Como Funciona o Microscópio Eletrônico (ART2190)

Existe um limite para o menor objeto que podemos visualizar por meios ópticos e que é dado pelo comprimento de onda da luz utilizada. Com a substituição da luz por um feixe de elétrons conseguimos visualizar objetos muito menores, com amplificações que chegam a centenas de milhares de vezes. O microscópio eletrônico é hoje um instrumento de pesquisa indispensável para a aproximação do homem dos limites do micro-cosmos. Veja neste artigo como funciona este importante dispositivo eletrônico.

Para vermos qualquer objeto devemos iluminá-lo. A luz que o objeto reflete e absorve, em relação ao fundo que também reflete ou absorve esta luz nos dá o necessário contraste para sua visualização (figura 1).

 

Figura 1 – Para vermos um objeto precisamos iluminá-lo
Figura 1 – Para vermos um objeto precisamos iluminá-lo

 

Quando pensamos nos objetos que nos envolvem, de dimensões consideradas normais, a luz disponível não tem qualquer efeito quanto a uma eventual dificuldade de visualização.

Com a inversão do microscópio óptico comum entretanto, os primeiros problemas começaram a aparecer.

As lentes usadas não refratavam os diversos comprimentos de onda da luz comum no mesmo modo, e esta diferença fazia com que nas grandes ampliações contornos dos objetos ficassem "coloridos".

Apareciam franjas de cores que se separavam do espectro da luz branca, dificultando a visualização dos contornos dos pequenos objetos que então perdiam a definição, (figura 2).

 

Figura 2 – A perda de definição causada pela aberração
Figura 2 – A perda de definição causada pela aberração

 

Estas franjas que já haviam sido notadas em outros experimentos, notadamente os feitos por Newton Huygens, Fresnel e outros já haviam revelado que a luz branca era formada por uma "mistura" de comprimentos de ondas de uma ampla faixa, sendo estes correspondentes as de diversas cores, (figura 3).

 

Figura 3 – Luz branca decomposta
Figura 3 – Luz branca decomposta

 

Ao mesmo tempo que os fabricantes de microscópios e também de telescópios se esforçavam para desenvolver aparelhos em que este efeito não se fizesse sentir, com o aperfeiçoamento das lentes acromáticas, por exemplo, e nos casos dos telescópios dos tipos refletores (Newtonianos), a natureza da luz era colocada em prova numa disputa de gigantes envolvendo Huygens e Newton, (figura 4).

 

Figura 4 – O microscópio composto
Figura 4 – O microscópio composto

 

Enquanto uma afirmava que a luz era formada por um corpúsculos (Newton) o outro (Huygens) afirmava que a luz era constituída por ondas.

Newton perdeu a disputa, mas somente parcialmente. A natureza da luz, como onda eletromagnética logo foi comprovada e com isso os fenômenos que afetam a construção de muitos instrumentos ópticos puderam ser melhor compreendidos e superados.

Mas, justamente a natureza ondulatória da luz é que pode explicar uma limitação para a ampliação dos microscópios que já citamos na introdução.

Uma onda pode refletir-se ou absorvida por um objeto cujas dimensões não sejam muito menores que seu comprimento. Se o objeto se torna muito pequeno em relação ao comprimento da onda, ela começa a ignorá-lo passando por ele como se nada existisse no local, (figura 5).

 

Figura 5 – O objeto é transparente a comprimentos de onda maiores que ele
Figura 5 – O objeto é transparente a comprimentos de onda maiores que ele

 

O comprimento da onda da luz do espectro visível é um número muito pequeno. os 4500 aos 7000 Angstroms desse espectro visível correspondem a dimensões de 0,45 a 0,7 microns ou milionésimos de metros.

Tratam-se de dimensões extremamente pequenas para objetos do mundo visível mas não para o mundo que os cientistas desejam observar com seus microscópios.

Não podemos visualizar moléculas e átomos de muitas substâncias justamente por suas dimensões estarem abaixo destes valores e portanto a luz comum não permite a sua iluminação individual para observação.

Existem mesmo alguns seres vivos cujas dimensões se aproximam deste limite o que dificulta justamente a observação com o aparecimento de fenômenos relativos a reflexão de luz.

Foi justamente a natureza ondulatória de um tipo de radiação que não se suspeitava ter esta propriedade que deu a solução para o nosso problema.

Experiências feitas com raios catódicos, que nada mais são do elétrons disparados por um catodo, revelaram que estas partículas tinham propriedades semelhantes a da luz.

Os elétrons manifestavam os fenômenos de difração, interferências típicas das ondas eletromagnéticas o que permitia associar a sua natureza corpuscular também uma natureza ondulatória.

Cálculos revelam que aos elétrons era possível associar um comprimento de onda muitas vezes menor que os comprimentos de onda da luz comum, (figura 6).

 

Figura 6 – Elétrons se comportando como ondas
Figura 6 – Elétrons se comportando como ondas

 

De Broglie demonstrou que um feixe de elétrons acelerados a 50 kV, equivalem a uma radiação cujo comprimento de onda seria 0,0055 nm (nanômetros) o que significava a possibilidade de usarmos isso como uma poderosa fonte de iluminação.

Veio então a idéia de um microscópio eletrônico, ou seja, usando um feixe de elétrons em lugar da luz para "iluminar" os objetos que deveriam ser observados.

A primeira vantagem interessante que se observou no sistema é que não seria possível usar lentes comuns de vidro, mas em seu lugar campos magnéticos, (figura 7).

 

Figura 7 – Usando campos como lentes
Figura 7 – Usando campos como lentes

 

Urna lente comum desvia os raios de luz, modificando sua trajetória no caso de um microscópio, conforme mostra a figura 8.

 

Figura 8 – A lente comum
Figura 8 – A lente comum

 

Uma "lente" magnética é simplesmente um campo que aplicado de maneira determinada pode modificar a trajetória dos elétrons da mesma forma que um raio de luz ao passar por uma lente de vidro.

Da mesma forma podemos usar lentes eletrostáticas.

Isso é possível porque podemos deflexionar um feixe de elétrons por meio de campos já que estes possuem cargas elétricas.

Se podemos trabalhar melhor com o feixe de elétrons, temos de considerar outras dificuldades no uso deste tipo de microscópio.

A primeira refere-se ao fato de que não podemos "ver" os elétrons, pois seu comprimento de onda está muito além do espectro visível.

O que se faz então é usar Visores (telas especiais) ou então chapas fotográficas que podem ser excitados pelos elétrons e assim projetar as imagens.

Outra dificuldade a ser considerada é que, enquanto a luz comum ao iluminar um ser vivo não lhe afeta significativamente, se não for muito forte, um feixe de elétrons o mata.

Desta forma, os espécimes que devem ser observados não podem estar vivos se for usado o microscópio eletrônico.

Esta dificuldade e ainda ampliada pelo fato de que o feixe de elétrons produzido no interior de microscópio precisa de vácuo para se movimentar.

Isso significa, que o local em que está o espécime observado deve estar também no vácuo, o que mataria qualquer ser vivo ali colocado.

 

A ESTRUTURA DE UM MICROSCÓPIO ELETRONICO

Na figura 9 temos a estrutura básica de um microscópio eletrônico de transmissão.

 

Figura 9 – Estrutura de um microscópio eletrônico
Figura 9 – Estrutura de um microscópio eletrônico

 

O catodo do tubo produz um feixe de elétrons que é acelerado por uma tensão entre 40 000 e 100 000 volts.

Um conjunto de lentes eletrônicas reduz a espessura do feixe de elétrons de modo que ele ilumine a área desejada.

A corrente é então controlada por lentes adicionais, depois de passar pela imagem de modo a se obter a amplificação desejada que pode variar entre 1 000 e 250 000 vezes.

Esta corrente de elétrons incide então numa tela fluorescente onde é projetada a imagem numa chapa fotográfica para registro.

Como o feixe de elétrons passa através da amostra neste tipo de microscópio, denominado de transmissão a amostra deve ser muito fina, para que haja penetração e dispersão segundo as diversas densidades do material analisado.

Preparo especial do material a ser é analisado permite obter imagens com melhor definição.

Um outro tipo de microscópio eletrônico é o "de exploração" tendo sido desenvolvido a partir de 1948 mas somente industrializado a partir de 1965.

Este microscópio tem sua estrutura básica mostrada na figura 10.

 

Figura 10 – O microscópio de exploração
Figura 10 – O microscópio de exploração

 

A principal vantagem deste microscópio é a sua capacidade de observar imagens de superfícies ásperas com um mínimo de necessidade de preparação da amostra.

O princípio de funcionamento deste microscópio lembra muito o da televisão.

Um feixe de elétrons é produzido por um canhão eletrônico e por meio de um circuito de deflexão apropriados ele varre o objeto a ser observado.

Os elétrons que são refletidos pelo objeto são então focalizados por novos conjuntos de lentes eletrônicas e incidem numa tela fornecendo assim a imagem final.

A fonte de elétrons deste microscópio é um filamento de tungstênio que tem sua emissão acelerada por tensões ente 1 000 e 50 000 volts.

Com materiais especiais na emissão de elétrons e um foco preciso, pode-se obter imagens muito brilhantes de objetos tão pequenos como 5 a 10 nm.

Este tipo de microscópio tem um poder maior de focalização e também de amplificação. As imagens podem ser ampliadas de 10 a 100 000 vezes simplesmente controlando as correntes das bobinas de exploração.

 

USOS DO MICROSCÓPIO ELETRONICO

Este tipo de equipamento não encontra seu uso somente no campo da medicina. Na verdade, em todos os ramos da engenharia, da química e da física encontramos casos em que a observação de espécimes muito pequenos se faz necessária.

Na eletrônica em especial, quando nos nossos dias os dispositivos se torna cada vez menores, um exame de sua estrutura em todos os pormenores só é possível com a ajuda de um microscópio eletrônico.

A diminuta estrutura de um simples chip só é possível com a ajuda deste tipo de equipamento que pode ajudar o pesquisador encontrar as melhores geometrias para o desempenho desejado.

 


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