M. en C. Adriana Vázquez Pelayo, Dr. Miguel Avalos Borja. División de materiales avanzados, IPICYT
a caracterización de los materiales en los últimos años ha sido de suma importancia, ya que la tecnología del siglo XXI requiere de un mayor conocimiento de la estructura cristalina, morfología, tamaño de partícula, composición química, defectos cristalinos, entre otros para numerosas aplicaciones en ciencia de materiales, medicina, electrónica, industria aeroespacial y automotriz.
La microscopía electrónica es una herramienta invaluable que utiliza electrones en lugar de fotones para obtener micrografías de alta resolución. El uso de electrones como fuente de iluminación para la creación de imágenes proporciona una mayor resolución espacial en comparación con la resolución de un microscopio óptico, lo que permite estudiar a mayor detalle diversas características y propiedades.
Desde la invención del primer microscopio electrónico entre 1931-1933 por Ernst Ruska y Max Knoll, los microscopios electrónicos se han utilizado en distintos campos, incluyendo biología, física, química, ciencia de materiales, medicina, nanotecnología y electrónica para investigar una amplia gama de materiales orgánicos e inorgánicos como microorganismos, estructuras celulares, virus, tejidos, metales, cerámicos, nanoestructuras y moléculas.
Muchas veces hemos tenido en nuestras manos objetos que fueron analizados por un microscopio electrónico sin saberlo y que gracias al estudio que se realizó con dichos microscopios tenemos una aplicación óptima. Un ejemplo sencillo es el carbón, el carbón se puede encontrar en distintas formas, tamaños, estructuras cristalinas y morfologías, que resulta en diversas aplicaciones: el grafito que se utiliza en los lápices, el diamante que no solo es una piedra preciosa con gran costo, sino que gracias a su elevada dureza se ha utilizado en herramientas de corte y taladrado. Los fullerenos que están siendo estudiados como materiales para aplicaciones en nanomedicina como liberadores controlados de fármacos o los nanotubos de carbón que están siendo investigados en su uso en celdas solares debido a su gran superficie y baja resistividad que resulta en interesantes propiedades electroquímicas. Todos estos alótropos del carbono han sido analizados por un microscopio electrónico para determinar sus características y propiedades y así elucidar sus aplicaciones.
La microscopía electrónica se divide principalmente en dos categorías: Microscopía Electrónica de Barrido (SEM por sus siglas en inglés Scanning Electron Microscopy) y Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM por sus siglas en inglés Transmission Electron Microscopy).
Microscopía electrónica de barrido
Un microscopio electrónico de barrido se encuentra constituido principalmente por un emisor de electrones (con una aceleración entre 200 V y 30 keV), una columna (vacío de 10-4 Pa) y diferentes lentes electromagnéticas que permiten manipular el haz de electrones para poder llevar a cabo un barrido superficial de la muestra. Derivado de la interacción entre el haz de electrones con la superficie de la muestra se generan distintas señales las cuales son colectadas por detectores y cada uno de ellos nos brindan información específica.
Los electrones secundarios (SE por sus siglas en inglés Secondary Electrons) nos proporcionan información sobre la morfología de la muestra, los electrones retrodispersados (BSE por sus siglas en inglés Backscattered Electrons) producen imágenes con diferente contraste en función de la composición química o de la topografía, mientras que la Espectrometría de Energía Dispersiva de rayos X (EDS por sus siglas en inglés Energy Dispersive Spectroscopy) detecta los rayos X característicos de los elementos químicos presentes en la superficie de la muestra, lo que permite hacer un análisis semi-cuantitativo de la composición química detectada.
Asimismo, con la técnica EDS se pueden realizar mapeos para conocer la distribución de los elementos en la muestra, lo que es fundamental en diversas aplicaciones, por ejemplo para observar la distribución de nanopartículas de plata en un polímero para aplicaciones antibacteriales. Es importante mencionar que se requieren algunas condiciones para analizar muestras por SEM, como que sean conductoras y que no presenten humedad. Sin embargo, hay ciertas alternativas que permiten trabajar con muestras que no presenten estas características, ya sea modificando la muestra (recubriéndola con un material conductor como oro) o modificando las condiciones del equipo (trabajando en modo ambiental que permite analizar la muestra a baja presión, ayudando así, a minimizar los efectos nocivos de las cargas).
En la industria automotriz se utiliza mucho esta técnica para determinar la calidad de piezas de auto, observar fallas en la morfología del material y elucidar los causantes. Además con EDS, se puede establecer la presencia de contaminantes que causan problemas de adherencia, pintado o fallas estructurales.
La microscopía electrónica de barrido es una técnica de caracterización superficial no destructiva lo que permite reutilizar la muestra en otras técnicas de caracterización así como para su futura aplicación.
Microscopía electrónica
de transmisión
El TEM es un instrumento científico que está compuesto por una columna, un haz de electrones de alta energía (100-300 keV) el cual irradia una muestra muy delgada menor a 100 nm, un sistema de alto vacío, un sistema de enfriamiento y lentes electromagnéticas. La imagen formada por los electrones es proyectada en una pantalla fluorescente y puede ser capturada por una cámara digital en una computadora. Los electrones se conducen hacia la muestra mediante las lentes electromagnéticas y cuando impactan la muestra algunos de ellos logran atravesarla y otros se dispersan. La interacción entre la muestra y el haz genera señales que son captadas por distintos detectores.
De la técnica de Campo Claro se obtienen micrografías que pueden tener una resolución mayor que las imágenes obtenidas por Microscopía Electrónica de Barrido, pero que dificulta distinguir los materiales aglomerados, por lo que sólo se recomienda para una muestra dispersa. Esta técnica sirve para observar la morfología del material, así como para medir la distribución de tamaños. Del modo de operación Contraste Z, se obtienen micrografías cuyas zonas más brillantes corresponden a muestras con mayor número atómico promedio (de ahí su nombre de contraste “Z”).
La técnica de alta resolución (HRTEM por sus siglas en inglés High Resolution TEM) permite tener micrografías con resolución atómica, el material debe presentar bordes delgados (menores a los 50 nm de espesor). Las micrografías obtenidas por HRTEM sirven para corroborar la estructura cristalina del material.
La difracción con electrones se puede realizar a monocristales que arrojan imágenes de patrones de puntos, o a policristales de donde se obtienen patrones de anillos, que analizando adecuadamente en los dos casos, sirven para elucidar la estructura cristalina del material.
Al igual que en SEM, el TEM cuenta con EDS el cual nos permite realizar análisis elemental. Esta técnica es muy buen complemento al contraste Z ya que podemos corroborar la composición elemental de nuestra muestra. La espectroscopía EELS (por sus siglas en inglés Electron Energy Loss Spectroscopy) identifica claramente elementos ligeros que son más difíciles de determinar por medio de la espectroscopía EDS, además, permite medir espesores e incluso, determinar la composición elemental de algunas moléculas.
Por ejemplo, la técnica de TEM se utilizó para observar el virus COVID-19 en células infectadas y no infectadas, y poder así entender el mecanismo de acción de dicha enfermedad; además, se analizaron los daños o alteraciones que el virus causaba a distintos tejidos. La microscopia electrónica de transmisión sirve para estudiar todo tipo de materiales siempre y cuando cuenten con la preparación adecuada y tengan dimensiones nanométricas. Las aplicaciones de la técnica son numerosas tanto en ciencia de materiales, como en ciencias biomédicas. Se puede determinar la morfología, forma y dimensiones, la cristalografía, así como la composición química del material.
Gracias a las técnicas de microscopía electrónica se han generado un sinfín de investigaciones y avances en las tecnologías actuales. El trabajar con estas técnicas de caracterización no es algo sencillo, la preparación de las muestras, así como la interpretación de los resultados conlleva tiempo y dedicación, pero la ganancia en información es invaluable.
Vale la pena recordar ahora el famoso adagio chino: “una imagen vale más que mil palabras”, o lo dicho por el Dr. Alan Finkel (reconocido investigador australiano ganador de múltiples premios): “Sin microscopía no hay ciencia moderna”. Así que cuando sostengas un celular, te apliquen una vacuna o una nave espacial llegue a Marte, piensa en toda la investigación que se realizó y el papel fundamental que tuvieron el microscopio electrónico de barrido y transmisión para lograr estos grandes avances.
¿Quieres saber más del tema? Comunícate con la Mtra. Adriana Vázquez Pelayo a su correo electrónico adriana.vazquez@ipicyt.edu.mx o con el Dr. Miguel Avalos Borja escribiéndole a: miguel.avalos@ipicyt.edu.mx .
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