Microscopía electrónica. La intimidad de un mundo inimaginable

Revista Ciencia y Desarrollo

JOSÉ L. HERNÁNDEZ RIVERA, JOSÉ DE J. CRUZ RIVERA, ROBERTO MARTÍNEZ SÁNCHEZ Y VICENTE GARIBAY FEBLES

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Siempre ha sido objeto de curiosidad humana el tratar de observar objetos de tamaño pequeño, más allá del sentido de la vista, para lo cual se ha recurrido a diferentes medios que amplifican el tamaño de objetos como los anteojos que algunos usamos de manera normal: lupas, telescopios o microscopios, que nos permiten descubrir la naturaleza y las formas externas o internas de objetos que los ojos no son capaces de distinguir.

Hoy en día, además de los microscopios ópticos –utilizados desde hace ya varios siglos–, los microscopios electrónicos han tenido un gran auge en cuanto a aplicaciones en la ciencia moderna, pero ¿cuál es la principal diferencia entre ambos instrumentos?

Bien, el microscopio óptico utiliza como medio de radiación la luz visible y, además, usa lentes de vidrio para formar la imagen que se desea ver; mientras que el microscopio electrónico utiliza una fuente de electrones y las lentes con que cuenta son electromagnéticas para brindar máxima resolución.

Fig.1 Clic en imagen para ampliar

Ahora bien, ¿cuáles son las implicaciones de usar uno u otro tipo de radiación? La respuesta es sencilla: la máxima resolución que se puede alcanzar. Resolución es la distancia mínima de separación que puede observarse de manera nítida entre dos objetos o detalles. A inicios de 1900, John Rayleigh descubrió que la resolución teórica de un microscopio es mayor cuando la longitud de onda de la radiación se disminuye; por tanto, si la longitud de onda de los electrones empleados en los microscopios electrónicos (.0020 nanómetros) es mucho menor que la de los fotones de luz visible (400 nanómetros en promedio), que emplea un microscopio óptico (figura 1), entonces la resolución del primero es mucho más alta que la del segundo, logrando que hoy en día se pueda ver objetos de tamaños que están por debajo de un nanómetro.

Tabla 1 Clic en imagen para ampliar

A modo de resumen, en la (tabla 1) se enuncian las principales diferencias del microscopio óptico, del MEB (Microscopio Electrónico de Barrido) y del MET (Microscopio Electrónico de Transmisión).

Algunas aplicaciones del Microscopio Electrónico de Barrido (MEB)

La ciencia forense es una de las disciplinas que incluyen análisis microscópicos de evidencias criminalísticas tales como residuos de armas de fuego, fibras de ropa, cabellos, uñas, etc., para poder resolver casos en los que sólo estas pistas han quedado en la escena del crimen. Por ejemplo en el caso del cabello, a través de esta herramienta es posible describir varias características, entre ellas: el lugar de donde proviene, si fue desprendido o se rompió, la edad y sexo de la persona y, además, si procede de un ser muerto o vivo (figura 2).

La adquisición de imágenes mediante un MEB también es aplicada en la minería, en la cual es aprovechada para analizar muestras de yacimientos en cuanto a tamaño, forma y composición de las partículas que se muestrean, y sirven, por un lado, para maximizar la recuperación de los metales puros a partir de minerales y, por otro, para guiar decisiones en lo relativo a conveniencia de elección de nuevas zonas de explotación y refinamiento de minerales.

Los equipos de MEB posibilitan observaciones de cualquier tipo de material, incluso, de líquidos o muestras orgánicas, que anteriormente no era posible, porque éstas no conducían corriente eléctrica.

Fig. 4: Aspectos morfológicos
de una araña mediante MEB

Así mismo, el MEB permite conocer las transformaciones que previamente han ocurrido en un mineral y las probables condiciones bajo las cuales éstas se llevaron a cabo (figura 3). Finalmente, en la biología también se hace uso extensivo del MEB para la caracterización de especies de microorganismos, insectos, hongos… (figura 4).

Miscroscopio Electrónico de Transmisión (MET)

A pesar de que las imágenes del MET no son tan descriptivas a simple vista como las de MEB, la capacidad del microscopio de transmisión es mayor en cuanto a información de nivel atómico. Esta técnica se ha utilizado en biología y medicina para determinar la estructura de moléculas y de organismos muy pequeños. De esta manera, las funciones biológicas de estos organismos pueden ser estudiadas a nivel atómico, describiendo, por ejemplo, algunos residuos de aminoácidos muy difíciles de identificar mediante otras técnicas (figura 5). Otro aspecto importante que ha sido posible detallar es la identificación de ciertos arreglos cristalinos que los virus o macromoléculas poseen, los cuales son muy similares a los que tienen los metales. De igual manera, gracias al MET, rasgos como la actividad, funciones, propiedades y organización de muchas células han podido ser descubiertos.

La acción desarrollada entre los nuevos sistemas de liberación de fármacos mediante la utilización de nanopartículas también ha sido un área de aplicación muy activa para el MET. La importancia tecnológica de usar nanopartículas radica en lograr una alta estabilidad de las mismas durante su movimiento, mayor capacidad de transporte del fármaco, más flexibilidad tanto para incorporar sustancias de cualquier naturaleza como para proveer de un número mayor de rutas de suministro y, finamente, la alta capacidad de controlar cuidadosamente la cantidad de fármaco que debe liberarse dentro del cuerpo humano.

Otra área de aplicación para el MET es, por excelencia, la ciencia de los materiales. Mediante esta técnica, es posible conocer una cantidad extremadamente alta de información acerca de muchos aspectos que normalmente no son evidenciados por el MEB o por otras técnicas; tamaño nanométrico de granos, forma geométrica de fases nuevas, tipo de estructura cristalina, nivel de deformación en el material, cantidad de defectos en la estructura cristalina, evaluación de transformaciones de fase…, son sólo parte de la información que se puede obtener.

Nuevos equipos y técnicas

Microscopio Electrónico
de Barrido

Las tendencias actuales son muchas y continuamente surgen más, pero sólo se incluyen las más relevantes, debido al espacio de esta publicación. En el caso del MEB, hoy en día se han desarrollado equipos a los que se ha incorporado un segundo cañón, del cual se desprenden no electrones, sino iones que, gracias a su mayor energía, son utilizados para realizar cortes y grabados de tamaños nanométricos. Una de las grandes capacidades de estos equipos, llamados de doble haz, es la preparación rápida de muestras para estudiarlas en un MET, evitando así los complejos y tardados métodos tradicionales de preparación. El espesor de las muestras obtenidas por esta técnica es muy uniforme y puede ser tan pequeño como el mismo material lo permita (figura 6).

Otro importante desarrollo de los equipos del MEB es que actualmente es posible efectuar observaciones de cualquier tipo de material, incluso, de líquidos o muestras orgánicas, lo cual hace algunos años era imposible, debido a que como estas muestras no conducían corriente eléctrica, el haz de electrones las destruía cuando se intentaba verlas.

Los microscopios de este tipo son conocidos como de tipo ambiental, de bajo vacío o de presión variable, y su funcionamiento se basa, principalmente, en que las moléculas de un gas son ionizadas en un área próxima a la muestra, por lo tanto, los iones positivos del gas creados por este modo son atraídos por la carga negativa que se acumula en la superficie de las muestras no conductoras, contrarrestando de esta manera los efectos de carga estática, y permitiendo así que se puedan realizar observaciones sin problema alguno.

En el caso del MET, una de las tendencias actuales es realizar estudios de alta resolución para poder observar y reconstruir el arreglo de estructuras cristalinas y defectos internos de los materiales, y de este modo, explicar las propiedades que el material en cuestión posee. Los contrastes observados en las imágenes obtenidas mediante esta técnica, son causados por la alteración que los átomos de la muestra provocan en la fase de las ondas del haz incidente, contraste que ha sido llamado contraste por fase. Este modo de formación de imagen se puede comparar con las ondas generadas en un río cuando se lanza una piedra, un extremo del contraste seria la línea que se está propagando (tono negro) y el otro extremo del contraste equivaldría a la mitad de la separación entre dos de estas líneas (tono claro). Con este tipo de imágenes se puede saber el nivel de pureza de un material, o medir la distancia existente entre las posiciones de los átomos e, incluso, saber si hay átomos ausentes en los lugares donde deberían estar.

Lograr este tipo de imágenes ha sido posible gracias a que los nuevos MET incorporan dispositivos electromagnéticos conocidos como correctores de astigmatismo, los cuales minimizan algunos defectos electromagnéticos que comúnmente no permiten la resolución ideal.

En las figuras 7A y B se puede apreciar este tipo de imágenes obtenidas como resultado de una colaboración conjunta entre el Centro de Investigación en Materiales Avanzados (CIMAV), la Universidad Autónoma de San Luis Potosí y el Instituto Mexicano del Petróleo, cuya finalidad es desarrollar materiales compuestos, tratando de dispersar, de manera homogénea, refuerzos como grafito y óxido de aluminio en el interior de materiales metálicos de bajo peso como el aluminio, todo esto para incrementar las propiedades mecánicas y para estudiar los efectos que ocurren en la microestructura de este tipo de materiales cuando son procesados específicamente a partir de polvos.

Currículum

José Luis Hernández Rivera es estudiante de posgrado en el programa de Doctorado en Ciencia e Ingeniería de Materiales del Centro de Investigación en Materiales Avanzados y, actualmente, realiza una estancia de investigación en el Centro de Microscopia Electrónica del Instituto Max Planck de Investigación en Materiales, en Stuttgart, Alemania.

José de Jesús Cruz Rivera es doctor en Metalurgia por el Instituto Politécnico Nacional, México. En el presente es investigador de tiempo completo y jefe del Área de Materiales, en el Instituto de Metalurgia de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí.

Roberto Martínez Sánchez es doctor en Metalurgia por el Instituto Politécnico Nacional, México. Actualmente es jefe del Departamento de Física de Materiales en el Centro de Investigación en Materiales Avanzados (CIMAV), en la ciudad de Chihuahua.

Vicente Garibay Febles es doctor en Metalurgia por el Instituto Politécnico Nacional, México. En la actualidad, es jefe del Laboratorio de Microscopia Electrónica de Ultra Alta Resolución, del Instituto Mexicano del Petróleo, en México D. F.

Referencias

1. D. B. Williams y C. B. Carter. Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Materials Science. S/cd.Plenum Press, 1994, 3-16, 85-104.

2. D. B. Williams et al. Acta mater., 48, (2000): 323-346.

3. J. Ayache et al. Sample Preparation Handbook for Transmission Electron Microscope. S/cd.: Springer, 2010.

4. C. Soderman. Métodos modernos de la . S/cd.: Limusa, 1992, 17-40.

5. R. Alani et al. Specimen Preparation for Transmission Electron Microscopy of Materials, IV. Mater. Res. Soc. Symp. Proc., vol. 480, (1997): 263.

6. José L. Hernández Rivera. “Caracterización microstructural y mecánica de materiales nanocompuestos con matriz de aluminio y reforzados con grafito u óxido de aluminio”, Tesis de Doctorado en Desarrollo, CIMAV-UASLP, 2011.