MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO

El Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica, IPICYT, es un centro público de investigación del sistema CONACYT que cultiva las ciencias naturales y exactas con grupos académicos multidisciplinarios altamente especializados e infraestructura de primer nivel. Genera, difunde y divulga conocimiento, forma recursos humanos y desarrolla proyectos y servicios tecnológicos para los sectores académico, empresarial, social y gubernamental.

Está conformado por cinco divisiones académicas y por tres laboratorios nacionales, entre estos se encuentra el LINAN, Laboratorio Nacional de Investigaciones en Nanociencias y Nanotecnología. 

El LINAN es un laboratorio que ofrece servicios de alta calidad en análisis y caracterización de materiales para el desarrollo de la nanociencia y la nanotecnología en México. Cuenta con una amplia infraestructura integrada por equipos que permiten describir y analizar materiales que se encuentran en la escala nanométrica (1 nanómetro = 10 e-9 m, es decir una mil millonésima parte de un metro o a la millonésima parte de un milímetro).

Entre los equipos que con que cuenta el LINAN se encuentran los microscopios electrónicos de barrido, SEM (por sus siglas del inglés: Scanning Electron Microscopy), de los cuales tiene tres modelos diferentes de la marca FEI Company:

Quanta 200

Quanta 250 

FIB-Helios Nanolab 600

Estos instrumentos son una potente herramienta de análisis que permiten observar la superficie de muy diversos materiales para obtener imágenes digitales sobre la morfología que presentan las muestras analizadas. A diferencia de un microscopio óptico convencional, que utiliza luz como fuente de iluminación, los microscopios electrónicos utilizan electrones concentrados en un haz como su fuente de interacción con los materiales a estudiar. Físicamente los equipos SEM lucen muy diferentes a un microscopio óptico, ya que se conforman por columnas robustas donde se encuentra el emisor de electrones, las lentes electromagnéticas que concentran y dirigen el haz de electrones, así como los múltiples detectores y la cámara para colocar las muestras de interés. La columna del SEM se encuentra soportada en una base tipo escritorio que en su interior contiene una gran cantidad de tarjetas electrónicas y múltiples cableados que controlan la operación de este tipo de equipos. En el SEM ya no son necesarios los oculares que tienen los microscopios ópticos, ya que la visualización de los detalles morfológicos de los materiales se observan digitalmente en monitores de computadora, lo que facilita la exploración y captura de una gran cantidad de imágenes en formato digital.

La microscopía en general se utiliza cuando las dimensiones del objeto que se desea observar tienen un tamaño tan pequeño que la capacidad del ojo humano ya no consigue percibir los detalles de interés. Dependiendo de cuán pequeño sea el objeto se selecciona el microscopio mas adecuado para su observación. Los equipos SEM permiten analizar partículas menores a 0.5 milímetros y de hasta 5 nanómetros (nm) en sus dimensiones, el rango de alcance depende de la configuración de la columna del SEM y sobre todo del tipo de emisor de electrones con que cuente. 

El emisor o cañón de electrones es la parte medular de un SEM ya que representa la fuente principal con la cual el equipo podrá interactuar con los materiales a observar. Existen dos tipos de emisión en la microscopía electrónica: la emisión termoiónica y la emisión de campo. La emisión termoiónica implica que el metal del cual se extraerán los electrones sufrirá un calentamiento tal que permita generar una nube de electrones que pueda ser extraída a través de un campo magnético. La emisión de campo por su parte no implica calentar el metal utilizado como emisor, en este caso la extracción de los electrones se consigue aplicando fuertes diferenciales de potencial al metal tal que permitan desprender los electrones que conformarán el haz del SEM. Para ambos casos se requiere que los metales a emplear estén muy adelgazados en su punta, ya sea como filamentos metálicos o bien como cristales sumamente puntiagudos para conseguir la correcta extracción de electrones. Los equipos con cañones de emisión de campo ofrecen una mejor resolución en la obtención de imágenes, es decir, permiten diferenciar con mayor precisión partículas de tamaños muy pequeños, del orden de los 5nm. En el LINAN se cuenta con un equipo de emisión termoiónica (Quanta 200) y dos equipos de emisión de campo (Quanta 250 y FIB-Helios Nanolab 600).

Para lograr que el haz de electrones generado en el cañón de emisión llegue hasta la superficie de los materiales a analizar, se requiere de lentes electromagnéticas que vayan concentrando el haz y dirigiéndolo hacia la cámara de muestras. Una lente electromagnética se compone de un cilindro con una gran cantidad de hilos de cobre por los que se hace circular una alta corriente eléctrica de forma tal que se induce un campo electromagnético, es similar a un solenoide (una bobina de alambre alrededor del exterior de un tubo). El haz de electrones pasa a través del centro de la lente y, dado que los electrones son muy sensibles a los campos magnéticos, se puede controlar su trayectoria cambiando la corriente a través de las lentes electromagnéticas.

La columna del SEM, desde la parte del cañón de emisión y hasta la cámara de muestras, debe mantener alto vacío, ya que se debe preservar un camino libre de interferencias para que los electrones generados en la parte alta de la columna puedan llegar hasta la superficie de los materiales a analizar, por esta razón, los equipos SEM requieren de un sistema de vacío eficiente que garantice una trayectoria limpia para los electrones.

Una vez que el haz de electrones logra hacer contacto con los materiales colocados en la cámara de muestras, comienza a interactuar con los electrones que conforman los átomos del material de estudio, y resultado de esas interacciones es como se consigue generar una imagen topográfica de los materiales que se quieran analizar por esta técnica. 

Los tres principales resultados que se pueden obtener de un SEM se refieren a:

Imágenes detalladas de la morfología superficial de los materiales (imágenes de electrones secundarios)

Imágenes relacionadas a la composición química superficial de los materiales (imágenes de electrones retrodispersados), donde el cambio de contraste se refiere a cambios en la composición química, presentando mayor contraste las áreas compuestas de elementos con mayor número atómico.

Gráfica de elementos químicos que componen la superficie de los materiales (espectrogramas de composición química)

Esta información que se obtiene de un SEM permite entonces describir ampliamente materiales que se encuentran en dimensiones nanométricas y que pueden ser objeto de estudio de muy diversos grupos de investigación para aplicaciones en múltiples campos de estudio como la medicina, la biología molecular, la remedición ambiental, los materiales avanzados, la química aplicada, etc. Así mismo el sector industrial a través de esta avanzada tecnología de análisis puede mejorar sus procesos de inspección de calidad, desarrollo de nuevos materiales y prototipos, detección de fallas, comparación de materias primas, entre otros.

El LINAN ofrece el servicio de caracterización de materiales a través de microscopía electrónica del barrido, SEM, hacia el interior de su comunidad de investigadores y estudiantes de los diversos programas de posgrado del IPICYT, a instituciones académicas y empresas del sector industrial tanto del estado como del resto de la República Mexicana, otorgando siempre resultados de calidad y comprometidos con el mejor desempeño de la infraestructura con que cuenta. 

Para mayores informes visita la página del Laboratorio Nacional de Investigaciones en Nanociencias y Nanotecnología: http://www.linan-ipicyt.mx/ o escribe a la Dra. Gladis Judith Labrada Delgado, Coordinadora del LINAN, en: gladis.labrada@ipicyt.edu.mx

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contáctanos: comunicacion@ipicyt.edu.mx

* Investigadores de la División de Ciencias Ambientales

Dra. Elisabeth Huber-Sannwald, ehs@ipicyt.edu.mx

Dr. Tulio Arredondo Moreno, tulio@ipicyt.edu.mx

Dra. Sonia Lorena Arriaga García, sonia.arriaga@ipicyt.edu.mx

Dr. Leonardo Chapa Vargas, lchapa@ipicyt.edu.mx

Dra. Claudia Lorena Lauterio Martínez,

claudia.lauterio@ipicyt.edu.mx 

Datos de contacto: comunicacion@ipicyt.edu.mx

Dra. Gladis Judith Labrada Delgado