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Indice dei contenuti
LE CARATTERISTICHE PRINCIPALI DI UN MICROSCOPIO ELETTRONICO. 1
MICROSCOPIO OTTICO O ELETTRONICO?. 2
COME FUNZIONA IL MICROSCOPIO ELETTRONICO.. 3
MICROSCOPIO ELETTRONICO: COMPONENTI 3
IL MICROSCOPIO ELETTRONICO A SCANSIONE (SEM) 4
IL MICROSCOPIO ELETTRONICO A TRASMISSIONE (TEM) 4
MICROSCOPIO ELETTRONICO PREZZI 6
LE CARATTERISTICHE PRINCIPALI DI UN MICROSCOPIO ELETTRONICO
Parallelamente all’ottica geometrica abbiamo assistito allo sviluppo di una nuova branca dell’ottica che è stata denominata ottica elettronica e che prende fondamento dal pensiero di uno scienziato fisico chiamato De Broglie. Era il 1024 quando lo studioso si basò sul concetto di fotone, che assegnava anche alla luce delle proprietà materiali, per formulare l’ipotesi che anche le particelle materiali potevano comportarsi come i fasci di luce, ed essere quindi dotate di proprietà ondulatorie.
Basandosi su questo pensiero fu possibile realizzare un microscopio elettronico che funziona inviando sul campione da analizzare un fascio di elettroni e analizzando poi le figure di diffrazione che ne scaturivano. Il principale vantaggio di questo tipo di strumento ovviamente sta nell’altissimo potere di risoluzione, che diventa tanto grande quanto è grande la lunghezza d’onda de fascio di luce impiegato. La luce visibile infatti ha una lunghezza d’onda il cui valore si aggira mediamente intorno ai 5000 A, mentre un fascio di elettroni accelerati a circa 100 kV può vantare una lunghezza d’onda di circa 0,05 A: questo vuol dire un potere di risoluzione più grande di circa 100.000 volte!
Questo potentissimo strumento ci consente, quindi, di osservare le minime strutture e i più piccoli dettagli che sarebbe impossibile cogliere con l’utilizzo di un normale microscopio ottico, per quanto potente possa essere. I risultati sorprendenti di un microscopio elettronico sono sorprendenti soprattutto per quel che riguarda gli studi in biologia, in metallurgia e nel campo della medicina.
Per quel che riguarda le caratteristiche tecniche, questo strumento è formato da una sorgente di elettroni, da una lente che svolge la funzione di condensatore magnetico e che serve a indirizzare il fascio di elettroni sul campione che si desidera osservare, da una lente magnetica che ha la funzione di obiettivo, da un’altra lente sempre magnetica che funge da proiettore e che blocca gli elettroni nel campo ottico del sistema, e infine da un elemento che serve a raccogliere le immagini restituite dal microscopio, che può quindi essere una lastra fotografica, una pellicola o uno schermo fluorescente. Tutto il sistema viene mantenuto sottovuoto spinto per evitare che si possano verificare indesiderate dispersioni del fascio di elettroni.
Il microscopio elettronico si basa sulla cosiddetta microscopia elettronica (EM). La tecnologia trova principalmente applicazione per l’analisi di campioni biologici e non biologici. Il settore che più fa largo uso dei microscopi elettronici è la biomedica. In particolare, per l’analisi di tessuti, cellule e macromolecolari.
MICROSCOPIO OTTICO O ELETTRONICO?
I microscopi presenti in commercio si dividono in due grandi macro-famiglie: i microscopi ottici (https://www.guidaconsumatore.com/ottica/microscopi-ottici.html) e i microscopi elettronici. Quali differenze tra i due dispositivi? Sostanzialmente i due strumenti si differenziano dalla tecnologia utilizzata per illuminare il campione da analizzare.
Quest’ultimo, una volta posto sul tipico vetrino, nel caso dei microscopi ottici viene colpito da raggi luminosi. Diversamente, nel caso di un microscopio elettronico, il campione viene colpito da un fascio di elettroni.
La differenza si trasmette sulla capacità di ingrandimento dell’immagine, che risulta molto maggiore in un microscopio elettronico. Tuttavia, mentre la tipologia ottica fornisce un’immagine a colori, il microscopio elettronico fornisce l’ingrandimento in bianco e nero.
Si evidenzia altresì che l’immagine i bianco e nero può, in un secondo momento, essere colorata mediante appositi software.
I microscopi elettronici non sono strumenti comunemente acquistati dai cittadini. Come vedremo nei prossimi paragrafi, lo strumento ha un costo minimo di 100.000 euro e si tratta dunque di un dispositivo acquistato da grandi studi e centri di ricerca.
COME FUNZIONA IL MICROSCOPIO ELETTRONICO
In un microscopio elettronico la sorgente degli elettroni è rappresentata da un filamento di tungsteno molto sottile a forma di “V”, la cui differenza di potenziale negativa viene mantenuta tra 30 e 100 kV. Gli elettroni poi passano nel condensatore magnetico attraverso un foro che si trova nell’anodo; il condensatore ha lo scopo di regolare l’intensità stessa della convergenza del fascio di elettroni.
Il fascio elettronico va poi a colpire il campione da osservare, su cui poi subisce la diffrazione. Le parti del campione che provocano una maggiore deviazione della radiazione sono quelle più spesse e più dense, che risulteranno quindi più scure nell’immagine risultante. Per regolare la nitidezza dell’immagine si effettua una regolazione della corrente, più precisamente nell’avvolgimento dell’obiettivo magnetico. Replicando questa azione sul proiettore si può regolare l’ingrandimento stesso dell’immagine.
MICROSCOPIO ELETTRONICO: COMPONENTI
L’acquisto di un microscopio ottico richiede un’attenzione particolare sulla tipologia di lenti installate, sull’illuminazione, sui sistemi previsti per l’analisi dei campioni e sulle capacità di ingrandimento.
Diversamente, l’acquisto di un microscopio elettronico richiede di scegliere tra complessi componenti. Ad esempio:
- Emettitore: per emettitore si intende la tipologia di elettroni utilizzati per l’analisi dei campioni. In generale gli emettitori sono costituiti da un filamento in tungsteno.
- Rilevatori: la qualità del rilevatore è altresì una componente che determina la qualità del microscopio elettronico. Il rilevatore è, semplificando, la tecnologia utilizzata per analizzare il movimento degli elettroni una volta che hanno colpiti l’immagine.
- Display: infine, un microscopio elettronico può essere dotato di un solo grande schermo per la riproduzione delle immagini come anche di display multipli.
Inoltre, molteplici componenti aggiuntive e personalizzabili caratterizzano i microscopi elettronici, i quali possono essere dotati di:
- una diffrazione elettronica statica a retrodiffusioni
- spettrometri personalizzati e realizzati ad hoc
- complessi sistema di protezione contro le radiazioni.
IL MICROSCOPIO ELETTRONICO A SCANSIONE (SEM)
In questa variante di microscopio elettronico, il fascio di elettroni che va a colpire il campione da esaminare provoca l’emissione da parte del campione stesso di tantissime particelle, tra cui ci sono anche gli elettroni secondari. Sono questi ultimi ad essere individuati da un apposito rivelatore, per poi essere trasformati in impulsi elettrici. In questo strumento il fascio di elettroni non è fisso ma a scansione: passa, cioè, sul campione da esaminare riga dopo riga, in una sequenza di zone rettangolari.
I microscopi elettronici SEM sono utilizzati per ottenere informazioni riguardo la chimica del campione analizzato. Ciò è possibile grazie alla presenza di uno spettrometro a raggi X.
Il microscopio a scansione può raggiungere ingrandimenti fino ad 130.000x con una risoluzione massima di 14nm.
IL MICROSCOPIO ELETTRONICO A TRASMISSIONE (TEM)
In questo tipo di microscopio elettronico il fascio di elettroni, prima di colpire il campione da esaminare, passano in una zona dove è stato creato artificialmente il vuoto, e solo successivamente passano attraverso il materiale da esaminare.
Anche il microscopio a trasmissione permette di analizzare micro e nano particelle. Entrando in dettaglio, la tecnologia utilizzata si basa su un fascio di elettroni accelerato. Quest’ultimo attraversa il corpo e permette di ottenere informazioni basilari riguardo la struttura e la morfologia del campione.
Il TEM permette dunque ingrandimenti impossibili per un classico microscopio ottico. Immagini risultano in alta risoluzione permettono di analizzare campioni di grandezza inferiori ad 1 nm.
L’unico limite di tale microscopio riguarda i campioni che si possono analizzare. È possibile, infatti, ingrandire solo elementi sottili e idonei per essere attraversati dagli elettroni.
IL MICROSCOPIO IONICO
Il microscopio ionico è una variante del microscopio elettronico, realizzata nel 1936 da uno studioso di nome Muller. Il microscopio ionico tra tutti i microscopi è quello più potente e consente di ottenere risoluzioni di livello atomico, con un ingrandimento di circa un 1.000.000 di diametri.
Il microscopio ionico è costituito da un catodo con una punta a forma di ago, sulla quale viene posizionato il campione da osservare, contenuto in una piccola spirale. Successivamente avviene un riscaldamento che permette un’evaporazione sottovuoto; questo processo crea un campo elettrico molto intenso tra il catodo e l’anodo, che ha lo scopo di accelerare gli ioni positivi che provengono dal campione da esaminare. Questi ioni poi colpiscono uno schermo fluorescente che permette di visualizzare un’immagine ingrandita della superficie esaminata.
Questo complesso strumento viene utilizzato principalmente per esaminare le superfici dei reticoli di composti conduttori, metalli e leghe, oltre che per l’esame di fenomeni come la catalisi.
QUALE MICROSCOPIO COMPRARE
Come vedremo nel prossimo paragrafo, il prezzo e la tecnologia non possono essere gli unici parametri da considerare prima di acquistare un microscopio.
In commercio sono presenti microscopi ottici per ragazzi a partire da 50, 60 euro, come microscopi elettronici da diverse centinaia di migliaia di euro utilizzati all’interno dei laboratori.
Si evidenzia che i microscopi elettronici sono strumenti complessi adoperati presso centri di ricerca e laboratori. Questi non si trovano in commercio su Amazon o nei negozi di elettronica, e sono praticamente inaccessibili per costi e complessità di utilizzo alle persone.
Per partire si può pensare di acquistare un microscopio ottico monoculare, il quale permette di analizzare il campione da un solo occhio. I monoculari sono i microscopi più economici in commercio. Aumenta il livello di professionalità quando si opta per un microscopio binoculare, ciò permette di analizzare il campione con entrambi gli occhi ed è ideale per osservazioni prolungate.
Esistono inoltre anche microscopi trinoculari, apparecchi sofisticati che non solo permettono di analizzare il campione con entrambi gli occhi ma sono anche dotati di una telecamera che ha la funzione di filmare le osservazioni.
E infine, la tecnologia oggi presenta microscopi digitali, i quali sono direttamente collegati ad uno schermo. Quest’ultimo ha la funzione di riportare l’immagine ingrandita oltre che di permettere a più persone di analizzare il campione.
Una volta scelto tra microscopio monoculare, binoculare o trinoculare, vi sono altri aspetti che caratterizzano i microscopi ottici o elettronici.
- La testa: cioè il supporto degli oculari che può essere dritta o inclinata. In generale la testa inclinata è installata nei microscopi professionali. La scelta dell’una o dell’altra non è irrilevante. Una testa inclinata favorisce l’uso prolungato del microscopio. Una testa dritta risulta meno confortevole.
- Le lenti: in commercio si trovano a buon mercato lenti in plastica che, come intuibile, sono installate nei microscopi ottici di bassa qualità fino ad arrivare a lenti in vetro fondamentali per un lavoro di ricerca professionale. In particolare, è bene optare per un microscopio dotato di lenti in vetro che limitino il fenomeno della rifrazione e a bassa dispersione.
- Elettronica: al di là della tecnologia, il termine elettronico viene altresì utilizzato per indicare la presenza di uno schermo in LCD il quale consente di analizzare l’immagine ingrandita e senza dover utilizzare gli oculari. Nei sofisticati microscopi ottici gli schermi possono essere più di uno.
- Illuminazione: aspetto non meno importante è la capacità del microscopio di illuminare correttamente il campione analizzato. È bene dunque far attenzione alla lampada integrata al microscopio. Questa può essere a Led o alogena. Non esiste in generale un’illuminazione assolutamente migliore di un’altra. Molto dipende dalla tipologia del materiale da analizzare.
MICROSCOPIO ELETTRONICO PREZZI
I più curiosi potrebbero chiedersi quali sono i prezzi per un microscopio elettronico. Come visto i costi sono praticamente inaccessibili per la maggior parte della popolazione. Basti pensare che il modello FEI Tecnai F20 ha un prezzo stimato di oltre 500.000 euro. Esistono sicuramente microscopi elettronici a prezzi più accessibili ma comunque superiori ai 100.000 euro. Ad esempio, i modelli SEM Hitachi 3000N e Zeiss EVO 40.
Diversi fattori rendono i microscopi elettronici così costosi. In particolare: sono altamente configurabili, altamente performanti e sono dotati di una risoluzione enormemente migliore rispetto ai classici microscopi ottici.
Ad esempio, per quanto riguarda la risoluzione i microscopi elettronici risolvono immagini piccole anche 0,18 nanometri.
Inoltre, bisogna considerare che un tecnico prima di riuscire a padroneggiare lo strumento deve frequentare appositi corsi di formazione.
Infine, i costi di un microscopio elettronico non sono solo derivanti dall’acquisto.
La complessità dello strumento richiede anche importanti costi di manutenzione e costi di configurazione del sistema. Per tali motivi, i microscopi elettronici sono spesso o acquistati in leasing o presi in affitto.
