Microscópio eletrônico Um microscópio eletrônico é um dispositivo que permite obter imagens de objetos com ampliação máxima de até 10 6 vezes, graças ao uso de um feixe de elétrons em vez de um fluxo luminoso. A resolução de um microscópio eletrônico é 1000÷10000 vezes maior que a resolução de um microscópio óptico e para os melhores instrumentos modernos pode ser de vários angstroms (10 -7 m).
O surgimento do microscópio eletrônico tornou-se possível após uma série de descobertas físicas no final do século XIX e início do século XX. Esta é a descoberta do elétron em 1897 (J. Thomson) e a descoberta experimental em 1926 das propriedades ondulatórias do elétron (K. Davisson, L. Germer), confirmando a hipótese apresentada em 1924 por de Broglie sobre a onda -dualidade de partículas de todos os tipos de matéria. Em 1926, o físico alemão H. Busch criou uma lente magnética que permitia focalizar feixes de elétrons, o que serviu de pré-requisito para a criação do primeiro microscópio eletrônico na década de 1930. Em 1931, R. Rudenberg recebeu a patente de um microscópio eletrônico de transmissão e, em 1932, M. Knoll e E. Ruska construíram o primeiro protótipo de um dispositivo moderno. Este trabalho de E. Ruski recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1986, concedido a ele e aos inventores do microscópio de varredura por sonda, Gerd Karl Binnig e Heinrich Rohrer. Em 1938, Ruska e B. von Borries construíram um protótipo de microscópio eletrônico de transmissão industrial para a Siemens-Halske na Alemanha; este instrumento eventualmente permitiu atingir uma resolução de 100 nm. Alguns anos depois, A. Prebus e J. Hiller construíram o primeiro OPEM de alta resolução na Universidade de Toronto (Canadá). No final da década de 1930 e início da década de 1940, surgiram os primeiros microscópios eletrônicos de varredura (SEMs), formando uma imagem de um objeto movendo sequencialmente uma pequena sonda eletrônica de seção transversal através do objeto. Aplicação em massa Esses instrumentos começaram a ser utilizados em pesquisas científicas na década de 1960, quando alcançaram significativa excelência técnica. O SEM na sua forma atual foi inventado em 1952 por Charles Otley. É verdade que versões preliminares de tal dispositivo foram construídas por Knoll na Alemanha na década de 1930 e por Zworykin e seus colegas da RCA Corporation na década de 1960, mas apenas o dispositivo de Otley foi capaz de servir de base para uma série de melhorias técnicas, culminando na introdução de uma versão industrial do SEM em produção em meados da década de 1960.
Existem dois tipos principais de microscópios eletrônicos. microscópio eletrônico de transmissãoNa década de 1930, um microscópio eletrônico de transmissão convencional (OPEM) foi inventado, um microscópio eletrônico raster (varredura) na década de 1950 - um microscópio eletrônico raster (varredura) (SEM)
Microscópio eletrônico de transmissão de um objeto ultrafino Microscópio eletrônico de transmissão (TEM) é uma configuração na qual uma imagem de um objeto ultrafino (cerca de 0,1 µm de espessura) é formada como resultado da interação de um feixe de elétrons com a substância da amostra, seguida de ampliação com lentes magnéticas (objetiva) e gravação em tela fluorescente. Um microscópio eletrônico de transmissão é em muitos aspectos semelhante a um microscópio óptico, mas usa um feixe de elétrons em vez de luz para iluminar as amostras. Ele contém um iluminador eletrônico, uma série de lentes condensadoras, uma lente objetiva e um sistema de projeção que combina com a ocular, mas projeta a imagem real em uma tela fluorescente ou placa fotográfica. A fonte de elétrons é geralmente um cátodo aquecido de hexaboreto de tungstênio ou lantânio. O cátodo é eletricamente isolado do resto do dispositivo e os elétrons são acelerados por um forte campo elétrico. Para criar tal campo, o cátodo é mantido a um potencial de ordem B em relação a outros eletrodos, que focam os elétrons em um feixe estreito. Esta parte do dispositivo é chamada de holofote eletrônico. um bilionésimo da atmosfera Como os elétrons estão fortemente espalhados pela matéria, deve haver um vácuo na coluna do microscópio por onde os elétrons se movem. Aqui a pressão é mantida não excedendo um bilionésimo da pressão atmosférica.
O campo magnético criado pelas voltas da bobina que transporta a corrente atua como uma lente convergente, cuja distância focal pode ser alterada alterando a corrente. As bobinas de fio que transportam corrente focalizam o feixe de elétrons da mesma forma que uma lente de vidro focaliza um feixe de luz. Uma imagem eletrônica é formada por campos elétricos e magnéticos da mesma forma que uma imagem luminosa é formada por lentes ópticas. O princípio de operação de uma lente magnética é ilustrado pelo diagrama a seguir.
MICROSCÓPIO ELETRÔNICO DE TRANSMISSÃO CONVENCIONAL (OPEM). 1 – fonte de elétrons; 2 – sistema acelerador; 3 – diafragma; 4 – lente condensadora; 5 – amostra; 6 – lente objetiva; 7 – diafragma; 8 – lente de projeção; 9 – tela ou filme; 10 – imagem ampliada. Os elétrons são acelerados e então focados por lentes magnéticas. A imagem ampliada criada pelos elétrons que passam pelo diafragma da lente é convertida em imagem visível por uma tela fluorescente ou gravada em uma chapa fotográfica. Uma série de lentes condensadoras (apenas a última é mostrada) foca o feixe de elétrons na amostra. Normalmente, o primeiro cria uma imagem não ampliada da fonte de elétrons, enquanto o último controla o tamanho da área iluminada na amostra. A abertura da última lente condensadora determina a largura do feixe no plano do objeto. Amostra A amostra é colocada no campo magnético de uma lente de objeto com alto poder óptico - a lente mais importante do OPEM, que determina a resolução máxima possível do dispositivo. As aberrações em uma lente objetiva são limitadas por sua abertura, assim como em uma câmera ou microscópio óptico. Uma lente objetiva produz uma imagem ampliada de um objeto (geralmente uma ampliação de cerca de 100); a ampliação adicional introduzida pelas lentes intermediárias e de projeção varia de um pouco menos de 10 a um pouco mais. Assim, a ampliação que pode ser obtida nos OPEMs modernos varia de menos de 1000 a ~ (com uma ampliação de um milhão de vezes, uma toranja cresce até o limite máximo). tamanho da Terra). O objeto em estudo geralmente é colocado sobre uma malha muito fina colocada em um suporte especial. O suporte pode ser movido mecanicamente ou eletricamente suavemente para cima e para baixo, para a esquerda e para a direita.
Final ampliado imagem eletrônicaé transformado em visível por meio de uma tela luminescente, que brilha sob a influência do bombardeio de elétrons. Esta imagem, geralmente de baixo contraste, é normalmente visualizada através de um microscópio óptico binocular. Com o mesmo brilho, esse microscópio com ampliação de 10 pode criar uma imagem na retina que é 10 vezes maior do que quando observada a olho nu. Às vezes, para aumentar o brilho de uma imagem fraca, é usada uma tela de fósforo com um conversor eletrônico-óptico. Neste caso, a imagem final pode ser exibida em uma tela de televisão normal. Uma chapa fotográfica costuma produzir uma imagem mais nítida do que aquela observada a olho nu ou gravada em videoteipe, pois os materiais fotográficos, em geral, registram elétrons com mais eficiência. Resolução.Resolução. Os feixes de elétrons têm propriedades semelhantes às dos feixes de luz. Em particular, cada elétron é caracterizado por um comprimento de onda específico. A resolução de um EM é determinada pelo comprimento de onda efetivo dos elétrons. O comprimento de onda depende da velocidade dos elétrons e, portanto, da tensão de aceleração; quanto maior a tensão de aceleração, mais velocidade elétrons e quanto menor o comprimento de onda, o que significa maior a resolução. Uma vantagem tão significativa do EM na resolução é explicada pelo fato de que o comprimento de onda dos elétrons é muito mais curto que o comprimento de onda da luz. Mas como as lentes eletrônicas não focam tão bem quanto as lentes ópticas (a abertura numérica de uma boa lente eletrônica é de apenas 0,09, enquanto uma boa lente óptica tem um NA de 0,95), a resolução do EM é de 50 a 100 comprimentos de onda de elétrons. Mesmo com lentes tão fracas, um microscópio eletrônico pode atingir um limite de resolução de ~0,17 nm, o que torna possível distinguir átomos individuais em cristais. Alcançar uma resolução desta ordem requer um ajuste muito cuidadoso do instrumento; em particular, são necessárias fontes de alimentação altamente estáveis, e o próprio dispositivo (que pode ter aproximadamente 2,5 m de altura e pesar várias toneladas) e seu equipamento opcional requerem instalação que elimine vibração. No OPEM você pode obter um aumento de até 1 milhão. O limite da resolução espacial (x, y) é de aproximadamente 0,17 nm.
Microscopia eletrônica de varredura O microscópio eletrônico de varredura (MEV) é um dispositivo baseado no princípio da interação de um feixe de elétrons com a matéria, projetado para obter uma imagem da superfície de um objeto com alta resolução espacial (vários nanômetros), bem como informações sobre a composição, estrutura e algumas outras propriedades das camadas próximas à superfície. A resolução espacial de um microscópio eletrônico de varredura depende do tamanho transversal do feixe de elétrons, que por sua vez depende do sistema óptico-eletrônico que focaliza o feixe. Atualmente, modelos SEM modernos são produzidos por diversas empresas ao redor do mundo, entre as quais: Carl Zeiss NTS GmbH Alemanha FEI Company EUA (fundida com a Philips Electron Optics) FOCUS GmbH Alemanha Hitachi Japão JEOL Japão (Japan Electron Optics Laboratory) Tescan Czech República
1 – fonte de elétrons; 2 – sistema acelerador; 3 – lente magnética; 4 – bobinas de deflexão; 5 – amostra; 6 – detector de elétrons refletidos; 7 – detector de anel; 8 – analisador Em um SEM, lentes eletrônicas são usadas para focar um feixe de elétrons (sonda de elétrons) em um ponto muito pequeno. É possível ajustar o SEM para que o diâmetro do ponto nele não ultrapasse 0,2 nm, mas, via de regra, seja de alguns ou dezenas de nanômetros. Esse ponto percorre continuamente uma determinada área da amostra, semelhante a um feixe que percorre a tela de um tubo de televisão. O sinal elétrico gerado quando um objeto é bombardeado com feixe de elétrons é usado para formar uma imagem na tela de um cinescópio de televisão ou tubo de raios catódicos (CRT), cuja varredura é sincronizada com o sistema de deflexão do feixe de elétrons (Fig.). Aumentar em nesse casoé entendido como a razão entre o tamanho da imagem na tela e o tamanho da área coberta pelo feixe na amostra. Esse aumento é de 10 a 10 milhões de colunas de elétrons. Lentes de elétrons (geralmente magnéticas esféricas) e bobinas de deflexão formam um sistema chamado coluna de elétrons. No entanto, o método SEM é caracterizado por uma série de limitações e desvantagens, que são especialmente pronunciadas nas faixas de medição submicrométricas e nanométricas: resolução espacial insuficientemente alta; a dificuldade de obtenção de imagens tridimensionais da superfície, devido principalmente ao fato de que a altura do relevo no SEM é determinada pela eficiência do espalhamento elástico e inelástico de elétrons e depende da profundidade de penetração dos elétrons primários na superfície camada; a necessidade de aplicar uma camada adicional de coleta de corrente em superfícies pouco condutoras para evitar efeitos associados ao acúmulo de carga; realizar medições apenas em condições de vácuo; a possibilidade de danificar a superfície em estudo com um feixe de elétrons focado de alta energia.
Devido ao feixe de elétrons muito estreito, os SEMs têm muito grande profundidade nitidez (mm), que é duas ordens de grandeza superior à de um microscópio óptico e permite obter microfotografias nítidas com efeito tridimensional característico para objetos com terreno complexo. Esta propriedade SEM é extremamente útil para compreender a estrutura superficial de uma amostra. Uma micrografia de pólen demonstra as capacidades do SEM.
Microscópios de sonda de varredura Os microscópios de sonda de varredura (microscópio de sonda de varredura SPM) são uma classe de microscópios para medir as características de um objeto usando vários tipos de sondas. O processo de imagem é baseado na varredura da superfície com uma sonda. EM caso Geral Os SPMs permitem obter uma imagem tridimensional da superfície (topografia) com alta resolução. Os principais tipos de microscópios de varredura com sonda: Microscópio de tunelamento de varredura Microscópio de tunelamento de varredura (microscópio de tunelamento de varredura STM) ou microscópio de tunelamento de varredura (RTM) - uma corrente de túnel entre a sonda e a amostra é usada para obter uma imagem, o que permite obter informações sobre o amostra de topografia e propriedades elétricas. Microscópio de varredura de força atômica Microscópio de varredura de força atômica (AFM) - registra as várias forças entre a sonda e a amostra. Permite obter a topografia da superfície e suas propriedades mecânicas. Microscópio óptico de varredura de campo próximo Microscópio óptico de varredura de campo próximo (SNOM) - usa o efeito de campo próximo para obter uma imagem.
Uma característica distintiva do SPM é a presença de: uma sonda, um sistema para mover a sonda em relação à amostra ao longo da 2ª (X-Y) ou 3ª (X-Y-Z) coordenadas, um sistema de gravação. A uma pequena distância entre a superfície e a amostra, a ação das forças de interação (repulsão, atração e outras forças) e a manifestação de vários efeitos (por exemplo, tunelamento de elétrons) podem ser registradas usando meios modernos cadastro. Para registrar use Vários tipos sensores cuja sensibilidade permite detectar pequenas perturbações. O funcionamento de um microscópio de sonda de varredura é baseado na interação da superfície da amostra com uma sonda (cantilever - feixe inglês, agulha ou sonda óptica). Os cantilevers são divididos em duros e macios ao longo do comprimento da viga, e isso é caracterizado pela frequência ressonante das oscilações do cantilever. O processo de varredura de uma superfície com uma microssonda pode ocorrer tanto na atmosfera ou em um gás pré-determinado, quanto no vácuo, e até mesmo através de um filme líquido. Cantilever em um microscópio eletrônico de varredura (ampliação 1000X), coordenadas,
O sistema de registro registra o valor de uma função que depende da distância sonda-amostra. Para obter uma imagem raster completa, vários dispositivos de digitalização ao longo dos eixos X e Y são usados (por exemplo, tubos piezoelétricos, scanners planos paralelos). A digitalização de superfície pode ocorrer de duas maneiras: digitalização com cantilever e digitalização com substrato. Se no primeiro caso o cantilever se move ao longo da superfície em estudo, no segundo caso o próprio substrato se move em relação ao cantilever estacionário. opinião Para manter o modo de digitalização, - o cantilever deve estar próximo da superfície, - dependendo do modo, - se é um modo de força constante ou um modo de altura constante, existe um sistema que pode manter tal modo durante a digitalização processo. Para fazer isso em circuito eletronico O microscópio inclui um sistema de feedback especial, que é conectado ao sistema para desviar o cantilever de sua posição original. As principais dificuldades técnicas na criação de um microscópio de sonda de varredura: A extremidade da sonda deve ter dimensões comparáveis aos objetos em estudo. Fornece estabilidade mecânica (incluindo térmica e vibratória) em um nível melhor que 0,1 angstrom. Os detectores devem detectar com segurança pequenas perturbações do parâmetro registrado. Criação de um sistema de digitalização de precisão. Garantindo uma aproximação suave da sonda à superfície.
Microscópio de tunelamento de varredura (STM, microscópio de tunelamento de varredura inglês STM) ou microscópio de tunelamento raster (RTM) O microscópio de tunelamento de varredura em sua forma moderna foi inventado (os princípios desta classe de dispositivos foram estabelecidos anteriormente por outros pesquisadores) por Gerd Karl Binnig e Heinrich Rohrer em 1981. Por esta invenção eles foram premiados premio Nobel em física em 1986, que foi compartilhado entre eles e o inventor do microscópio eletrônico de transmissão, E. Ruska. No STM, uma agulha de metal afiada é levada até uma amostra a uma distância de vários angstroms. Quando um pequeno potencial é aplicado à agulha em relação à amostra, ocorre uma corrente de tunelamento. A magnitude desta corrente depende exponencialmente da distância amostra-agulha. Valores típicos de pA em distâncias de cerca de 1 A. Este microscópio usa uma ponta de metal de pequeno diâmetro para fornecer elétrons. Um campo elétrico é criado no espaço entre a ponta e a superfície da amostra. O número de elétrons puxados pelo campo da ponta por unidade de tempo (corrente de tunelamento) depende da distância entre a ponta e a superfície da amostra (na prática, essa distância é inferior a 1 nm). À medida que a ponta se move ao longo da superfície, a corrente é modulada. Isso permite obter uma imagem relacionada à topografia da superfície da amostra. Se a ponta terminar em um único átomo, então uma imagem da superfície pode ser formada passando átomo por átomo.
O RTM só pode funcionar sob a condição de que a distância da ponta à superfície seja constante e a ponta possa ser movida com precisão até as dimensões atômicas. A alta resolução STM ao longo da superfície normal (~0,01 nm) e na direção horizontal (~0,1 nm), que é realizada tanto no vácuo quanto com meio dielétrico na lacuna do túnel, abre amplas perspectivas para aumentar a precisão da medição dimensões lineares na faixa nanométrica. Agulha de platina-irídio de um microscópio de tunelamento de varredura em close.
Microscópio de força atômica de varredura Microscópio de força atômica de varredura (AFM) A microscopia de força atômica de superfície (AFM), proposta em 1986, é baseada no efeito da interação de força entre espaços próximos sólidos. Ao contrário do STM, o método AFM é adequado para realizar medições em superfícies condutoras e não condutoras, não apenas no vácuo, mas também em meios aéreos e líquidos. O elemento mais importante do AFM é uma microssonda (cantilever), ao final da qual existe uma ponta dielétrica com raio de curvatura R, à qual a superfície da amostra em estudo é levada a uma distância de d0,1÷10 nm usando um manipulador de três coordenadas. A ponta do cantilever é geralmente montada sobre uma mola em forma de suporte com baixa rigidez mecânica. Como resultado da interação interatômica (termolecular) entre a amostra e a ponta do cantilever, o braquete é desviado. A resolução AFM ao longo da superfície normal é comparável à resolução STM correspondente, e a resolução na direção horizontal (resolução longitudinal) depende da distância d e do raio de curvatura da ponta R. O cálculo numérico mostra que em R = 0,5 nm e d = 0,4 nm a resolução longitudinal é de ~1 nm. Ressalta-se que a sonda AFM é a ponta de uma agulha, o que permite obter informações sobre o perfil de um elemento de relevo superficial de dimensões nanométricas, mas a altura (profundidade) de tal elemento não deve ultrapassar 100 nm, e o elemento vizinho não deve estar localizado a menos de 100 nm. Se certas condições específicas do AFM forem atendidas, é possível restaurar o perfil do elemento sem perda de informações. No entanto, estas condições são praticamente impossíveis de implementar experimentalmente.
Ver Resolução espacial (x, y) Resolução da coordenada Z Tamanho do campo Ampliação Microscopia óptica 200 nm-0,4 -0,2 mm x Microscópio confocal 200 nm 1 nm Interferometria de luz branca 200 nm 0,1 nm 0,05 a x Microscopia holográfica 200 nm 0,1 nm 0,05 a x Microscópio eletrônico de transmissão 0,2 nm- para Microscópio eletrônico de varredura (SEM) 0,4 nm 0,1 nm 0,1-500 µm ao longo de z - ~ 1-10 mm a x Microscópios de sonda de varredura 0,1 nm 0,05 nm ~ 150 x 150 µm em z - 
Para compreender o princípio de funcionamento de um microscópio óptico, é necessário considerar sua estrutura.
O principal dispositivo biológico é um sistema óptico, que consiste em tripé, iluminação e peças ópticas. O tripé inclui um sapato; uma platina com porta-slides e dois parafusos que movimentam a platina em duas direções perpendiculares; tubo, suporte de tubo; macro e microparafusos que movem o tubo na direção vertical.
Para iluminar um objeto, utiliza-se iluminação natural difusa ou artificial, que é realizada por meio de um microscópio montado permanentemente na sapata ou conectado por meio de uma barra iluminadora.
O sistema de iluminação inclui ainda um espelho com superfícies planas e côncavas e um condensador localizado sob o palco e composto por 2 lentes, um diafragma de íris e uma moldura dobrável para filtros. A parte óptica inclui conjuntos de lentes e oculares que permitem estudar células em diferentes ampliações.
O princípio de operação de um microscópio óptico é que um feixe de luz de uma fonte de luz é coletado em um capacitor e direcionado para um objeto. Depois de passar por ele, os raios de luz entram no sistema de lentes da lente. Eles constroem uma imagem primária, que é ampliada pelas lentes oculares. Em geral, a lente e a ocular fornecem uma imagem virtual inversa e ampliada do objeto.
As principais características de qualquer microscópio são a resolução e o contraste.
Resolução é a distância mínima em que dois pontos estão localizados, demonstrada separadamente pelo microscópio.
A resolução do microscópio é calculada pela fórmula
onde l é o comprimento de onda da luz do iluminador,
b - o ângulo entre o eixo óptico da lente e o feixe mais desviado que entra nela,
n é o índice de refração do meio.
Quanto menor o comprimento de onda do feixe, mais detalhes poderemos observar através do microscópio. E quanto maior for a abertura numérica da lente (n), maior será a resolução da lente.
Um microscópio óptico pode aumentar o poder de resolução do olho humano em aproximadamente 1.000 vezes. Esta é a ampliação “útil” do microscópio. Ao usar a parte visível do espectro de luz, o limite final de resolução de um microscópio óptico é de 0,2-0,3 mícrons.
No entanto, deve-se notar que a microscopia óptica nos permite ver partículas menores que o limite de resolução. Isso pode ser feito usando o método “Campo Escuro” ou “Ultramicroscopia”.
Arroz. 1 Microscópio óptico: 1 - tripé; 2 - tabela de objetos; 3 - bico; 4 - ocular; 5 - tubo; 6 - trocador de lentes; 7 - microlente; 8 - condensador; 9 - mecanismo de movimentação do condensador; 10 - coletor; 11 - sistema de iluminação; 12 - mecanismo de focagem do microscópio.
A parte principal do microscópio eletrônico é um cilindro oco de vácuo (o ar é evacuado para evitar a interação dos elétrons com seus componentes e a oxidação do filamento do cátodo). Uma alta tensão é aplicada entre o cátodo e o ânodo para acelerar ainda mais os elétrons. Em uma lente condensadora (que é um eletroímã, como todas as lentes de microscópio eletrônico), um feixe de elétrons é focado e atinge o objeto que está sendo estudado. Os elétrons transmitidos formam uma imagem primária ampliada na lente objetiva, que é ampliada pela lente de projeção, e é projetada na tela, que é coberta por uma camada luminescente para brilhar quando os elétrons a atingem.
Arroz. 2. Microscópio eletrônico: 1 - canhão eletrônico; 2 - ânodo; 3 - bobina para ajuste da arma; 4 - válvula de arma; 5 - 1ª lente condensadora; 6 - 2ª lente condensadora; 7 - bobina para inclinação do feixe; 8 - condensador 2 diafragmas; 9 - lente objetiva; 10 - bloco de amostra; 11 - diafragma de difração; 12 - lente de difração; 13 - lente intermediária; 14 - lente de 1ª projeção; 15 - 2ª lente de projeção; 16 - binóculo (ampliação 12); 17 - bloco de vácuo da coluna; 18 - câmera para filme em bobina 35 mm; 19 - tela de foco; 20 - câmara de registros; 21 - tela principal; 22 - bomba de sorção de íons.
Arqueologia tecnológica)
Alguns microscópios eletrônicos restauram o firmware de naves espaciais, outros fazem engenharia reversa dos circuitos de microcircuitos sob um microscópio. Suspeito que a atividade seja terrivelmente excitante.
E por falar nisso, lembrei-me do post maravilhoso sobre arqueologia industrial.
Spoiler
Existem dois tipos de memória corporativa: pessoas e documentação. As pessoas se lembram de como as coisas funcionam e sabem por quê. Às vezes, eles anotam essas informações em algum lugar e armazenam suas anotações em algum lugar. Isso é chamado de "documentação". A amnésia corporativa funciona da mesma maneira: as pessoas vão embora e a documentação desaparece, apodrece ou é simplesmente esquecida.
Passei várias décadas trabalhando para uma grande empresa petroquímica. No início da década de 1980, projetamos e construímos uma planta que converte hidrocarbonetos em outros hidrocarbonetos. Nos 30 anos seguintes, a memória corporativa da fábrica desapareceu. Sim, a fábrica ainda está operando e trazendo dinheiro para a empresa; a manutenção é realizada e especialistas altamente sábios sabem o que precisam puxar e onde chutar para que a planta continue a operar.
Mas a empresa esqueceu completamente como funciona essa planta.
Isso aconteceu devido a vários fatores:
O declínio da indústria petroquímica nas décadas de 1980 e 1990 fez com que parássemos de contratar novas pessoas. No final da década de 1990, nosso grupo era formado por rapazes com menos de 35 anos ou mais de 55 anos - com raríssimas exceções.
Lentamente, passamos a projetar usando sistemas de computador.
Devido a reorganizações societárias, tivemos que mudar fisicamente todo o nosso escritório de um lugar para outro.
Uma fusão corporativa, alguns anos depois, dissolveu completamente nossa empresa em uma empresa maior, causando uma grande reforma no departamento e uma reorganização de pessoal.
Arqueologia industrial
No início dos anos 2000, vários dos meus colegas e eu nos aposentamos.
No final dos anos 2000, a empresa lembrou-se da fábrica e achou que seria bom fazer algo com ela. Digamos, aumente a produção. Por exemplo, você pode encontrar um gargalo no processo produtivo e melhorá-lo – a tecnologia não parou nesses 30 anos – e, quem sabe, adicionar outra oficina.
E então a empresa bate numa parede de tijolos com toda a força. Como essa planta foi construída? Por que foi construído desta forma e não de outra forma? Como exatamente isso funciona? Por que é necessária a cuba A, por que as oficinas B e C estão conectadas por uma tubulação, por que a tubulação tem diâmetro D e não D?
Amnésia corporativa em ação. Máquinas gigantes, construídas por alienígenas com a ajuda de sua tecnologia alienígena, parecem ter acabado, produzindo montes de polímeros. A empresa tem alguma ideia de como fazer a manutenção dessas máquinas, mas não tem ideia de que tipo de magia incrível acontece lá dentro, e ninguém tem a menor ideia de como elas foram criadas. Em geral, as pessoas nem têm certeza do que procurar exatamente e não sabem de que lado desvendar esse emaranhado.
Procuramos pessoas que já trabalhavam na empresa durante a construção desta fábrica. Agora eles ocupam altos cargos e sente-se em salas separadas com ar condicionado. Eles recebem a tarefa de encontrar documentação para a planta designada. Isto não é mais memória corporativa, é mais como arqueologia industrial. Ninguém sabe que documentação existe para esta central, se existe e, em caso afirmativo, de que forma está armazenada, em que formatos, o que inclui e onde está fisicamente localizada. A planta foi projetada equipe do projeto, que já não existe, numa empresa entretanto adquirida, num escritório encerrado, utilizando métodos anteriores à era informática que já não são utilizados.
Os rapazes relembram a infância com a obrigatoriedade de cavar na terra, arregaçam as mangas das jaquetas caras e começam a trabalhar.
O termo "microscópio" tem raízes gregas. Consiste em duas palavras, que quando traduzidas significam “pequeno” e “eu pareço”. A principal função do microscópio é seu uso no exame de objetos muito pequenos. Ao mesmo tempo, este dispositivo permite determinar o tamanho e forma, estrutura e outras características de corpos invisíveis a olho nu.
Não há informações exatas na história sobre quem foi o inventor do microscópio. Segundo algumas fontes, foi projetado em 1590 pelo pai e filho Janssens, fabricantes de óculos. Outro candidato ao título de inventor do microscópio é Galileu Galilei. Em 1609, esses cientistas apresentaram ao público na Accademia dei Lincei um instrumento com lentes côncavas e convexas.
Ao longo dos anos, o sistema de visualização de objetos microscópicos evoluiu e melhorou. Um grande passo em sua história foi a invenção de um dispositivo simples de duas lentes ajustável acromaticamente. Este sistema foi introduzido pelo holandês Christian Huygens no final do século XVII. As oculares deste inventor ainda estão em produção hoje. Sua única desvantagem é a largura insuficiente do campo de visão. Além disso, em comparação com o design dos instrumentos modernos, as oculares Huygens possuem uma localização inconveniente para os olhos.
Uma contribuição especial para a história do microscópio foi feita pelo fabricante de tais dispositivos, Anton Van Leeuwenhoek (1632-1723). Foi ele quem atraiu a atenção dos biólogos para este dispositivo. Leeuwenhoek produziu produtos de pequeno porte equipados com uma lente, mas muito forte. Tais dispositivos eram inconvenientes de usar, mas não duplicavam os defeitos de imagem presentes nos microscópios compostos. Os inventores conseguiram corrigir essa deficiência apenas 150 anos depois. Junto com o desenvolvimento da óptica, a qualidade da imagem em dispositivos compostos melhorou.
A melhoria dos microscópios continua até hoje. Assim, em 2006, os cientistas alemães que trabalhavam no Instituto de Química Biofísica, Mariano Bossi e Stefan Hell, desenvolveram um novo microscópio óptico. Devido à capacidade de observar objetos com dimensões tão pequenas quanto 10 nm e imagens tridimensionais em 3D de alta qualidade, o dispositivo foi chamado de nanoscópio.
Atualmente, existe uma grande variedade de instrumentos projetados para examinar pequenos objetos. Seu agrupamento é baseado em vários parâmetros. Esta pode ser a finalidade do microscópio ou o método de iluminação adotado, a estrutura utilizada para o projeto óptico, etc.
Mas, via de regra, os principais tipos de microscópios são classificados de acordo com a resolução das micropartículas que podem ser visualizadas neste sistema. De acordo com esta divisão, os microscópios são:
- óptico (luz);
- eletrônico;
- Raio X;
- sondas de varredura.
Os microscópios mais utilizados são do tipo de luz. Existe uma grande seleção deles nas lojas de ótica. Com a ajuda de tais dispositivos, as principais tarefas de estudo de um determinado objeto são resolvidas. Todos os outros tipos de microscópios são classificados como especializados. Eles geralmente são usados em ambiente de laboratório.
Cada um dos tipos de dispositivos acima tem seus próprios subtipos, que são usados em uma área ou outra. Além disso, hoje é possível comprar um microscópio escolar (ou educacional), que é um sistema de entrada. Dispositivos profissionais também são oferecidos aos consumidores.
Para que serve um microscópio? O olho humano, sendo um sistema óptico biológico especial, possui um certo nível de resolução. Em outras palavras, há distância mais curta entre objetos observados quando eles ainda podem ser distinguidos. Para um olho normal, esta resolução está dentro de 0,176 mm. Mas os tamanhos da maioria das células animais e vegetais, microorganismos, cristais, microestrutura de ligas, metais, etc. são muito menores que esse valor. Como estudar e observar tais objetos? É aqui que diferentes tipos de microscópios ajudam as pessoas. Por exemplo, os dispositivos ópticos permitem distinguir estruturas nas quais a distância entre os elementos é de pelo menos 0,20 mícrons.
O dispositivo com o qual o olho humano pode visualizar objetos microscópicos possui dois elementos principais. Eles são a lente e a ocular. Essas partes do microscópio são fixadas em um tubo móvel localizado sobre uma base metálica. Há também uma tabela de objetos nela.
Os tipos modernos de microscópios são geralmente equipados com um sistema de iluminação. Este, em particular, é um condensador com diafragma de íris. Um conjunto obrigatório de dispositivos de ampliação inclui micro e macroparafusos, que são usados para ajustar a nitidez. O projeto dos microscópios também inclui um sistema que controla a posição do condensador.
Microscópios especializados e mais complexos costumam usar outros sistemas adicionais e dispositivos.
Gostaria de começar a descrever o microscópio contando uma história sobre uma de suas partes principais, ou seja, a lente. São um sistema óptico complexo que aumenta o tamanho do objeto em questão no plano da imagem. O design das lentes inclui todo um sistema não apenas de lentes simples, mas também de duas ou três lentes coladas.
A complexidade de tal projeto óptico-mecânico depende da gama de tarefas que devem ser resolvidas por um ou outro dispositivo. Por exemplo, o microscópio mais complexo possui até quatorze lentes.
A lente consiste na parte frontal e nos sistemas que a seguem. Qual a base para construir uma imagem com a qualidade exigida, bem como determinar as condições de trabalho? Esta é uma lente frontal ou seu sistema. As partes subsequentes da lente são necessárias para fornecer a ampliação, distância focal e qualidade de imagem necessárias. No entanto, tais funções só são possíveis em combinação com uma lente frontal. Vale ressaltar também que o desenho da peça subsequente afeta o comprimento do tubo e a altura da lente do aparelho.
Essas partes do microscópio são um sistema óptico projetado para construir a imagem microscópica necessária na superfície da retina do olho do observador. As oculares contêm dois grupos de lentes. O mais próximo do olho do pesquisador é chamado de ocular, e o mais distante é o de campo (com sua ajuda, a lente constrói uma imagem do objeto que está sendo estudado).
O microscópio possui um design complexo de diafragmas, espelhos e lentes. Com sua ajuda, é garantida uma iluminação uniforme do objeto em estudo. Nos primeiros microscópios esta função realizado À medida que os instrumentos ópticos melhoraram, eles começaram a usar primeiro espelhos planos e depois côncavos.
Com a ajuda de detalhes tão simples, os raios do sol ou da lâmpada eram direcionados ao objeto de estudo. Nos microscópios modernos é mais avançado. É composto por um condensador e um coletor.
As preparações microscópicas que requerem exame são colocadas sobre uma superfície plana. Esta é a tabela de objetos. Tipos diferentes os microscópios podem ter esta superfície, desenhada de forma que o objeto de estudo seja girado em direção ao observador horizontalmente, verticalmente ou em determinado ângulo.
No primeiro dispositivo óptico, um sistema de lentes fornecia uma imagem inversa de microobjetos. Isso permitiu discernir a estrutura da substância e os mínimos detalhes que foram objeto de estudo. O princípio de funcionamento de um microscópio óptico hoje é semelhante ao trabalho realizado por um telescópio refrator. Neste dispositivo, a luz é refratada ao passar pela parte de vidro.
Como os modernos aumentam microscópios de luz? Depois que um feixe de raios de luz entra no dispositivo, eles são convertidos em um fluxo paralelo. Só então ocorre a refração da luz na ocular, devido à qual a imagem dos objetos microscópicos é ampliada. A seguir, esta informação chega na forma necessária para o observador em seu
Os modernos classificam:
1. Por classe de complexidade para microscópios de pesquisa, trabalho e escolares.
2. Por área de aplicação: cirúrgica, biológica e técnica.
3. Por tipos de microscopia: dispositivos de luz refletida e transmitida, contato de fase, luminescente e polarização.
4. Na direção do fluxo luminoso em invertido e direto.
Com o tempo, o dispositivo projetado para examinar objetos microscópicos tornou-se cada vez mais sofisticado. Surgiram esses tipos de microscópios nos quais era usado um princípio de operação completamente diferente, independente da refração da luz. No processo de utilização dos mais novos tipos de dispositivos, os elétrons estiveram envolvidos. Tais sistemas tornam possível ver partes individuais da matéria tão pequenas que os raios de luz simplesmente fluem ao seu redor.
Para que é usado um microscópio eletrônico? É usado para estudar a estrutura das células nos níveis molecular e subcelular. Também dispositivos semelhantes usado para estudar vírus.
O que está por trás da operação dos mais recentes instrumentos para visualização de objetos microscópicos? Qual a diferença entre um microscópio eletrônico e um microscópio óptico? Existem semelhanças entre eles?
O princípio de funcionamento de um microscópio eletrônico é baseado nas propriedades elétricas e Campos magnéticos. Sua simetria rotacional pode ter um efeito de foco nos feixes de elétrons. Com base nisso, podemos responder à pergunta: “Como um microscópio eletrônico difere de um microscópio óptico?” Ao contrário de um dispositivo óptico, não possui lentes. Seu papel é desempenhado por campos magnéticos e elétricos adequadamente calculados. Eles são criados por voltas de bobinas pelas quais a corrente passa. Neste caso, tais campos agem de forma semelhante. Quando a corrente aumenta ou diminui, a distância focal do dispositivo muda.
Relativo diagrama esquemático, então em um microscópio eletrônico é semelhante ao circuito de um dispositivo de luz. A única diferença é que os elementos ópticos são substituídos por elementos eléctricos semelhantes.
A ampliação de um objeto em microscópios eletrônicos ocorre devido ao processo de refração de um feixe de luz que passa pelo objeto em estudo. Em vários ângulos, os raios entram no plano da lente objetiva, onde ocorre a primeira ampliação da amostra. Em seguida, os elétrons viajam até a lente intermediária. Nele há uma mudança suave no aumento do tamanho do objeto. A imagem final do material em estudo é produzida pela lente de projeção. A partir dele a imagem atinge a tela fluorescente.
Os tipos modernos incluem:
1. TEM, ou microscópio eletrônico de transmissão. Nesta instalação, a imagem de um objeto muito fino, de até 0,1 mícron de espessura, é formada pela interação de um feixe de elétrons com a substância em estudo e sua posterior ampliação por lentes magnéticas localizadas na lente.
2. SEM ou microscópio eletrônico de varredura. Tal dispositivo permite obter uma imagem da superfície de um objeto com alta resolução, da ordem de vários nanômetros. Ao usar métodos adicionais, esse microscópio fornece informações que ajudam a determinar composição química camadas próximas à superfície.
3. Microscópio eletrônico de varredura de túnel, ou STM. Usando este dispositivo, é medido o relevo de superfícies condutoras com alta resolução espacial. No processo de trabalho com STM, uma agulha de metal afiada é trazida até o objeto em estudo. Neste caso, é mantida uma distância de apenas alguns angstroms. A seguir, um pequeno potencial é aplicado à agulha, resultando em uma corrente de túnel. Neste caso, o observador recebe uma imagem tridimensional do objeto em estudo.
Em 2002, apareceu na América nova empresa, envolvida na produção de instrumentos ópticos. Sua linha de produtos inclui microscópios, telescópios e binóculos. Todos esses dispositivos são diferenciados por alta qualidade Imagens.
A sede e o departamento de desenvolvimento da empresa estão localizados nos EUA, em Fremond (Califórnia). Mas quanto às instalações de produção, elas estão localizadas na China. Graças a tudo isso, a empresa abastece o mercado com produtos avançados e de alta qualidade a um preço acessível.
Você precisa de um microscópio? Levenhuk oferecerá a opção necessária. A linha de equipamentos ópticos da empresa inclui dispositivos digitais e biológicos para ampliação do objeto em estudo. Além disso, são oferecidos ao comprador modelos de design em diversas cores.
O microscópio Levenhuk possui ampla funcionalidade. Por exemplo, um dispositivo de ensino básico pode ser conectado a um computador e também é capaz de gravar em vídeo a pesquisa que está sendo realizada. O modelo Levenhuk D2L está equipado com esta funcionalidade.
A empresa oferece microscópios biológicos de vários níveis. Isso e muito mais modelos simples e novos itens adequados para profissionais.
Estamos começando a publicar um blog de um empresário, especialista na área tecnologias de informação e o designer amador de meio período Alexey Bragin, que fala sobre uma experiência inusitada - há um ano o autor do blog está ocupado restaurando equipamentos científicos complexos - um microscópio eletrônico de varredura - praticamente em casa. Leia sobre quais desafios de engenharia, técnicos e científicos Alexey teve que enfrentar e como ele lidou com eles.
Um amigo me ligou um dia e disse: encontrei uma coisa interessante, preciso trazer para você, porém pesa meia tonelada. Foi assim que uma coluna de um microscópio eletrônico de varredura JEOL JSM-50A apareceu na minha garagem. Foi descartado há muito tempo de algum instituto de pesquisa e levado para sucata. A eletrônica foi perdida, mas a coluna eletro-óptica, junto com a parte de vácuo, foi salva.
Como a parte principal do equipamento foi preservada, surgiu a dúvida: é possível salvar o microscópio inteiro, ou seja, restaurá-lo e colocá-lo em condições de funcionamento? E direto na garagem, com as próprias mãos, utilizando apenas conhecimentos básicos de engenharia e ferramentas disponíveis? É verdade que eu nunca tinha lidado com esse tipo de equipamento científico antes, muito menos sabia como usá-lo, e não tinha ideia de como funcionava. Mas é interessante não apenas colocar uma peça de hardware antiga em funcionamento - é interessante descobrir por conta própria e verificar se é possível usar método científico, explore áreas completamente novas. Então comecei a restaurar um microscópio eletrônico na garagem.
Neste blog contarei a vocês o que já consegui fazer e o que falta fazer. Ao longo do caminho, apresentarei os princípios de funcionamento dos microscópios eletrônicos e seus principais componentes, além de falar sobre os diversos obstáculos técnicos que tiveram que ser superados ao longo do caminho. Então vamos começar.
Para restaurar o microscópio que eu tinha em posse pelo menos ao estado “desenhamos com feixe de elétrons em uma tela fluorescente”, foi necessário o seguinte:
Vamos começar em ordem. Hoje falarei sobre os princípios de funcionamento dos microscópios eletrônicos. Eles vêm em dois tipos:
O TEM é muito semelhante a um microscópio óptico convencional, apenas a amostra em estudo é irradiada não com luz (fótons), mas com elétrons. O comprimento de onda do feixe de elétrons é muito mais curto que o do feixe de fótons, portanto, uma resolução significativamente maior pode ser obtida.
O feixe de elétrons é focado e controlado por meio de lentes eletromagnéticas ou eletrostáticas. Elas ainda apresentam as mesmas distorções (aberrações cromáticas) das lentes ópticas, embora a natureza da interação física seja completamente diferente. Aliás, também acrescenta novas distorções (causadas pela torção dos elétrons na lente ao longo do eixo do feixe de elétrons, o que não acontece com os fótons em um microscópio óptico).
O TEM tem desvantagens: as amostras em estudo devem ser muito finas, mais finas que 1 mícron, o que nem sempre é conveniente, principalmente quando se trabalha em casa. Por exemplo, para ver seu cabelo através da luz, você precisa cortá-lo longitudinalmente em pelo menos 50 camadas. Isto se deve ao fato de que o poder de penetração do feixe de elétrons é muito pior que o do feixe de fótons. Além disso, os FEMs, com raras exceções, são bastante complicados. Este dispositivo, na foto abaixo, não parece ser tão grande (embora seja mais alto que a altura humana e tenha uma sólida estrutura de ferro fundido), mas também vem com uma fonte de alimentação do tamanho de um grande gabinete - no total, quase é necessária uma sala inteira.
Universidade de Calgary
Por exemplo, esta é a aparência da gripe H1N1 “na luz”:
Universidade de Calgary
SEM é usado principalmente para examinar a superfície de amostras com resolução muito alta (uma ampliação de um milhão de vezes, contra 2 mil para microscópios ópticos). E isso é muito mais útil em casa :)
Por exemplo, esta é a aparência de uma cerda individual em uma escova de dentes nova:
O mesmo deveria acontecer na coluna eletro-óptica de um microscópio, só que aqui a amostra é irradiada, e não o fósforo da tela, e a imagem é formada com base nas informações de sensores que registram elétrons secundários, elétrons refletidos elasticamente, etc. Este é o tipo de microscópio eletrônico que será discutido neste blog.
Tanto o tubo de imagem da TV quanto a coluna óptica eletrônica do microscópio operam apenas sob vácuo. Mas falarei sobre isso em detalhes na próxima edição.
(Continua)
