Revista MUY. Abril 1986
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El microscopio electronico
Laboratorio de Covendish, Cambridge, 1897. El físico inglés J. J. Thompson observa cómo los rayos emitidos por el cátodo de un grupo de electrodos incandescentes, dentro de un tubo de vacío, son derivados por la acción de un campo eléctrico o de un campo magnético. Esto demostraba que los rayos catódicos estaban formados por un flujo de partículas de carga negativa: los electrones, cuya existencia habla apuntado anteriormente el también físico irlandés Stoney, a quien deben su denominación desde 1881.
Nacía de esta forma una nueva disciplina científica, la electrónica, cuyos frutos empezamos a recoger ahora. En 1924, Louis de Broglie daba un paso de gigante en este prometedor terreno al avanzar la hipótesis, más tarde confirmada, de que toda partícula material, en este caso el electrón, se propagaba de forma ondulatoria, como la luz. Se les podía asignar, por tanto, una longitud de onda. Más tarde, en 1926, H. Bush publicaba un informe en el que demostraba que un campo eléctrico o magnético con simetría axial era capaz de actuar como una lente para los electrones u otras partículas cargadas.
Este conjunto de estudios, experiencias y descubrimientos iba a sentar las bases de una nueva ciencia de la instrumentación, la óptica electrónica, que darfa origen al microscopio electrónico. El primer paso hacia su construcción lo dio Gabor al fabricar un año después, en 1927, la primera lente electrostática. En 1933 fue comercializado el primer prototipo.
Hoy día existe una enorme variedad de modelos basados en los dos sistemas fundamentales que emplea la microscopia electrónica: la transmision y el barrido o scanning. Ambos parten de los principios antes descritos, si bien difieren en la forma de obtener las imágenes.
El esquema básico de funcionamiento de un microscopio electrónico se asemeja bastante al del microscopio óptico: una fuente de iluminación, una lente condensadora, una lente objetivo, un sistema de proyección y una pantalla o sistema de registro. Dentro de una columna, en la que previamente hemos generado un alto vacio (del orden de 1 mm de mercurio), un cañón electrónico, alimentado con alto voltaje, se encarga de producir, mediante el calentamiento de un filamento, la emisión de electrones. Y ésta es precisamente la fuente de iluminación.
Este haz de electrones va a ser sometido inmediatamente a la acción de un campo eléctrico de alto potencial (entre 20 y 1.000 Kv), que aumentará su excitación, acelerándolos. Un orificio, que hace las veces de diafragma, dejará pasar únicamente el haz de electrones que nos interesa hacia la lente condensadora (generalmente de carácter magnético, aunque también se utilizan electrostáticas>. Esta lente tiene por misión focalizar o concentrar el haz electrónico sobre la muestra que queremos visualizar, en caso de que se trate de un microscopio de transmisión, y sobre la lente objetivo si es de barrido.
Tropezamos, pues, con la primera diferencia entre los dos sistemas. Nuestros electrones han llegado a la muestra y la mayoría la han traspasado. Al hacerlo, se ha producido un fenómeno denominado difracción, que hace que los electrones varien el ángulo de su trayectoria y se dispersen.
Parte del haz ha logrado, sin embargo, traspasar la muestra sin sufrir grandes alteraciones en su trayectoria. Este haz transmitido es el encargado de formar la imagen a través de la lente objetivo. Dos o más lentes intermedias se encargan de aumentarla y, finalmente, una lente proyectora nos servirá el resultado en una pantalla fluorescente o en una placa fotográfica.
Pero aún podemos aprovechar otro tipo de información. Los electrones que al atravesar la muestra se desviaron a partir de un cierto ángulo -que depende de la lente objetivo- pueden ser proyectados, a su vez, sobre la pantalla. Obtendremos así un diagrama de difracción que nos informará sobre la estructura superficial de la muestra.
En el microscopio de barrido, en cambio, nuestros electrones no alcanzarán la muestra hasta el final de su carrera por el tubo de vacio. Antes, la lente objetivo y las intermedias han concentrado el haz hasta conseguir un diámetro de unos pocos centenares de angstroms (1 angstrom A equivale a 10-lo metros). Este rayo puntiagudo bombardeará la muestra barriéndola sistemáticamente (algo parecido a lo que ocurre con el tubo de rayos catódicos de nuestro televisor), haciendo que se desprendan los llamados electrones secundarios.
Se mide, a continuación, la intensidad de estos electrones, generados en el punto de Impacto del haz con la muestra. Esto proporciona una señal determinada que, una vez alimentada, se envía a un tubo de rayos catódicos. Su pantalla nos mostrará finalmente imágenes sincronizadas de la exploración de la muestra.
Evidentemente, cada sistema proporciona un tipo de Información diferente. En el microscopio de transmision obtendremos una imagen que dependerá del poder difusor o dispersor de la muestra, íntimamente ligado a su densidad superficial de masa. Así, por ejemplo, las zonas
más oscuras de la imagen corresponderán bien a zonas de mayor espesor de la muestra o a zonas constituidas por un material de mayor densidad.
En el microscopio de barrido los electrones no atraviesan la muestra sino que son reflejados. Portan, pues, información sobre la superficie de aquélla, proporcionando imágenes de gran definición y contraste. Esto no es posible con el microscopio de transmisión que, sin embargo, tiene mayor poder resolutivo, puesto que llega a discriminar distancias de separación entre átomos.
Hoy día, con el uso de difractómetros automáticos, computadoras, etcétera, se llegan a resolver estructuras muy complejas, tales como proteínas. Esta deter
minación microestructural es cada día más precisa, ya que el limite actual de los modernos microscopios se sitúa entre 1,5 y 2 angstroms, dentro de la reglón de distancias interatómicas. En la sal común (NaCI), por ejemplo, la distancia entre dos átomos es de 2,81 angstroms. En los últimos quince años, el microscopio electrónico se ha convertido en el instrumento ideal de numerosos Investigadores (biólogos, médicos, físicos, químicos, Industriales...). Con su ayuda ha sido posible, entre otras, determinar las causas de fenómenos como la fluorescencia o la fosforescencia, ligados a defectos en la estructura atómica o electrónica de los materiales. Defectos que parecen controlar la mayoría de las propiedades mecanicas, eléctricas, químicas y térmicas de los sólidos.
El microscopio electrónico ha abierto una nueva ventana a la ciencia y, por tanto, al conocimiento de la vida. Poco a poco, los misterios del microcosmos, quizás el mismísimo origen de la vida se Irán haciendo accesibles a nuestros ojos. De momento, el átomo está al alcance de los más modernos aparatos. Esta es, por ahora, nuestra barrera visual, pero la carrera no ha hecho más que empezar.
