INTRODUCCIÓN
Año 1931, Berlín, Alemania, Ernst Ruska y Max Knoll inventan el primer microscopio electrónico de transmisión (TEM). Su invención se basó en la hipótesis de Broglie, por Louis de Broglie, quien planteó la teoría del carácter dual de los electrones (dualidad onda-partícula). De acuerdo a su hipótesis, los electrones en movimiento tienen una longitud de onda más pequeña que la luz y podrían ofrecer una resolución mejor que el microscopio de luz.
Ernst Ruska y Max Knoll pusieron en práctica esta idea y construyeron un microscopio con una fuente de iluminación de electrones acelerados. Este modelo permitió la fabricación en serie de los primeros microscopios con un voltaje de aceleración de 70 kV y una resolución de 7 nm. Este fue sólo el inicio de lo que vendría en la el área de microscopía electrónica.
En 1935, Max Knoll planteó la idea del microscopio electrónico de barrido (SEM). En 1937, Manfred Von Ardenne crea una primera versión, pero necesitaba muchos cambios. Luego de 30 años de pruebas, el grupo investigativo de la Universidad de Cambridge logra producir el primer microscopio electrónico de barrido llamado “Stereoscan”.
En Venezuela, al referirnos a la llegada y uso del microscopio electrónico de barrido es imperativo hacer referencia al Dr. Humberto Fernández Morán. Con estudios en investigación en microscopía electrónica en el Instituto Nóbel de Física, en Estocolmo, Suecia, el Dr. Humberto Fernández Morán contribuyó significativamente en el desarrollo de la microscopía electrónica en el país.
Gracias a su genialidad el Dr. Fernández Morán, Venezuela dio un enorme salto en su desarrollo tecnológico. Este visionario científico creó el Instituto Venezolano de Neurología e Investigaciones Cerebrales IVNIC, (actualmente IVIC). En este espacio de investigación y desarrollo, el microscopio electrónico de barrido fue utilizado ampliamente, contribuyendo al desarrollo de la investigación científica en el país.
- ¿QUÉ ES EXACTAMENTE UN MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO?
Hoy en día, la microscopia electrónica de barrido (MEB) no es un término desconocido, así como tampoco lo es la manera en que esta maravillosa herramienta contribuye al avance de la investigación científica en diversas disciplinas.
La microscopia electrónica de barrido (MEB o SEM, Scannig Electron Microscope en inglés), es una técnica que permite observar la superficie de muestras a nivel microscópico a través de una interacción de un haz de electrones [1], ver Figura 1.
Figura 1. Microscopio Electrónico de Barrido del LABMEB. Fuente: propia.
En el Microscopio Electrónico de Barrido se obtiene una mayor profundidad de campo y es posible visualizar imágenes en escala de grises y en 3D; también permite resultados con una alta resolución y magnificación, e incluso incorporar detectores para el estudio de los rayos X emitidos, electrones retrodispersos, entre otros
Con un MEB se puede estudiar una gran variedad de materiales como: metales, cerámicas; polímeros, composites, y otros orgánicos como algodón, madera, bacterias, células, entre otros.
Su área de aplicación es muy amplia e incluye el área industrial como petroquímica y metalurgia, medicina forense; ciencias biológicas, peritaje, control de calidad, estudio de materiales, y muchos más.
En la Figura 2, se muestra una espuma metálica de Níquel. Estas fotomicrografías fueron tomadas por la técnica de MEB en el laboratorio LABMEB.
Figura 2. Espuma metálica de níquel. Fuente: propia.
- ¿CÓMO FUNCIONA Y CUAL ES LA ESTRUCTURA DE UN MICROSCOPIO ELECRÓNICO DE BARRIDO?
Esta técnica escanea la superficie de una muestra con un haz de electrones finamente convergentes en el vacío, detecta la señal o información producida en ese momento por la muestra y presenta una imagen ampliada de su superficie.
La imagen producida por un MEB es el resultado de interacciones del haz de electrones con átomos a varias profundidades de la muestra.
Los componentes básicos del microscopio electrónico de barrido son: cañón de electrones, detectores, lentes electromagnéticos; cámara de vacío, pantalla y sección operativa [2], ver Figura 3.
- CAÑÓN
El cañón de electrones está constituido por un filamento de tungsteno y un emisor de efecto de campo, en este caso, de campo de emisión termiónica. El cañón genera y dirige un haz de electrones con suficiente energía que al calentarse libera los electrones que son dirigidos a la muestra a analizar.
Los electrones que interaccionan con la muestra son interpretados por diferentes detectores. Los electrones de mayor energía pueden penetrar más en la muestra y pueden generar señales originadas a mayores profundidades. [3], ver figura 4.
Figura 3. Estructura de un Microscopio Electrónico de Barrido. Fuente: Scanning Electron Microscopy (SEM)
Figura 4. Esquema de la interacción del haz (electrón – materia).
Fuente: Scanning Electron Microscopy (SEM).
- DETECTORES
El detector es un sensor que recoge y mide la información de los electrones que rebotan de la muestra. Esta información es posteriormente enviada a un ordenador para su análisis.
El número y el tipo de detectores a ser utilizados en un MEB dependen del uso que se va a dar al equipo.
De manera general, la información que es captada por los detectores puede ser:
- Electrones retrodispersados (BSE): Los electrones retrodispersados o (Backscattered Electrons) son los electrones del haz incidente que han sido dispersados en forma elástica por los átomos de la muestra. Este permite detectar variaciones de la composición en distintos puntos de la muestra analizada.
- Electrones secundarios (SE): son electrones que han sido dispersados inelásticamente por la interacción de los electrones del haz incidente con la muestra. Este permite conocer las características topográficas y morfología de la superficie.
En la Figura 5, se muestra un animal. Estas fotomicrografías fueron tomadas por la técnica de MEB usando el detector BSE y SE.
- Energía dispersiva: con la energía dispersiva de rayos X (EDS, Energy Dispersive Spectrometer), es posible identificar los elementos químicos presentes en la muestra, ver Error: no se encontró el origen de la referencia.
Figura 5. Diferencias entre los detectores
1) Detector BSE. 2) Detector SE. Fuente: Propia.
Figura 6. Análisis químico por EDS de un cojinete con un revestimiento interno. Fuente: Herrera, I. Evaluación metalúrgica de los internos de una bomba de dirección.
- LENTES ELECTROMAGNÉTICOS
Los lentes electromagnéticos son los responsables de nivel de detalle y resolución resultante. Los lentes son imanes que concentran los haces de electrones y producen campos eléctricos y magnéticos que hacen que las trayectorias de los electrones diverjan o converjan en un punto fijo.
- CÁMARA DE VACÍO
La función de la cámara de vacío o sistema de vacío es evitar que los electrones entren en contacto con las moléculas del aire y se dispersen. La cámara de vació garantiza que no haya electrones adicionales en el proceso y que los electrones se generen con mayor intensidad.
- PANTALLA Y SECCIÓN OPERATIVA
Las imágenes que se generan en el microscopio se pueden ver en una pantalla que permite su observación y posterior análisis.
La sección operativa incluye el sistema de alimentación y control que regula la energía necesaria para la puesta en marcha del microscopio, así como también incluir los ajustes requeridos de distancia foca e, intensidad de haz de electrones entre otros parámetros.
La sección operativa igualmente incluye la computadora y software que permite el registro de los resultados para su análisis
- ¿DÓNDE SU PUEDE EMPLEAR UN MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO?
Las aplicaciones del microscopio electrónico de barrido son muy variadas, comenzando desde las ciencias básicas, minería, ingeniería aplicada, nanotecnología, entre otros, ver Figura 7.
- En el área de metalurgia y materiales, caracterización y nuevas aleaciones, análisis de fallas, ingeniería inversa.
- En medicina y farmacia, composición química de medicamentos, morfología y tamaño.
- En el área de geología, análisis de rocas, composición química, minerales estratégicos y tierras raras.
- En biología, corales, bacterias, cortes histológicos de biopsias y ambiente en filtros de calidad de aire [4]
Figura 7. Imágenes obtenidas por MEB en distintas aplicaciones.
Fuente: propia.
En la Fundación Instituto de Ingeniería para la Investigación y el Desarrollo Tecnológico (FIIIDT), ubicada en el Polo Científico Tecnológico Venezolano, se encuentra el Laboratorio Avanzado de Microscopía Electrónica de Barrido para Análisis Mineralógico y Materiales (LABMEB). El objetivo de este laboratorio es fortalecer la ciencia y la innovación en el país a través de equipos de última tecnología. Estos importantes equipos cuentan con un Sistema Avanzado de Identificación y Caracterización de Minerales (SACA), así como con un software especializado para Análisis de Trazas de Disparo automatizado (GSR), el cual es el único en Venezuela y en Latinoamérica.
El LABMEB ejecuta proyectos de investigación, capacitación y servicio especializado en diversas áreas. Actualmente, personal del CTM se encuentra en el proceso de capacitación en microscopía electrónica de barrido en sus instalaciones, tendrá como responsabilidad una vez culminen el proceso de formación en estas nuevas tecnología contribuir con su conocimiento y su aprendizaje en la facilitación de lo aprendido a la los interesados: estudiantes y comunidad científica de nuestro país.
Para conocer el trabajo del CTM, qué se puede hacer y cómo aprovechar estos equipos para el continuo avance tecnológico del país, espera la próxima nota técnica donde se abordará y profundizara en la técnica de Microscopia Electrónica y muchos temas más de interés para el desarrollo científico en nuestro país.
- REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Sorrivas de Lozano, Viviana, Morales, Alfonsina y Yañez, Maria Julia. ¨Principios y práctica de la Microscopía Electrónica¨. 1ra. Edición. 2014. ISBN:978-987-43-4752-7.
[2] Andara, Miriam, Rodriguez, Carmen y Suarez, Miriam. Microscopía Electrónica de Barrido. Septiembre de 2020. https://www.fii.gob.ve/microscopia-electronica-de-barrido
[3] Ribandeneira, Diego. Microscopia Electronica : Fundamentos y Aplicaciones. Quito : s.n., 1998.
[4] Ramos, Esmeralda. Microscopía Electrónica de Barrido (SEM/FESEM). https://www.ual.es/universidad/serviciosgenerales/stecnicos/microscopia/microscopia-electronica-de-barrido.
Otra bibliografía consultada
- Microscopio electrónico de barrido: Qué es y cómo funciona. Metalinspec (noviembre 2024). https://www.blog.metalinspec.com.mx/que-es-y-como-funciona-un-microscopio-electronico-de-barrido
- El microscopio electrónico. Mundo microscópico. (noviembre 2024). https://www.mundomicroscopio.com/microscopio-electronico/
- Partes del microscopio electrónico. Microscopio electrónico. TOP. (noviembre 2024). https://www.microscopioelectronico.top/partes-del-microscopio-electronico/
- Jaime y F. Magdalena. (s/f). Principios básicos del Microscopio Electrónico de Barrido. Sección de Microscopía Electrónica. Centro de Investigación. https://ruc.udc.es/dspace/bitstream/handle/2183/9313/CC-011_art_5.pdf
- Miguel y B. Patricia. (2013). Microscopía electrónica de barrido en la caracterización de materiales. Ciencia e investigación – tomo 63 nº 3. https://aargentinapciencias.org/wpcontent/uploads/2018/01/RevistasCeI/tomo63-3/5-MICROSCOPIA-ELECTRONICA-DE-BARRIDO-EN-LA-CARACTERIZACION-DE-MATERIALES-cei63-3-2013-5.pdf.
Víctor Torres, Eva Acevedo, Omar Mendoza,
Irenemar Herrera, Luis Pérez.
Unidad de Ensayos no Destructivos, Análisis de Fallas y Corrosión (UENDAyC).
Centro de Tecnología de los Materiales (CTM)
