Um microscópio óptico comum, que forma uma imagem com luz visível e lentes de vidro, não consegue mostrar detalhes menores que cerca de 200 nanômetros, ou 0,2 micrômetro. Um nanômetro é um bilionésimo de metro, e um micrômetro é um milionésimo de metro. Esse limite vem do modo como a luz se comporta como onda, e é aproximado.

Tamanho

O limite está na resolução: a menor distância entre dois pontos que um microscópio ainda consegue mostrar como separados. Pontos mais próximos que isso se misturam em um só. O limite não depende da ampliação. Além de cerca de 1.000 vezes, ampliar ainda mais a imagem a deixa maior, mas não mostra mais detalhes.

Em 1873, o microscopista Ernst Abbe publicou uma equação mostrando que a resolução depende do comprimento de onda da luz. No melhor caso, ela é cerca de metade do comprimento de onda. Uma forma comum do cálculo divide o comprimento de onda pelo dobro da abertura numérica, um número que mede quanta luz a lente capta.

As melhores lentes observam através de uma gota de óleo e alcançam uma abertura numérica de cerca de 1,4. Com luz verde, de 550 nanômetros de comprimento, elas conseguem resolver detalhes a cerca de 0,2 micrômetro de distância. Com luz vermelha, de 700 nanômetros, o mesmo tipo de cálculo dá um limite mais grosseiro, e com luz violeta, um limite mais fino.

Comparações de tamanho

• Um glóbulo vermelho, com cerca de 7,5 micrômetros de largura, é cerca de 37 vezes o limite, por isso sua forma aparece com clareza.
• Uma partícula de Mimivirus, com cerca de 750 nanômetros de largura, é quase quatro vezes o limite. Ela é grande o suficiente para ser vista com um microscópio óptico, algo raro para um vírus.
• Uma partícula de HIV, com cerca de 145 nanômetros de largura, é menor que o limite, por isso um microscópio óptico não consegue mostrar sua forma.
• Cerca de 400 a 500 detalhes no limite caberiam na largura de um fio de cabelo humano, que tem de 80 a 100 micrômetros de largura.
• Se o limite fosse ampliado para 1 milímetro, a menor marca de uma régua métrica, um fio de cabelo teria de 40 a 50 centímetros de largura. Uma partícula de HIV teria cerca de 0,7 milímetro de largura, menor que uma das marcas da régua.

Ver um ponto sem ver sua forma

O limite está no detalhe, não na detecção de algo em si. Uma única molécula que brilha pode aparecer em um microscópio comum como um ponto de luz, se estiver a mais de 0,2 micrômetro de qualquer outra molécula que brilhe. O ponto fica borrado até o tamanho do limite, por isso revela onde a molécula está, mas não como ela é.

Comprimentos de onda mais curtos revelam detalhes mais finos. Microscópios que usam luz próxima do ultravioleta conseguem resolver detalhes menores que os que usam luz visível. Microscópios eletrônicos vão muito além. Os elétrons que eles usam se comportam como ondas com comprimento de onda de cerca de 0,005 nanômetro, muito mais curto que o da luz.

Superando o limite

Durante a maior parte do século 20, os cientistas acreditavam que microscópios ópticos jamais poderiam mostrar algo menor que cerca de 0,2 micrômetro. Stefan Hell propôs uma forma de contornar o limite em 1994 e demonstrou seu funcionamento em 2000. Seu método usa um pulso de luz para fazer moléculas brilharem e um segundo feixe de laser, em forma de anel, para apagar o brilho de todas as moléculas, exceto as de um ponto minúsculo.

W. E. Moerner e Eric Betzig desenvolveram outro método, que ativa apenas algumas moléculas brilhantes de cada vez e combina muitas imagens. Os três dividiram o Prêmio Nobel de Química de 2014 "pelo desenvolvimento da microscopia de fluorescência de super-resolução". Nas palavras da Real Academia Sueca de Ciências, que concede o prêmio, o trabalho deles significa que "a microscopia se tornou nanoscopia".

Fontes

• How the optical microscope became a nanoscope. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.
• The Nobel Prize in Chemistry 2014: Press release. Royal Swedish Academy of Sciences, 2014.
• Resolution. Nikon MicroscopyU.
• Numerical Aperture. Nikon MicroscopyU.
• Instruments of Microscopy. In Microbiology. OpenStax, 2016.
• Erythrocytes. In Anatomy and Physiology, 2nd edition. OpenStax, 2022.
• Structural Studies of the Giant Mimivirus. Xiao et al., PLoS Biology, 2009.
• Thirty-thousand-year-old distant relative of giant icosahedral DNA viruses with a pandoravirus morphology. Legendre et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014.
• Structural organization of authentic, mature HIV-1 virions and cores. Briggs et al., The EMBO Journal, 2003.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.