¿Qué es un microscopio electrónico? Aprendiendo y Estudiando para siempre

¿Cuál es la cosa más pequeña que has visto? ¿Tal vez un pelo, una cabeza de alfiler o una especie de polvo? Si cambia los ojos por un par de los microscopios más poderosos del mundo, podrá ver cosas 100 millones de veces más pequeñas: bacterias, virus, moléculas, ¡incluso los átomos en los cristales serían claramente visibles para usted!

Los microscopios ópticos ordinarios (microscopios basados en la luz), como los que se encuentran en un laboratorio escolar, no son lo suficientemente buenos como para ver las cosas con tanto detalle. Se necesita un microscopio electrónico mucho más poderoso , que utiliza rayos de electrones en lugar de rayos de luz, para llevarnos a las nanodimensiones. ¡Echemos un vistazo más de cerca a los microscopios de electrones y cómo funcionan!

Foto: este microscopio electrónico en el Laboratorio Nacional de Argonne puede producir imágenes 1000 veces más nítidas que cualquier microscopio óptico convencional (basado en la luz). Por cortesía del Departamento de Energía de los Estados Unidos.

Viendo con electrones.

Podemos ver objetos en el mundo que nos rodea porque los rayos de luz (ya sea del Sol o de otra fuente de luz, como una lámpara de escritorio) se reflejan en ellos y en nuestros ojos. Nadie sabe realmente cómo es la luz, pero los científicos se han basado en la idea de que tiene una especie de personalidad dividida. Les gusta llamar a esta dualidad onda-partícula , pero la idea básica es mucho más simple de lo que parece. A veces la luz se comporta como un tren de olas, como las olas que viajan sobre el mar. Otras veces, es más como un flujo constante de partículas: un bombardeo de balas de cañón microscópicas, si lo desea. ¡Puedes leer estas palabras en la pantalla de tu computadora porque las partículas de luz se transmiten de la pantalla a tus ojos en una especie de masa, granizada horizontal! Llamamos a estas partículas individuales de fotones de luz: cada uno es un pequeño paquete de energía electromagnética.

Ver con fotones está bien si quieres ver cosas que son más grandes que los fotones. Pero si quieres ver cosas que son más pequeñas, los fotones resultan ser bastante torpes e inútiles. Imagínate si fueras un maestro tallador de madera, famoso en todo el mundo por los muebles finamente tallados que hiciste. Para tallar detalles finos, necesitaría herramientas pequeñas, afiladas y precisas más pequeñas que los patrones que quería hacer. Si todo lo que tuvieras fuera un martillo y una pala, tallar intrincados muebles sería imposible. La regla básica es que las herramientas que usa deben ser más pequeñas que las cosas en las que las está utilizando.

Y lo mismo ocurre con la ciencia. Si quieres ver cosas finamente detalladas que son más pequeñas que los fotones, necesitas usar partículas que son más pequeñas que las de los fotones para empezar: en otras palabras, debes usar los electrones . Como probablemente sepas, los electrones son las partículas cargadas por minuto que ocupan las regiones externas de los átomos. (También son las partículas que transportan electricidad alrededor de los circuitos). En un microscopio electrónico, una corriente de electrones reemplaza a un rayo de luz y nos permite ver cosas más pequeñas incluso que la luz misma.

Foto: Dentro de un átomo: los electrones son las partículas que ocupan las conchas (u orbitales) alrededor del núcleo (centro).

Cómo funcionan los microscopios electrónicos

Si alguna vez ha usado un microscopio común, sabrá que la idea básica es simple. Hay una luz en la parte inferior que brilla hacia arriba a través de una delgada rebanada de la muestra. Mire a través de un ocular y una lente potente para ver una imagen considerablemente ampliada de la muestra (generalmente de 10 a 200 veces más grande). Así que esencialmente hay cuatro partes importantes en un microscopio ordinario:

La fuente de luz.
El especimen.
Las lentes que hacen que el espécimen parezca más grande.
La imagen ampliada del ejemplar que se ve.

En un microscopio electrónico, estas cuatro cosas son ligeramente diferentes.

La fuente de luz es reemplazada por un haz de electrones en movimiento muy rápido.
El espécimen por lo general tiene que estar especialmente preparado y mantenerse dentro de una cámara de vacío desde la que se bombea el aire (porque los electrones no viajan muy lejos en el aire).
Las lentes se reemplazan por una serie de electroimanes en forma de bobina a través de los cuales viaja el haz de electrones. En un microscopio ordinario, las lentes de vidrio doblan (o refractan) los rayos de luz que pasan a través de ellos para producir un aumento. En un microscopio electrónico, las bobinas doblan los haces de electrones de la misma manera.
La imagen se forma como una fotografía (llamada micrografía electrónica ) o como una imagen en una pantalla de TV.

Esa es la idea básica y general de un microscopio electrónico. Pero en realidad hay muchos tipos diferentes de microscopios electrónicos y todos funcionan de diferentes maneras. Los tres tipos más conocidos se denominan microscopios electrónicos de transmisión (TEM), microscopios electrónicos de barrido (SEM) y microscopios de exploración de túneles (STM). Ten en cuenta que eso se deletrea “túnel” si eres británico.

Foto: Izquierda: Estudio de un espécimen con un microscopio electrónico de transmisión. El cañón de electrones está en el tubo gris alto en la parte superior. Por cortesía del Centro de Investigación Glenn de la NASA. A la derecha Un microscopio electrónico de barrido típico. El equipo principal de microscopio está en el extremo izquierdo. Puedes ver la imagen que produce en las dos pantallas. Por cortesía del Centro de Investigación Langley de la NASA.

Microscopios electrónicos de transmisión (TEM)

Un TEM tiene mucho en común con un microscopio óptico ordinario. Tienes que preparar una rebanada delgada de la muestra con bastante cuidado (es un proceso bastante laborioso) y colocarla en una cámara de vacío en el centro de la máquina. Cuando haya hecho eso, dispara un haz de electrones hacia abajo a través de la muestra desde un cañón de electrones gigante en la parte superior. La pistola usa bobinas electromagnéticas y voltajes altos (típicamente de 50,000 a varios millones de voltios) para acelerar los electrones a velocidades muy altas. Gracias a la dualidad de onda-partícula de nuestro viejo amigo, los electrones (que normalmente consideramos partículas) pueden comportarse como ondas (al igual que las ondas de luz pueden comportarse como partículas). Cuanto más rápido viajan, más pequeñas son las ondas que forman y más detalladas son las imágenes que muestran. Una vez alcanzada la velocidad máxima, los electrones hacen zoom a través del espécimen y salen por el otro lado, donde más bobinas los enfocan para formar una imagen en la pantalla (para una visualización inmediata) o en una placa fotográfica (para hacer un registro permanente de la imagen). Los TEM son los microscopios electrónicos más potentes: podemos usarlos para ver cosas de solo 1 nanómetro de tamaño, por lo que se magnifican de manera efectiva en un millón de veces o más.

Cómo funciona un microscopio electrónico de transmisión (TEM)

Un microscopio electrónico de transmisión dispara un haz de electrones a través de un espécimen para producir una imagen ampliada de un objeto.

Un suministro de electricidad de alto voltaje alimenta el cátodo.
El cátodo es un filamento calentado, un poco como el cañón de electrones en un antiguo televisor de tubo de rayos catódicos (TRC). Genera un haz de electrones que funciona de manera análoga al haz de luz en un microscopio óptico.
Una bobina electromagnética (la primera lente) concentra los electrones en un haz más potente.
Otra bobina electromagnética (la segunda lente) enfoca el haz sobre una cierta parte de la muestra.
El espécimen se asienta sobre una rejilla de cobre en el medio del tubo del microscopio principal. El rayo pasa a través del espécimen y “recoge” una imagen de él.
La lente del proyector (la tercera lente) amplía la imagen.
La imagen se vuelve visible cuando el haz de electrones llega a una pantalla fluorescente en la base de la máquina. Esto es análogo a la pantalla de fósforo en la parte frontal de un televisor antiguo.
La imagen se puede ver directamente (a través de un portal de visualización), a través de binoculares al lado, o en un monitor de TV conectado a un intensificador de imágenes (lo que hace que las imágenes débiles sean más fáciles de ver).

Microscopios electrónicos de barrido (SEM)

La mayoría de las imágenes de microscopios electrónicos que se ven en los libros, cosas como las avispas que tienen microchips en la boca, no están hechas por TEM, sino por microscopios electrónicos de barrido (SEM), que están diseñados para hacer imágenes de las superficies de objetos pequeños. Al igual que en un TEM, la parte superior de un SEM es un potente cañón de electrones que dispara un haz de electrones hacia abajo en la muestra. Una serie de bobinas electromagnéticas tiran del haz hacia adelante y hacia atrás, explorándolo lenta y sistemáticamente a través de la superficie del espécimen. En lugar de viajar a través del espécimen, el haz de electrones rebota efectivamente de él. Los electrones que se reflejan en la muestra (conocidos como electrones secundarios) se dirigen a una pantalla, similar a una pantalla de televisión de rayos catódicos, donde crean una imagen similar a la de un televisor. Las SEM son generalmente 10 veces menos potentes que las TEM (por lo que podemos usarlas para ver cosas de aproximadamente 10 nanómetros de tamaño). En el lado positivo, producen imágenes en 3D muy nítidas (en comparación con las imágenes planas producidas por los TEM) y sus muestras necesitan menos preparación.

Foto: Imágenes típicas producidas por un SEM. Izquierda: una micrografía electrónica de barrido coloreada artificialmente que muestra Salmonella typhimurium (rojo) que invade las células humanas cultivadas. Derecha: Una micrografía electrónica de barrido de la bacteria Escherichia coli (E. coli). Fotos por cortesía de Rocky Mountain Laboratories, el Instituto Nacional de Alergias y Enfermedades Infecciosas de los Estados Unidos (NIAID) y el Instituto Nacional de Salud de los Estados Unidos.

Cómo funciona un microscopio electrónico de barrido (SEM)

Un microscopio electrónico de barrido escanea un haz de electrones sobre un espécimen para producir una imagen ampliada de un objeto. Eso es completamente diferente de un TEM, donde el haz de electrones atraviesa el espécimen.

Los electrones se disparan en la máquina.
La parte principal de la máquina (donde se escanea el objeto) está contenida dentro de una cámara de vacío sellada porque los haces de electrones precisos no pueden viajar efectivamente a través del aire.
Un electrodo cargado positivamente (ánodo) atrae a los electrones y los acelera en un haz energético.
Una bobina electromagnética lleva el haz de electrones a un enfoque muy preciso, muy parecido a una lente.
Otra bobina, más abajo, dirige el haz de electrones de lado a lado.
El haz escanea sistemáticamente a través del objeto que se está viendo.
Los electrones del rayo golpean la superficie del objeto y rebotan en él.
Un detector registra estos electrones dispersos y los convierte en una imagen.
Una imagen enormemente ampliada del objeto se muestra en la pantalla de un televisor.

Microscopios de exploración de túneles (STM)

Entre los microscopios electrónicos más nuevos, los STM fueron inventados por Gerd Binnig y Heinrich Rohrer en 1981. A diferencia de los TEM, que producen imágenes del interior de los materiales y los SEM, que muestran superficies en 3D, los STM están diseñados para hacer imágenes detalladas de los átomos o Moléculas en la superficie de algo como un cristal. También funcionan de manera diferente a los TEM y los SEM: tienen una sonda metálica extremadamente afilada que escanea una y otra vez a través de la superficie de la muestra. Mientras lo hace, los electrones intentan salir de la muestra y saltar a través de la brecha, hacia la sonda, por un fenómeno inusual llamado “tunelización”. Cuanto más cerca está la sonda de la superficie, más fácil es para los electrones hacer un túnel hacia ella, mientras más electrones se escapan y mayor es la corriente de tunelización. El microscopio mueve constantemente la sonda hacia arriba o hacia abajo en pequeñas cantidades para mantener constante la corriente del túnel. Al registrar cuánto tiene que moverse la sonda, mide efectivamente los picos y valles de la superficie de la muestra. Una computadora convierte esta información en un mapa de la muestra que muestra su estructura atómica detallada. Un gran inconveniente de los microscopios de electrones ordinarios es que producen un detalle asombroso utilizando haces de electrones de alta energía, que tienden a dañar los objetos que están obteniendo imágenes. Los STM evitan este problema usando energías mucho más bajas.