Para explicar por qué le encanta la microscopía electrónica, el profesor asociado James LeBeau usa una analogía: compara la técnica, que usa haces de electrones para iluminar materiales a una escala miles de veces más pequeña que los microscopios convencionales, con la inversa de la astronomía.

“Es descubrir cosas que ningún ser humano ha visto antes lo que realmente captura la imaginación”, dice LeBeau. “Hay una belleza en la forma en que los átomos se organizan en los materiales, particularmente en los defectos, que dan lugar a todo tipo de comportamiento material”.

LeBeau ha usado esa pasión para desarrollar nuevas técnicas para recopilar e interpretar datos en microscopía electrónica que se pueden usar para describir materiales de manera más completa. Ha aplicado esas técnicas para explicar el comportamiento de los materiales en campos que van desde la electrónica y la óptica hasta el almacenamiento de energía, la computación cuántica y más.

“Más allá de explicar las propiedades de los materiales, también hay un componente computacional significativo en la microscopía electrónica, ya que se utiliza para analizar datos que pueden haberse pasado por alto anteriormente y para sacar conclusiones sobre los datos de nuevas maneras. Y, con la creación de la facultad de computación, es un momento emocionante para estar en el MIT”, dice.

Descubriendo una pasión

LeBeau se interesó en la ingeniería mientras ayudaba a su padre a construir y reparar cosas en la casa, y descubrió el amor por la ciencia a una edad temprana.

“La ciencia puede proporcionar una explicación del mundo que nos rodea más allá de las creencias sobrenaturales”, dice LeBeau. “Para mí, la ciencia se trataba de dar sentido al mundo”.

LeBeau aprendió por primera vez sobre la ciencia de los materiales a través de la escuela secundaria técnica a la que asistió en Indiana. Pero no fue hasta que se graduó en el Instituto Politécnico Rensselaer en Nueva York que algunas experiencias fundamentales ayudaron a establecer el rumbo de su vida.

Durante su primer año, participó en un proyecto que utilizaba la ciencia de datos para predecir las propiedades de los materiales.

“Después de eso me enganché, y en ese momento supe que quería seguir el camino académico”, recuerda. “El simple hecho de poder explorar cosas y tener esa libertad académica realmente me atrajo”.

Unos años más tarde, en 2005, LeBeau participó en un programa de investigación de verano para estudiantes universitarios en lo que ahora es el Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT. La experiencia, en la que integró biopolímeros en un proceso de fundición, avivó su interés en utilizar la ciencia de los materiales para la sustentabilidad. La pasión de los investigadores del MIT también le dejó una impresión duradera.

Finalmente, en su último año, LeBeau probó por primera vez la microscopía electrónica.

“Estábamos en el laboratorio en medio de la noche analizando estos materiales, y esa emoción me llamó la atención desde el principio”, dice LeBeau. “Realmente no importaba cuánto trabajaba, me encantaba hacerlo y eso sentó las bases para el resto de mi carrera”.

Durante su doctorado en la Universidad de California en Santa Bárbara, LeBeau formó parte de un equipo que demostró que la teoría y el experimento de microscopía electrónica de transmisión de barrido concuerdan muy bien y, a su vez, que los atogramos (una millonésima de una billonésima de gramo) de material podría pesarse directamente a partir de imágenes de microscopía electrónica sin necesidad de estándares de calibración de microscopio externos.

LeBeau también descubrió su pasión por andar en bicicleta por las montañas cercanas al campus de UC Barbara, una actividad que continúa recorriendo miles de millas al año, incluso hasta el MIT, casi todos los días, independientemente del clima.

Después de su doctorado, LeBeau aceptó un puesto de profesor en la Universidad Estatal de Carolina del Norte, donde trabajó durante ocho años antes de que se abriera un puesto similar en el MIT en 2019.

Desde que se mudó al MIT, LeBeau ha ayudado al Instituto a adoptar equipos de microscopía electrónica de última generación que los investigadores de todo el campus han aprovechado en MIT.nano y en otros lugares.

“Como microscopista electrónico, el equipo que uso es extremadamente costoso de mantener y requiere que se convierta en un recurso compartido. Estoy feliz de que sea así porque, en última instancia, los usuarios de todo el campus se benefician de estas herramientas y avanzan en su ciencia a través de esta infraestructura compartida”, dice LeBeau. “En términos más generales, el microscopio desafía rutinariamente lo que las personas creían saber sobre los materiales que están estudiando. Los resultados siempre son emocionantes”.

Creatividad y cuantificación

Cuando es el turno de su grupo en el microscopio, LeBeau dice que tratan de resolver problemas difíciles que requieren nuevas formas de recopilar e interpretar datos.

“Elegimos preguntas que no son fáciles de responder a través de otros métodos y que requieren nuevas formas de extraer información de nuestros conjuntos de datos para sacar conclusiones”, dice LeBeau.

Un tipo de material que LeBeau ha estudiado son los relajantes ferroeléctricos, que se utilizan para aplicaciones que incluyen ultrasonidos, actuadores y almacenamiento de energía. Los materiales se han estudiado durante décadas, pero son extremadamente heterogéneos a nanoescala, lo que dificulta la explicación de sus propiedades electromecánicas. Al analizar la estructura de los materiales utilizando nuevas técnicas de microscopía electrónica, el grupo de LeBeau pudo explicar sus propiedades de una manera que podría ayudar a crear versiones más sostenibles del material, que actualmente contienen plomo.

“El impacto siempre está a la vanguardia de todo lo que hacemos”, explica LeBeau. “Cuando buscamos problemas, el espacio de la aplicación es muy importante porque nos dice si los conocimientos pueden cambiar la forma en que opera un espacio completo”.

Un área de la investigación de LeBeau explora formas de utilizar el aprendizaje automático para ayudar al microscopio a recopilar datos más rápido que un ser humano.

“La microscopía electrónica de transmisión en general suele ser una técnica muy lenta”, explica LeBeau. “Pero puede imaginar un caso en el que un microscopio autónomo pueda alinear un microscopio y una muestra mucho más rápido y de una manera mucho más reproducible que un ser humano. Hacerlo nos permitiría recopilar una descripción estadística completa del material. Ahí es donde el aprendizaje automático puede desempeñar un papel: en la extracción de más datos de lo que ya hemos adquirido, pero también en la adquisición misma”.

De hecho, hacer que la microscopía electrónica sea más cuantitativa y reproducible ha sido un tema de la carrera de LeBeau. Pero él no cree que cuantificar algo se haga a expensas de la creatividad.

“La ciencia es verdaderamente una salida creativa”, dice LeBeau. “La creatividad proviene no solo de crear nuevos diseños de experimentos o teorías, sino también de decidir cómo presentar sus datos de manera visualmente atractiva e informativa. Hay un elemento creativo importante en lo que hacemos”.