Microscopio elettronico

Quando vediamo delle immagini super ravvicinate di insetti, della struttura interna delle cellule o addirittura immagini di singole molecole, si tratta quasi sempre di immagini raccolte grazie all'uso di microscopi elettronici. Vediamo insieme di cosa si tratta e come funzionano!

Microscopio elettronico

Il microscopio elettronico è un microscopio che illumina utilizzando un fascio di elettroni accelerati. Viene utilizzato per studiare e identificare le strutture di oggetti molto piccoli. Poiché la lunghezza d'onda della luce è 100 000 volte superiore a quella di un elettrone, i microscopi ottici non possono essere utilizzati per identificare determinate strutture.

Fig. 1 - Un microscopio elettronico in uso.

Le strutture di una varietà di campioni biologici e inorganici vengono esaminate con il microscopio elettronico. Questi campioni includono cellule, campioni bioptici, cristalli, metalli, grandi molecole, microrganismi, ecc.I microscopi elettronici vengono utilizzati per creare micrografie elettroniche catturando immagini con speciali fotocamere digitali.

Microscopio elettronico: storia

Il primo prototipo di microscopio elettronico (che fu la prima dimostrazione pratica del funzionamento di un microscopio elettronico) fu sviluppato da Ernst Ruska nel 1931. Più tardi, nello stesso anno, Reinhold Rudenberg ottenne un brevetto per il microscopio elettronico.

Mentre le prime immagini di un prototipo di microscopio elettronico furono ottenute nel 1932 da Ernst Ruska, utilizzando i concetti del brevetto di Rudenberg, il primo microscopio elettronico con una risoluzione superiore a quella di un microscopio ottico fu costruito, sempre da Ernst Ruska, nel 1933.

Il primo microscopio elettronico commerciale, tuttavia, fu prodotto da Siemens nel 1938. All'epoca il direttore scientifico era Reinhold Rudenberg.

Anche se i microscopi elettronici utilizzati oggi sono in grado di creare ingrandimenti di quasi due milioni di volte (la capacità di un microscopio di generare un'immagine di un oggetto in scala maggiore o minore rispetto alle sue dimensioni reali), la tecnologia rimane basata sul prototipo di Ernst Ruska.

Esistono due tipi di microscopi elettronici attualmente utilizzati: il microscopio elettronico a trasmissione e il microscopio elettronico a scansione. Entrambi hanno i loro vantaggi e le loro aree di utilizzo.

Microscopio elettronico a trasmissione (TEM)

Il microscopio elettronico a trasmissione (TEM) è la prima forma originale di microscopio elettronico. Crea un'immagine illuminando il campione con un fascio di elettroni ad alta tensione e viene utilizzato in diversi campi, come le nanotecnologie, la medicina, l'analisi forense, l'industria, l'istruzione, ecc.

Vediamo come funziona passo-passo.

Fig. 2 - Rappresentazione schematica del funzionamento di un microscopio elettronico.

1. Una fonte di elettricità ad alta tensione alimenta il catodo del microscopio.
2. Il catodo funziona in modo simile ai raggi catodici dei vecchi televisori e consiste in un filamento riscaldato. Crea un fascio di elettroni che si dirige verso il microscopio proprio come fa la luce nei microscopi ottici.
3. La prima lente, che è una bobina elettromagnetica, converte gli elettroni in un fascio più potente concentrandoli.
4. La seconda lente aiuta il fascio a focalizzarsi su una particolare area del campione.
5. Il campione è posto su una griglia di rame nel tubo del microscopio. Quando il fascio di elettroni lo attraversa, raccoglie un'immagine del campione.
6. La terza lente contribuisce a ingrandire l'immagine.
7. Quando il fascio di elettroni raggiunge uno schermo fluorescente alla base della macchina, l'immagine appare.
8. L'immagine può essere vista attraverso un binocolo laterale o un monitor collegato a un intensificatore di immagini.

Microscopio elettronico a scansione (SEM)

Il microscopio elettronico a scansione (SEM) sonda il campione con un fascio di elettroni concentrato che viene scansionato su una regione rettangolare del campione per ottenere immagini, ed è utilizzato nel controllo qualità, nell'analisi dei guasti e nella scienza dei materiali per la ricerca.

Vediamo passo per passo come funziona un microscopio elettronico a scansione.

1. Gli elettroni vengono inviati nel tubo del microscopio.
2. Il tubo del microscopio è tenuto in una camera a vuoto sigillata, poiché particolari fasci di elettroni non possono viaggiare bene attraverso l'aria.
3. L'anodo attira gli elettroni verso di sé e li converte in un fascio energetico di elettroni.
4. Una bobina elettromagnetica agisce come una lente e focalizza il fascio in una regione precisa.
5. Il fascio di elettroni viene guidato da un lato all'altro da una bobina inferiore.
6. Il fascio si diffonde sull'oggetto in modo controllato.
7. Gli elettroni del fascio di elettroni colpiscono l'oggetto e vengono riflessi dalla superficie dell'oggetto.
8. Un rilevatore rileva gli elettroni riflessi e li trasforma in un'immagine.
9. L'immagine dell'oggetto può essere visualizzata su un monitor.

Microscopio elettronico: vantaggi e svantaggi

Vediamo quali sono i vantaggi e gli svantaggi dei microscopi elettronici, rispetto ai microscopi ottici classici.

Vantaggi del microscopio elettronico

I microscopi elettronici presentano diversi vantaggi rispetto ai microscopi ottici.

• I microscopi elettronici ci permettono di analizzare strutture di piccole dimensioni che non possono essere analizzate con i microscopi ottici. Questo perché la lunghezza d'onda degli elettroni è 100 000 volte più piccola della lunghezza d'onda della luce e la risoluzione che possiamo ottenere con i microscopi elettronici è dell'ordine di \(0,2\: nm\).
• I microscopi elettronici hanno un'ampia gamma di applicazioni, nell'industria, nelle scienze biomediche e per l'analisi di microrganismi, cellule, ecc.
• Se usati correttamente, i microscopi elettronici possono produrre immagini ad alta risoluzione, consentendo di vedere strutture complesse che altri microscopi non possono fornire.

Svantaggi del microscopio elettronico

L'uso dei microscopi elettronici presenta anche alcuni svantaggi:

• I microscopi elettronici possono produrre solo immagini in bianco e nero.
• I microscopi elettronici sono solitamente molto costosi.
• Anche se la tecnologia sta migliorando, i microscopi elettronici sono ancora di dimensioni maggiori rispetto ad altri microscopi.
• Poiché il microscopio elettronico richiede che i campioni siano analizzati nel vuoto per evitare che gli elettroni si disperdano nell'aria scontrandosi con altre molecole, campioni viventi non possono essere analizzati con il microscopio elettronico.