Il solito tipo di microscopio che potresti trovare in un'aula o in un laboratorio di scienze è un microscopio ottico. Un microscopio ottico utilizza la luce per ingrandire un'immagine fino a 2000x (di solito molto meno) e ha una risoluzione di circa 200 nanometri. Un microscopio elettronico, d'altra parte, utilizza un fascio di elettroni anziché la luce per formare l'immagine. L'ingrandimento di un microscopio elettronico può arrivare a 10.000.000x, con una risoluzione di 50 picometri (0,05 nanometri).
I vantaggi dell'utilizzo di un microscopio elettronico su un microscopio ottico sono un ingrandimento molto maggiore e un potere risolutivo. Gli svantaggi includono il costo e le dimensioni dell'attrezzatura, la necessità di un addestramento speciale per preparare i campioni per la microscopia e l'uso del microscopio e la necessità di visualizzare i campioni nel vuoto (sebbene possano essere usati alcuni campioni idratati).
Il modo più semplice per capire come funziona un microscopio elettronico è confrontarlo con un normale microscopio ottico. In un microscopio ottico, guardi attraverso un oculare e una lente per vedere un'immagine ingrandita di un campione. L'impostazione del microscopio ottico è composta da un campione, lenti, una fonte di luce e un'immagine che è possibile vedere.
In un microscopio elettronico, un raggio di elettroni prende il posto del raggio di luce. Il campione deve essere appositamente preparato in modo che gli elettroni possano interagire con esso. L'aria all'interno della camera del campione viene espulsa per formare un vuoto perché gli elettroni non viaggiano lontano in un gas. Invece delle lenti, le bobine elettromagnetiche focalizzano il fascio di elettroni. Gli elettromagneti piegano il fascio di elettroni nello stesso modo in cui le lenti piegano la luce. L'immagine è prodotta da elettroni, quindi viene visualizzato prendendo una fotografia (una microfotografia elettronica) o visualizzando il campione attraverso un monitor.
Esistono tre tipi principali di microscopia elettronica, che differiscono in base alla forma dell'immagine, alla preparazione del campione e alla risoluzione dell'immagine. Si tratta di microscopia elettronica a trasmissione (TEM), microscopia elettronica a scansione (SEM) e microscopia a tunnel di scansione (STM).
I primi microscopi elettronici da inventare furono microscopi elettronici a trasmissione. In TEM, un fascio di elettroni ad alta tensione viene parzialmente trasmesso attraverso un campione molto sottile per formare un'immagine su una lastra fotografica, un sensore o uno schermo fluorescente. L'immagine che si forma è bidimensionale e in bianco e nero, un po 'come una raggi X. Il vantaggio della tecnica è che è in grado di ingrandimento e risoluzione molto elevati (circa un ordine di grandezza migliore di SEM). Lo svantaggio chiave è che funziona meglio con campioni molto sottili.
Nella microscopia elettronica a scansione, il fascio di elettroni viene scansionato sulla superficie di un campione in un modello raster. L'immagine è formata da elettroni secondari emessi dalla superficie quando sono eccitati dal fascio di elettroni. Il rilevatore mappa i segnali elettronici, formando un'immagine che mostra la profondità di campo oltre alla struttura della superficie. Mentre la risoluzione è inferiore a quella di TEM, SEM offre due grandi vantaggi. Innanzitutto, forma un'immagine tridimensionale di un esemplare. In secondo luogo, può essere utilizzato su campioni più spessi, poiché viene scannerizzata solo la superficie.
In TEM e SEM, è importante rendersi conto che l'immagine non è necessariamente una rappresentazione accurata del campione. Il campione potrebbe subire variazioni a causa della sua preparazione per il microscopio, dall'esposizione al vuoto o dall'esposizione al fascio di elettroni.
Un microscopio a tunnel a scansione (STM) mostra le superfici a livello atomico. È l'unico tipo di microscopia elettronica in grado di visualizzare l'immagine individuale atomi. La sua risoluzione è di circa 0,1 nanometri, con una profondità di circa 0,01 nanometri. STM può essere utilizzato non solo nel vuoto, ma anche nell'aria, nell'acqua e in altri gas e liquidi. Può essere utilizzato in un ampio intervallo di temperature, da quasi zero assoluto a oltre 1000 gradi C.
STM si basa sul tunneling quantistico. Una punta di conduzione elettrica viene portata vicino alla superficie del campione. Quando viene applicata una differenza di tensione, gli elettroni possono scavare tra la punta e il campione. La variazione della corrente della punta viene misurata mentre viene scansionata attraverso il campione per formare un'immagine. A differenza di altri tipi di microscopia elettronica, lo strumento è economico e facilmente realizzabile. Tuttavia, STM richiede campioni estremamente puliti e può essere complicato farlo funzionare.