Curso de Introducción a la Ciencia de Materiales y Nanomateriales

TÉCNICAS DE MICROSCOPÍA

Rafael Mata Sanz9 de julio de 2018

• Necesidad de ver• Microscopía óptica• Microscopía electrónica de barrido (SEM)• Microscopía de fuerza atómica (AFM)

En 1266, Roger Bacon, filósofo, teólogo y fraile franciscano, talló las primeras lentes con forma de lenteja. El paso siguiente fue montar estas lentes en un armazón, lo que ocurrió entre los años 1285 y 1300.

La lupa es un instrumento óptico que consta de una lente convergente de corta distancia focal, que desvía la luz incidente de modo que se forma una imagen virtual ampliada del objeto.

Alessandro Della Spina fraile de la cuidad de Pisa, Italia, fue quien inventó los anteojos a finales del siglo XIII. El éxito fue tal que el gremio de vidrieros de Venecia se enriqueció.

Zacharias Janssen, el inventor del microscopio. Janssen provenía de una familia de fabricantes de lentes y fue él quien desarrolló el microscopio, comenzando a utilizarlo en 1595, quince años antes de la fecha que se maneja según la teoría de la invención por Galileo.

Epidermis de una cebolla

Imágenes tomadas con microscopio óptico de un corte de páncreas humano. 2A: vista con objetivo de bajo aumento (20X) donde se muestra uno de los islotes de Langerhans (en el centro). Las flechas señalan capilares distribuidos en toda la estructura del islote.

Glucagón: ¿un simple espectador o un jugador clave en la fisiopatología de la diabetes?10.1016/j.avdiab.2011.09.002

A estas imágenes les falta algo…

Glóbulos rojosEl microscopio óptico tiene un limite resolución de cerca de 200 nm (0.2 µm ). Este limite se debe a la longitud de onda de la luz (0.4-0.7 µm ). Las células observadas bajo el microscopio óptico pueden estar vivas o fijadas y teñidas.

Para mayor resolución necesitamos disminuir la longitud de onda

¿Qué franja del espectro visible utilizamos?

Para mayor resolución necesitamos disminuir la longitud de onda

¿Qué franja del espectro visible utilizamos?

¡Ninguna, porque nuestros ojos no la verían!

Joseph John "J.J." Thomson, (Mánchester, Inglaterra, 18 de diciembre de 1856 -Cambridge, Inglaterra, 30 de agosto de 1940) fue un científico británico, descubridor del electrón, de los isótopos e inventor del espectrómetro de masa. En 1906 fue galardonado con el Premio Nobel de Física.

Príncipe Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie (Dieppe, Francia; 15 de agosto de 1892-París, 19 de marzo de 1987) séptimo duque de Broglie, y par de Francia, fue un físico francés conocido a veces en castellano como Luis de Broglie.

De Broglie estableció que cualquier partícula que lleva una determinada velocidad, se comporta como una onda de una determinada longitud de onda y relacionó longitud de onda y momento lineal (cantidad de movimiento) con la expresión λ=h/p=h/(mv), siendo h la constante de Planck, m la masa y v la velocidad.

V λ

Apoyándose en los trabajos de Max Knoll de los años 1930 fue Manfred von Ardenne quien logró inventar el MEB en 1937 que consistía en un haz de electrones que barría la superficie de la muestra a analizar, que, en respuesta, reemitía algunas partículas. Estas partículas son analizadas por los diferentes sensores que hacen que sea posible la reconstrucción de una imagen tridimensional de la superficie.

En el microscopio electrónico de barrido es necesario acelerar los electrones en un campo eléctrico, para aprovechar de esta manera su comportamiento ondulatorio, lo cual se lleva a cabo en la columna del microscopio, donde se aceleran mediante una diferencia de potencial que puede ir desde 50 hasta 30 000 voltios.

Vuelve a faltar algo en las imágenes…

¡Las muestras tienen que ser conductoras!

Resolución ≈ 15 nm

¿Os habéis fijado en que todas las imágenesque hemos visto hasta ahora son 2D (plano XY)?

¡No tenemos resolución en la dirección z!

Gerd Binning y Heinrich Rohrer fueron galardonados con el Premio Nobel de Física enel año 1986 por su trabajo en microscopía de efecto túnel (STM de sus siglas eninglés Scanning Tunneling Microscopy desarrollado en 1981). Binnig y Rohrer fueronreconocidos por el desarrollo de la técnica de STM, técnica que permite formar unaimagen topográfica en escalas que pueden ir desde cientos de micras (1x10-6 m) hastala escala nanométrica (1x10-9 m), e incluso a escala atómica (1x10-10 m) sobre lasuperficie de un material conductor o semiconductor mediante el barrido de unapunta sumamente aguda conductora de una corriente eléctrica a una distancia deunos pocos nanómetros.

Átomos de Xe

Átomos de CuCanal de retroalimentación: corriente túnel

https://youtu.be/bZ6Hv_du2Zo

La historia de un niño y su átomo

In 1993 D. Eigler and his collaborators createda so-called "quantum corral" by placing 48 ironatoms in a circle on a copper surface and thusdemonstrated a shining example of formingnano-objects through the manipulation ofindividual atoms with the use of scanningtunneling microscopy (STM). A quantum corralacts as a two-dimensional cylindrical quantumwell confining surface state electrons. Circularwaves observed inside the corral in the STMimage are standing waves of electron density,whose existence is predicted by Schrodinger'sequation for those boundary conditions.

STMScanning Tunneling Microscopy

AFMAtomic Force Microscopy

Canal de retroalimentación: amplitud

¿2D?

¡Por fin! Información en la dirección Z

Effect of annealing on the growth dynamics of ZnPc (Zinc phthalocyanine) LB thin film and its surface morphology Effect of annealing on the growth dynamics of ZnPc LB thin film and its surface morphology DOI 10.1063/1.4891177

Máxima resolución en Z:

Sí, pero en el plano XY hemos sacrificado la resolución

Esta técnica ha derivado hasta tal punto que se pueden hacer estudios de: AFM, MFM, KP, EFM, Electrical AFM, Adhesión superficial (dureza del material), etc…

GRACIAS POR VUESTRA ATENCIÓN