un hombre llamado Royal Raymond Rife hizo las mismas preguntas. Reclamó haber inventado un microscopio óptico (similar al que tú podrías haber usado en el laboratorio de la secundaria) que utilizaba luz visible para ver objetos a  nanoescala. Rife parecía un microscopista acreditado– estaba empleado por Zeiss, una empresa que todavía fabrica microscopios para los científicos en la actualidad.²

Sin embargo, sus inventos nunca se mantuvieron fieles a sus afirmaciones.

Rife empezó a diseñar sus propios microscopios y los nombró desde Rife 1 a 5. De estos microscopios, el Rife 3 fue el más famoso y más codiciado. El Rife 3 fue promocionado como un «Microscopio Universal» – un microscopio para todas tus necesidades. Rife afirmó incluso que este dispositivo podría resolver imágenes de la virus vivos y activos, que eran demasiado pequeños (~ 200 nm o 200 mil millonésima parte de un metro) para visualizar con las técnicas de microscopía existentes en ese momento.^3,4

Si Rife estuviera diciendo la verdad, esto hubiera sido un descubrimiento innovador en microscopía. Las técnicas modernas de microscopía pueden resolver imágenes de virus como la anterior pero requieren una larga y tediosa preparación para desactivar e inmovilizar el virus. Estas preparaciones incluyen tinción de un virus para dar contraste, incrustando el virus teñido en una resina plástica (como un insecto en ámbar) y cortando finas secciones transversales del plástico para examinar uno por uno ⁵ Estos procesos son tan caros y tediosos que hasta los científicos modernos estarían deseosos de tener técnicas alternativas como las que Rife prometía.

Por supuesto, los reclamos de Rife generaron interés entre sus colegas y pidieron utilizar el dispositivo para observar a estos increíbles descubrimientos propios. Fue en este punto que la gente comenzó a darse cuenta de que Rife no estaba representando sus microscopios honestamente.

Aunque sus microscopios funcionaron como microscopios, no lograron su alegación – la habilidad de ver un virus. Para tener mayor aumento, Rife había agregado muchos lentes extra a sus dispositivos. Estos lentes ligeramente proporcionaban mayor aumento pero reducían bastante la resolución e introdujeron muchos artefactos ópticos. (Ver este post que ilustra el aumento vs resolución utilizando fotos de perros.)  Es posible que Rife viera estos artefactos ópticos y pensara sinceramente que eran virus. Basado en mi investigación, no puedo estar segura si él trató deliberadamente de engañar a la gente.

En última instancia, las hazañas de Rife, el llamado «Microscopio Universal» – nunca fueron replicadas por otros científicos. Otros investigadores que pidieron los microscopios del modelo Rife 3 los recibieron con partes que faltaban, entonces nunca pudieron construir el microscopio. Al final, Rife utilizó las partes del único completo Rife 3 para hacer los modelos más recientes de sus microscopios, que él nunca pretendió ser Universal. Royal Rife murió desacreditado y sin un centavo. (Él, sin embargo, ganó algunas competiciones de lanchas e inventó una guitarra de 100 cuerdas, así que no todo estaba perdido

Basado en nuestro entendimiento moderno de la difracción de la luz, sabemos que es físicamente imposible que los microscopios de Rife trabajen como él afirmaba. La microscopía a menudo se refiere como un sistema limitado de difracción»– esto significa que la resolución del microscopio es limitada por la longitud de onda utilizada para observar un objeto. (Lo mismo es cierto para un telescopio o una cámara). Cuando las ondas de luz pasan a través de un pequeño orificio (como el diafragma de una cámara o un microscopio), se curvan como mostrado en la figura de abajo. Esta curvatura de las ondas de luz se llama difracción.

Recuerda que vemos los objetos cuando las ondas de luz rebotan de los mismos y llegan a nuestros ojos (para recordar esta idea, revise esta publicación anterior). Pero el objeto tiene que ser lo suficientemente grande para que la luz rebote del mismo – los tamaños de puntos de luz representados (no están a escala) en la figura superior son básicamente los menores tamaños de los que cada longitud de onda rebotará.

Entonces, aunque el poder de aumento y resolución de algunos microscopios está limitado por el número y calidad de los lentes, incluso el microscopio diseñado más perfecto estaría limitado por la longitud de onda de la luz visible. Podemos determinar este límite por una simple regla de pulgar desarrollada en 1873 -mucho antes de que Rife fabricara sus microscopios -por un físico llamado Ernest Abbe.

La ecuación del Límite Abbe de difracción es

d = λ/1.6

donde λ (lambda) es la longitud de onda de la luz y 1.6 es una constante que representa la forma y calidad del microscopio y es el tamaño del punto de luz  hecho por nuestra luz difractada.⁶

Podemos calcular los diversos tamaños de spot para diferentes colores en el espectro visible basado en conocer sus longitudes de onda.**

Por ejemplo, para una luz roja con longitud de onda de 700 nm,

d = 700 nm / 1.6

d = 437 nm, que significa que todo lo que sea menor a 437 nm no podría ser resuelto en un microscopio que utiliza esa luz roja.

Si hacemos el mismo cálculo para luz azul (λ = 475 nm), obtendríamos un tamaño de punto de luz de 297 nm. Como 297 nm es mayor a muchos virus (que van desde 20 a 400 nm), este tamaño de punto de luz es muy grande! Un microscopio que confía en ver cosas con luz visible normal simplemente no funcionará.

Esto es como tratar de medir la longitud de una sandía mirando el cuentakilómetros de tu auto cuando pasas junto a ella! Puedes tratar de conducir al lado de la sandía desde un extremo al otro, pero la circunferencia del neumático del auto es demasiado grande para dar una medida exacta de la longitud de la sandía, entonces el cuentakilómetros nunca sería capaz de mostrar la longitud de una simple sandía. Así como es imposible (y ridículo) medir una sandía usando el cuentakilómetros de un auto, es imposible observar virus usando la longitud de onda de la luz visible.

Claramente, la luz visible no es la herramienta adecuada para estudiar virus, entonces ¿qué otra cosa podríamos usar?

Resulta que los electrones (un componente de los átomos, junto con protones y neutrones) tienen una longitud de onda (λ) de 1.23 nm. Esto es mucho más pequeño comparado con la longitud de onda más corta de luz visible!

Si lo colocamos en nuestro cálculo Abbe,

d = 1.23 nm / 1.6 = 0.77 nm

hallamos un tamaño de spot de 0.77 nm que es mucho menor que nuestros virus!

Utilizando electrones en vez de luz visible, podemos resolver cosas aún menores que un nanométro (una mil millonésima parte de un metro). Este es el motivo por el cual muchos nanocientíficos (yo incluida) utilizan microscopios electrónicos para estudiar nanomateriales como los materiales de baterías de óxido de cobalto, manganeso, níquel, litio (ver publicaciónes del blog aquí y aquí) o nanopartículas de sílica mesoporosas (mostradas a continuación) que tienen una variedad de aplicaciones médicas y tecnológicas posibles.

Hay muchos tipos de microscopios electrónicos y muchas técnicas diferentes dentro de la microscopía electrónica. A pesar de estas diferencias, en la raíz de todas ellas está la simple razón por la que utilizamos la microscopía electrónica – el límite de difracción. Y es esta muy simple limitación que impedió que los sueños de Rife se volverian realidad para el campo de la microscopía y en última instancia lo que mantienó al Rife 3 fuera de los libros de historia – una ley relativamente simple de la física.

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Una nota para los lectores

Aunque es una figura interesante en la historia, Royal Rife es una persona increíblemente difícil de la cual obtener información. Esto se debe a que él también reclamó haber inventado una cura para el cáncer (no lo hizo) y su «trabajo médico» sufrió un revival seudocientífico en la década de 1980. En esta publicación del blog, cubrimos sólo sus invenciones de microscopía (o su carencia). La información precisa sobre su investigación médica es escasa y difícil de hallar entre todos los argumentos de venta de su llamada cura.⁷

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Notas al pie

* SEM es Microscopía de Barrido Electrónico, TEM es Microscopía de Transmisión Electrónica, AFM es Microscopía de Fuerza Atómica, STEM es Microscopía Electrónica de Transmisión de Barrido. Cada una de ellas merece su propio blog y se puede encontrar más sobre ellas aquí, aquí, aquí, y aquí.

** El denominador 1.6 que estoy utilizando aquí supone el microscopio más perfecto posible, consideramos que estos son los mejores resultados posibles y no es probable que se obtengan en algún microscopio de verdad!

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RECURSOS EDUCATIVOS

• La Sociedad de Microscopios Americanos: Project Micro actividad para niños en la secundaria (en inglés)
• Museo de Ciencía en Boston: How SEM Works animación y presentación (en inglés)
• Educación de Descubrimentio: Virtual Electron Microscope (en inglés)
• Video de Microscopía de Barrido Electrónico (SEM) : A Boy and His Atom: The World’s Smallest Movie (en inglés)

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REFERENCIAS

1. Wikipedia, Royal Rife (website)
2. DaveF. (2002-2005) History of Royal R. Rife, Jr. (and the Rife Ray machine). DFE Research, 2002-2005 (website)
3. Seidel, E. & Winter, M. (1944). The New Microscopes. Annual Report of the Board of Regents of the Smithsonian Institution. Smithsonian Institution: 207–216.
4. Rosenow, EC (1932). Observations With The Rife Microscope Of Filter-Passing Forms Of Microorganisms. Science. 76 (1965): 192–3. PMID 17795318. doi: 10.1126/science.76.1965.192.
5. Laue, M. (2010) Electron Microscopy of Viruses. Methods in Cell Biology: 96, 1-20. doi:10.1016/S0091-679X(10)96001-9
6. Wikipedia, Numerical Aperture (website)
7. McElroy, J. (2014) Royal Rife’s Cancer-Curing Death Ray. Sawbones (podcast)