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Definición
El microscopio electrónico es un tipo especial de microscopio que puede usarse para ampliar objetos a más de 1500 aumentos o veces, pudiendo llegar hasta los 500.000, usando para ello electrones que tienen una longitud de onda menor que la luz, con el fin de examinar un objeto.
Etimología
La palabra «microscopio» tiene su origen en el griego antiguo, combinando las palabras «mikros» y «skopein», que significan «pequeño» y «observar», respectivamente. La raíz de la palabra «electrónico» proviene del griego «elektron», que significa «ámbar«. La voz «ámbar» se utilizaba en la antigüedad para describir la capacidad de ciertos objetos de atraer pequeñas partículas después de ser frotados. En el siglo XVIII, el físico francés Charles-Augustin de Coulomb acuñó el término «electricidad» para describir la fuerza que causa la atracción o repulsión de partículas cargadas eléctricamente.
La expresión «microscopio electrónico» se utiliza en muchos idiomas y tiene una raíz etimológica similar. En inglés, por ejemplo, la expresión es «electron microscope», en francés «microscope électronique», en alemán «Elektronenmikroskop», en italiano «microscopio elettronico» y en portugués «microscópio eletrônico».
El primer microscopio electrónico fue desarrollado en 1931 por el físico alemán Ernst Ruska y su colega Max Knoll. Este dispositivo utilizaba un haz de electrones en lugar de luz para producir imágenes, lo que permitía una resolución mucho mayor que la que se podía obtener con los microscopios ópticos convencionales.
El origen del microscopio electrónico
El microscopio electrónico es una herramienta invaluable en la investigación científica, permitiendo a los científicos observar y estudiar materiales a nivel microscópico. A diferencia de los microscopios ópticos, que utilizan luz visible para formar imágenes, los microscopios electrónicos utilizan haces de electrones para producir imágenes a alta resolución.
El origen del microscopio electrónico se remonta al siglo XIX, cuando se descubrieron los electrones. En 1897, el físico británico J.J. Thomson descubrió el electrón, una partícula subatómica que tiene una carga negativa y una masa extremadamente pequeña. Este descubrimiento sentó las bases para el desarrollo del microscopio electrónico.
En 1924, los físicos alemanes Max Knoll y Ernst Ruska construyeron el primer microscopio electrónico de transmisión, que utiliza un haz de electrones para formar imágenes. El microscopio electrónico de transmisión funciona al enfocar un haz de electrones en una muestra delgada, que se encuentra en el interior de un vacío. El haz de electrones interactúa con la muestra, produciendo una imagen que se proyecta en una pantalla o se fotografía.
Aunque el primer microscopio electrónico de transmisión fue un gran avance, tenía limitaciones. Solo se podía usar con muestras muy delgadas, y no se podían obtener imágenes en 3D. En la década de 1930, el físico alemán Ernst Ruska, quien había trabajado en el desarrollo del primer microscopio electrónico de transmisión, desarrolló el primer microscopio electrónico de barrido.
El microscopio electrónico de barrido utiliza un haz de electrones para escanear la superficie de una muestra y producir una imagen en 3D de alta resolución. A diferencia del microscopio electrónico de transmisión, el microscopio electrónico de barrido no requiere muestras delgadas y puede producir imágenes de superficies irregulares.
Desde su invención, el microscopio electrónico ha evolucionado y mejorado en gran medida. Actualmente, hay diferentes tipos de microscopios electrónicos disponibles, incluyendo el microscopio electrónico de transmisión, el microscopio electrónico de barrido y el microscopio electrónico de barrido de emisión de campo.
Principio de funcionamiento
El microscopio electrónico funciona mediante la emisión de un haz de electrones que se dirige hacia la muestra a estudiar. Este haz de electrones se genera en una fuente de electrones, que suele ser un filamento de tungsteno o una fuente de emisión de campo. Posteriormente, los electrones se aceleran a través de un campo eléctrico y se enfocan mediante un conjunto de lentes electromagnéticas hasta formar un haz de electrones muy fino que se dirige hacia la muestra.
Cuando los electrones del haz interactúan con la muestra, se producen una serie de fenómenos como la dispersión elástica e inelástica de los electrones, la absorción y emisión de radiación electromagnética, entre otros. Estos fenómenos son registrados por un detector de electrones, que se encuentra en el extremo opuesto de la muestra, y se transforman en una imagen que es procesada por un ordenador.
Tipos de microscopios electrónicos
Existen dos tipos principales de microscopios electrónicos: el microscopio electrónico de transmisión (TEM, por sus siglas en inglés) y el microscopio electrónico de barrido (SEM, por sus siglas en inglés).
El microscopio electrónico de transmisión se utiliza para obtener imágenes de secciones muy delgadas de una muestra, como pueden ser células o tejidos biológicos, y también es útil para estudiar la estructura cristalina de materiales. En este tipo de microscopio, el haz de electrones atraviesa la muestra, que se encuentra dispuesta en una rejilla de soporte, y los electrones que no han interactuado con la muestra son recogidos por el detector de electrones. La imagen obtenida en el TEM muestra una sección transversal de la muestra, lo que permite observar detalles de su estructura interna con gran detalle.
Por otro lado, el microscopio electrónico de barrido se utiliza para obtener imágenes de la superficie de una muestra. En este tipo de microscopio, el haz de electrones se escanea sobre la muestra, y los electrones emitidos por la muestra en respuesta a la interacción con los electrones del haz son recogidos por el detector de electrones. La imagen obtenida en el SEM muestra la topografía de la superficie de la muestra con gran detalle, lo que permite observar estructuras muy pequeñas, como pueden ser las células de un tejido biológico o las partículas de un material.
Aplicaciones del microscopio electrónico
El microscopio electrónico tiene una gran cantidad de aplicaciones en diversos campos de la ciencia. En biología, el TEM se utiliza para estudiar la estructura interna de células y tejidos, lo que permite comprender mejor su función y su relación con enfermedades. El SEM se utiliza para estudiar la topografía de la superficie de muestras biológicas, como pueden ser la observación de virus, bacterias y otras estructuras celulares.
En la física y la química, el TEM se destina para estudiar la estructura cristalina de materiales y su comportamiento ante diferentes estímulos, lo que permite entender mejor sus propiedades y aplicaciones en diferentes campos, como pueden ser la electrónica, la metalurgia y la nanotecnología. Por otro lado, el SEM se utiliza para estudiar la topografía y la composición química de superficies de materiales, lo que permite entender mejor su interacción con otros materiales y su comportamiento en diferentes condiciones.
Asimismo, también se usa en la arqueología, la geología y la ingeniería, entre otros campos, para estudiar muestras de diferentes materiales y obtener información sobre su historia, su composición y su estructura. También se utiliza en la industria para el control de calidad de materiales y productos, y en la medicina para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades.
Además de las aplicaciones mencionadas, el microscopio electrónico también se utiliza en la industria alimentaria, para el análisis de la composición y estructura de alimentos y bebidas, y en la industria farmacéutica, para la investigación y desarrollo de medicamentos. En la agricultura, se utiliza para el estudio de la estructura de las plantas y para el diagnóstico de enfermedades vegetales.
Otra aplicación importante del microscopio electrónico es en la nanotecnología, donde se utiliza para la fabricación y estudio de materiales a nivel nanométrico, lo que permite desarrollar materiales con propiedades únicas y aplicaciones en diferentes campos, como la electrónica, la energía y la medicina.
En la medicina, resulta ideal para el diagnóstico de enfermedades y la investigación de nuevos tratamientos. Por ejemplo, en el estudio de enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer, se utiliza el TEM para estudiar la estructura de las proteínas que se acumulan en el cerebro y causan la enfermedad.
En la investigación del cáncer, se emplea para el estudio de las células cancerosas y su interacción con otros tejidos, lo que permite desarrollar tratamientos más efectivos y personalizados.
Las partes del microscopio electrónico
Fuente de electrones: La fuente de electrones es una parte crítica del microscopio electrónico. Esta parte produce los electrones necesarios para formar una imagen de la muestra. Hay varias fuentes de electrones disponibles, incluyendo la emisión de campo y la emisión termoiónica.
Columna de electrones: La columna de electrones es el tubo largo que alberga la fuente de electrones. Esta parte ayuda a enfocar el haz de electrones en la muestra y puede tener diferentes formas, como una columna recta o curvada.
Lentes electromagnéticas: Las lentes electromagnéticas son una parte esencial del microscopio electrónico. Estas lentes ayudan a enfocar el haz de electrones en la muestra y permiten la formación de una imagen clara y precisa. Las lentes electromagnéticas se componen de bobinas electromagnéticas que generan campos magnéticos y eléctricos para enfocar el haz de electrones.
Muestra: La muestra es el objeto que se coloca en el microscopio electrónico para su observación y análisis. La muestra puede ser sólida, líquida o gaseosa y debe ser preparada adecuadamente antes de ser colocada en el microscopio electrónico. a preparación de la muestra puede incluir el recubrimiento con metales para mejorar la conductividad eléctrica y mejorar la calidad de la imagen.
Porta-muestras: El porta-muestras es una parte importante del microscopio electrónico, ya que sostiene la muestra en su lugar durante el análisis. El porta-muestras puede ser ajustable para permitir diferentes ángulos y posiciones de la muestra.
Detector: El detector es una parte crítica del microscopio electrónico. Esta parte detecta el haz de electrones que ha interactuado con la muestra y produce una imagen. Los detectores pueden ser de diferentes tipos, como el detector de electrones secundarios y el detector de retrodispersión.
Los detectores de electrones secundarios miden los electrones que se emiten desde la muestra debido a la interacción con el haz de electrones, mientras que los detectores de retrodispersión miden los electrones que retrodispersan en dirección opuesta al haz incidente.
Sistema de vacío: El sistema de vacío es una parte importante del microscopio electrónico. Esta parte ayuda a crear un ambiente de vacío dentro del microscopio electrónico para evitar la interferencia del aire y otras impurezas. Un ambiente de vacío adecuado es esencial para obtener imágenes precisas y de alta calidad.
Computadora y software: Muchos microscopios electrónicos modernos incluyen una computadora y software para controlar el microscopio y analizar las imágenes obtenidas. Esta parte del microscopio electrónico es esencial para la recopilación y el análisis de datos.
Sistemas de movimiento: El microscopio electrónico puede incluir sistemas de movimiento para permitir el movimiento de la muestra y del porta-muestras en diferentes ángulos y posiciones. Estos sistemas de movimiento pueden ser manuales o automáticos y permiten la exploración detallada de diferentes áreas de la muestra.
Filtros y aperturas: Los filtros y aperturas son partes esenciales del microscopio electrónico, ya que ayudan a controlar el haz de electrones y mejorar la calidad de la imagen. Los filtros y aperturas pueden ser utilizados para ajustar el contraste de la imagen, reducir la aberración cromática y mejorar la resolución.