Osservare il mondo microscopico: il SEM.

L’uomo fin dall’antichità è sempre stato affascinato dall’infinitamente grande e dall’infinitamente piccolo.
Mentre però con gli studi di greci ed egizi sull’astronomia il “macro-mondo” fu piano piano compreso a fondo (fino ad arrivare a Keplero), restava sempre un mistero quello che accadeva nel “micro-mondo”.
Forse il più grande problema era proprio il non poter osservare in modo accurato e preciso una parte dell’universo che ci circonda.
Grazie alle scoperte dell’ottica e la costruzione dei primi microscopi basati sulla luce, infatti, per quanto si potesse arrivare ad ingrandire un oggetto, non si poteva comunque superare il limite di Abbè (cioè la risoluzione massima), che per un microscopio ottico tradizionale (che sfrutta cioè la luce visibile) è di 0,2 μm.

size_compCome si poteva arrivare ad osservare oggetti più piccoli del micron?
La soluzione venne trovata dal fisico tedesco, Ernst Ruska (premio nobel nel 1986 proprio per questa scoperta), nel 1931, con la creazione del primo microscopio elettronico.
Sfruttando gli elettroni invece che la luce come sorgente, infatti, il limite di Abbè crollava fino ad arrivare ad essere di un decimo di nanometro!

Nella Microscopia Elettronica a Scansione (SEM) la superficie del campione viene spazzolata da un fascio elettronico, ed il fascio riemesso viene raccolto e proiettato su di uno schermo.
Quando un fascio elettronico colpisce un campione, diversi tipi di elettroni e onde sono emessi dal campione, come si può vedere nella figura sottostante; tra questi, i più importanti per quanto riguarda l’analisi SEM sono essenzialmente due:

  1. Elettroni Retrodiffusi (BSE: BackScattered Electron)
  2. Elettroni Secondari (SE: Secondary Electron)

Immagine2

Gli elettroni retrodiffusi sono gli elettroni appartenenti al fascio che dopo un certo numero di urti, elastici e non, escono dal campione.
Hanno energia compresa tra zero e quella degli elettroni incidenti, e provengono da una profondità di circa 0,5-1 µm.
Il numero di BSE dipende dal numero atomico Z del materiale che si analizza, mentre non dipende dall’energia del fascio, secondo la seguente legge:
Immagine3
con le costanti C che dipendono dal materiale e dalle condizioni.
In questo modo si può analizzare il tipo di materiale che si sta analizzando, visto che il coefficiente in generale seguirà la curva che si può osservare nella figura riportata sotto.

Andamento del coefficiente di retrodiffusione in funzione del numero atomico

Numero di BSE in funzione del numero atomico

Gli elettroni retrodiffusi quindi permettono sia di avere informazioni topografiche sia di vedere la variazione del numero atomico medio delle diverse zone scandagliate.
Gli elettroni secondari (SE), invece, sono quelli che vengono riemessi dal campione stesso ed hanno energia inferiore a 50 eV.
La probabilità di formazione di un elettrone secondario segue un andamento del tipo:
Immagine5dove λ vale circa 1-10 nm. La profondità di emissione vale circa 5 volte λ, da cui si ricava facilmente che la regione di provenienza dei SE è al massimo 50 nm. Gli elettroni secondari danno principalmente la sola informazione morfologica.

Strumentalmente un SEM è formato da diversi componenti, tra i quali i più importanti sono la sorgente di elettroni, le l

  • enti magnetiche, il sistema di pompe da vuoto e i diversi rivelatori.
Schema illustrativo di un SEM

Schema illustrativo di un SEM

Quindi selezionando il tipo di rivelatore si può osservare la morfologia del campione (cosa usata quasi sempre) o il tipo di materiale che si sta osservando (funzione usata di rado).

Vediamo ora alla parte più divertente… le foto che si possono catturare con un SEM.
Innanzitutto nella figura che trovate sotto potete osservare come si presenta un moderno microscopio elettronico.
hitachi_su-70_sem

Ora come promesso una carrellata di immagini SEM, a partire da una realizzata direttamente da me.
Con questo vi saluto, spero che l’articolo risulti interessante.

PS: Per chi fosse interessato la NASA ha messo in rete un programmino interessante: VirtualMicroscope, un simulatore di SEM.

Buona giornata,

MMarans.

Diverse foto SEM di crescite di CNTs

Diverse foto SEM di crescite di CNTs

Neurone

Neurone

Sensore per Gas costituito da un filo di Pt da 50 nm di diametro

Sensore per Gas costituito da un filo di Pt da 50 nm di diametro

Fiocco di neve

Fiocco di neve

Virus dell'influenza A

Virus dell’influenza A

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Pubblicato il 4 aprile 2013, in Uncategorized con tag , , , , , , . Aggiungi il permalink ai segnalibri. Lascia un commento.

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