Microscopio de luz y el fascinante mundo microscópico de la naturaleza

1. CONFERENCIA INTRODUCTORIA AL CURSO

2.  Los detalles de la naturaleza se
revelan a quien tenga ojos para
ver, paciencia para observar y
habilidad para analizar.
 Es a través de la percepción de
cada detalle que aparece la belleza,
la diversidad y simultáneamente,
la unidad de la materia.
 Así se conoce que el universo
tiene una estructura y que los
elementos que constituyen esa
estructura presenta una
determinada organización.

3. Mediante la observación simple el hombre
logró un cierto conocimiento del universo
que lo rodeaba.
 El estudio de la estructura de los seres vivos
y las cosas se inició usando tan solo los
sentidos, especialmente la vista.
 Las ciencias descriptivas surgen detallando
lo visible sin el empleo de instrumento
alguno.
 Leonardo Da Vinci alcanzó un conocimiento
profundo de la anatomía humana mediante la
disección y el análisis visual de decenas de
cadáveres.

4.  El hombre posee capacidad sensorial limitada:
o Oye sonidos en una determinada gama de
frecuencias
o Detecta por el gusto y el olor substancias hasta una
concentración dada
o Su vista le permite visualizar objetos de un
determinado tamaño)

5. El hombre ha vivido obsesionado por el conocimiento
más profundo del mundo microscópico.
Consciente de su limitado poder de discriminación y
motivado por su curiosidad, ha buscado por milenios la
forma de hacer visible lo invisible. Así descubre las lentes y
aprende a combinarlas, obteniendo imágenes cada vez mas
perfectas; construye el microscopio de luz y comienza a
incursionar por el fascinante mundo microscópico de la
naturaleza.

6. EL MICROSCOPIO COMPUESTO
Los holandeses fueron precursores
1590 - Hans y Zacharias Janssen
1675 - Antoni Van Leeuwenhoek (1632-1723) creó un microscopio "simple" con
pequeñas lentes esféricas (hasta 275x) con los cuales descubrió nuevas bacterias.

7. Robert Hooke (Inglaterra
1635-1703) viendo en una
lámina de corcho las paredes
que encierran las celdas
dejadas por las células al
morir, propuso el nombre de
célula, que definió por vez
primera el elemento viviente
unitario.
 Siglo XVII - Los naturalistas denominados microscopistas
descubrieron con microscopios primitivos minúsculas criaturas
vivientes y detalles anatómicos.
Otros precursores:
Malpighi (Italia 1628-1694)
J. Swammderdam (Holanda 1637-1723)

8. MICROSCOPIO MONOCULAR

9. MICROSCOPIO SIMPLE

10.  Giovanni Battista Amici
(Italia 1827)
Construyó los primeros
microscopios de calidad.
Introdujo la corrección de
aberraciones.
Descubrió la importancia del
espesor del cubre objeto e
introdujo el concepto de
"inmersión en agua".
 Investigadores y físicos buscaron mas y mejores imágenes
introduciendo cambios en la estructura y componentes del
microscopio de luz.

11. El ingeniero Carl Zeiss
(1816 – 1888) fundó en 1846 un
taller de mecánica fina, centro
de optomecánica de precisión,
para fabricar microscopios y
lupas para la Universidad de
Jena.
SISTEMATIZACIÓN DEL DESARROLLO DEL MICROSCOPIO

12.  Ernest K. Abbe publicó en 1873 su “Teoría de
Formación de Imagen”.
 Abbe revolucionó los
conocimientos existentes y creó la
base del desarrollo actual de la
microscopia con su Teoría Óptica
Matemática.
 Tuvo en cuenta el fenómeno de
difracción en la abertura de las
lentes del microscopio y concluyó
que la resolución del microspopio
de luz está limitada físicamente a
0,2 µm; es decir, que no se pueden
ver separados puntos que se
encuentren a menor distancia.

13. Dr. Freidrick Otto Schott,
químico alemán, creó en 1884 la
célebre empresa Jenaer Glaswerk
Schott & Genossen para la
fabricación de cristales ópticos.
Schott desarrolló más de 100 tipos
diferentes de vidrios ópticos
Primer encuentro de Otto Schott
con ABBE (4/01/1881)

14. MICROSCOPIO
ZEISS
La unión de Carl Zeiss,
notable mecánico de preci-
sión y hombre de negocios,
con el Dr. Ernst Abbe, físico
teórico y el Dr. Freidrick
Schott, químico especializado
en cristalografía, hizo posible
la era moderna de los siste-
mas ópticos.

15.  Siglo XX
El sistema del Dr. Köhler
permitió aprovechar al 100% la
luz de un bombillo
concentrándola sobre la lente
frontal del objetivo.
Se dio cuenta que usando luz
con longitudes de onda más
cortas podía mejorar la
resolución del microscopio.
ILUMINACIÓN ARTIFICIAL
El físico alemán August Köhler publica en 1893 su
Teoría del sistema de iluminación del microscopio
En 1904 creó el Microscopio ultravioleta, base para
microscopía de fluorescencia, al cual siguió el microscopio
de luminescencia en 1913.

16. Carl Zeiss desarrolló en 1924 la Optica Infinita
en el Gran Micrososcopio Metalográfico (según
LE CHATELIER)
En 1965 el Primer Microscopio
Metalográfico NEOPHOT I

17. MICROSCOPIO DE LUZ REFLEJADA Y TRASMITIDA

18. Microscopio de Luz Polarizada

19. DIGITALIZACIÓN DE IMÁGENES
Diversos softwares permiten manipular
imágenes y operar los Microscopios :
 Técnicas de Digitalización.
 Técnicas de Procesamiento de Imagen.
Las Cámaras Fotográficas Digitales han
revolucionado el mundo de la microscopía.

20. Simple
molecules
<1nm
IBM PowerPC 750TM
Microprocessor
7.56mm×8.799mm
6.35×106 transistors
semiconductor
nanocrystal (CdSe)
5nm
10-10 10-5
10-9 10-7 10-6
10-8 10-4 10-3 10-2
m
Circuit design
Copper wiring
width 0.2m
red blood cell
~5 m (SEM)
DNA
proteins
nm
bacteria
1 m
Nanometer memory element
1012 bits/cm2 (1Tbit/cm2)
SOI transistor
width 0.12m
diatom
30 m
Courtesy Kimberly Hamad-Schifferli

21. HISTORIA DEL MICROSCOPIO ELECTRÓNICO
En 1895 Roentgen descubre
“un nuevo tipo de rayo”
W C Roentgen
λ ≈ 0.1 nm
Pero es hoy cuando se ve próximo
el momento en que podamos contar
con un microscopio de RX, ya que
se trabaja intensamente en ese
sentido.

22. Microscopia Electrónica
George P. Thomson
Clinton J. Davisson
Premios Nobel en Física 1937
por el descubrimiento de los
electrones
Prince Louis-Victor
Pierre Raymond
de Broglie
Premio Nobel en
Física 1929 “por su
descubrimiento en
1924 de la naturaleza
ondulatoria del
electrón”
Davisson y Germer hacen difractar
electrones usando un monocristal
de níquel en 1927.

23. ÓPTICA ELECTRÓNICA
•1926 - 1931 Desarrollo importante de la
“Optica Electrónica”
•Diseño y construcción de dispositivos que
al ser “atravesados por un haz de
electrones” lo deflectan de modo análogo a
como hace un prisma o una lente de vidrio
con la luz.
λ ≈ 0.001nm
2 grados
λ < 0.1nm
Rayos X
Rayo
Electrónico

24. Simple
molecules
<1nm
red blood cell
~5 m (SEM)
DNA
proteins
nm
bacteria
1 m
10-10 10-5
10-9 10-7 10-6
10-8 10-4 10-3 10-2
m
diatom
30 m
IBM PowerPC 750TM
Microprocessor
7.56mm×8.799mm
6.35×106 transistors
semiconductor
nanocrystal (CdSe)
5nm
Circuit design
Copper wiring
width 0.2m
Nanometer memory element
1012 bits/cm2 (1Tbit/cm2)
SOI transistor
width 0.12m
Courtesy Kimberly Hamad-Schifferli

25. Simple
molecules
<1nm
IBM PowerPC 750TM
Microprocessor
7.56mm×8.799mm
6.35×106 transistors
semiconductor
nanocrystal (CdSe)
5nm
10-10 10-5
10-9 10-7 10-6
10-8 10-4 10-3 10-2
m
Circuit design
Copper wiring
width 0.2m
red blood cell
~5 m (SEM)
DNA
proteins
nm
bacteria
1 m
Nanometer memory element
1012 bits/cm2 (1Tbit/cm2)
SOI transistor
width 0.12m
diatom
30 m
Courtesy Kimberly Hamad-Schifferli

27. PRIMER MICROSCOPIO ELECTRONICO
En 1931 los ingenieros
alemanes E. Ruska y M.
Knoll hicieron el primer
microscopio electrónico de
transmisión. La firma
Siemens- Halske comenzó
a producir los primeros
Microscopios Electrónicos
de este tipo

28. PRIMEROS MICROSCOPIOS ELECTRONICOS
ELMISCOPE I
Simens
RCA Mod 2 PHILLIPS EM-75
50 KV; <100 Å
100 KV; <60 Å 100 KV; <20 Å

29. MICROSCOPIO
ELECTRONICO DE
TRANSMISION Y
BARRIDO (STEM)
CON
ESPECTROMETRO
DE ENERGIA
DISPERSADA DE
RAYOS X (EDS)

30. MET de Ultra Alto Voltaje
Microscopio Electrónico de Transmisión
de 3 Megavolts HITACHI

31. Estructura inicial
Fase inicial de la
nitruración
Nitruros Precipitados
Nitruración Iónica de la Aleación Fe-3% Mn

33. Microscopio Electrónico de Barrido
•1929 Stinzing propone la idea básica
•1938 M. Von Ardenne construye el
primero
•1942 - Vladimir Zworykin alcanza 50 nm
de resolución

34. MICROSCOPIO ELECTRONICO DE BARRIDO
FEI Quanta 200 FEG
High Resolution Environmental
Microscope (3-5 nm), BSE,EBSD,
WD: 5-48 mm

35. MICROSCOPIO ELECTRONICO DE BARRIDO CON
MICROANALIZADOR INCORPORADO

37. PRECURSORES CORALINOS PARA BIOMATERIALES
Porites Porites. Barra: 200µm Porites Porites. Barra: 100µm
Ha. Porosa Coralina® 200.
Barra: 100 µm
Biomaterial resultante

38. Síntesis de ZSM-5
16 horas
32 horas
48 horas
72 horas
423K 433K 443K

39. CONCEPTOS BÁSICOS DE
MICROSCOPIA
Penetración del rayo electrónico: 100-200 nm
Velocidad del electrón
(Km/s)
Voltaje de aceleración
(Kv)
150 000 (1/2 veloc. luz)
80 Kv
230 000 (3/4 veloc. luz)
300 Kv
Vacío en la columna: Presión residual que garantiza el “camino libre del
rayo” (posibilidad nula de choque del electrón con una molécula dentro
de la columna).
Presión ≈ 1.3x10-5 Pa ≈ 10-7Torr ( 7 x1012 moléculas / litro)
Presión atmosférica ≈ 1 bar ≈ 760 mm de Hg (Torr) ≈ 105 Pa
Límite de detección de rayos X: 10-18 g ( 105-106 átomos)

40. Sonda de Castaing
1945-1949 - Castaing construyó una Sonda
Electrónica para microanálisis químico elemental
por fluorescencia de rayos X de una región
bombardeada por un rayo electrónico. Esto
convirtió al microscopio electrónico en un
instrumento más interactivo y dio inicio a la
microscopia electrónica analítica.
1965 - Cambridge Inc. produjo el primer MEB
comercial.

41. MICROSCOPIO ELECTRONICO DE BARRIDO
de Bajo Vacío o “Ambiental”

43. Resolución Atómica
Hay microscopios con
resolución del orden
de distancias inter
atómicas, asociada a
las propiedades del
material, lo cual
amplia su capacidad
analítica.
o HREM
o 300 KV
o Emisión de Campo
o 0.16 nm Resolucion
o Información < 0.1 nm

47. NANOTUBES
Courtesy A Kirkland

48. Multiwalled
nanotubes
formed by
pyrolisis

49. Multiwalled
nanotubes
formed by
pyrolisis

51. ?

52. EMISION DEL RAYO X

53. Copper Titanium
X rays wavelength = 0.3 nm
Copper Titanium
X rays wavelength = 0.15 nm
Copper
Titanium
alloy

54. 3-dimensional atom probe
Single atoms removed from specimen and identified.
Original surface position of atoms can be determined with sub–
nanometre spatial resolution.
Continued removal allows 3D mapping of atom positions
Position–
sensitive
detector
High voltage
(d.c. + pulse)
Time-of-flight
and position data
Field
evaporated
ions
Needle-shaped
specimen (cooled)

55. Gradual removal of atoms of a
nickel-zirconium catalyst. One
atom is evaporated from the
central terrace between each pair
of frames.
http://www.ornl.gov/info/ornlreview/rev28-4/text/atoms.htm
Position–
sensitive
detector
High voltage
(d.c. + pulse)
Field
evaporated
ions
Needle-shaped
specimen (cooled)

56. OTROS MICROSCOPIOS DE BARRIDO
Cantilever

57. MICROCOPIOS SONDAS DE BARRIDO

58. OTROS TIPOS DE IMÁGENES
Imagen Holografica
Imagen de Filtro de Energía
Imágenes Magnéticas
Otras

59. Template
Como podemos ver en el Nano Mundo
Podemos
hacer nuevos materiales en el
Nano mundo
BCEIA 2003

60. What is now possible?
Imaging structures at the atomic level
Courtesy John Brook,
Jeremy Sloan, Andrew Briggs

61. What is now possible?
Imaging structures at the atomic level
Courtesy John Brook,
Jeremy Sloan, Andrew Briggs

62. Limitaciones en la Resolución
Longitud de Onda del Electrón
Aberración en las Lentes
Métodos para compensar esas
aberraciones
A Través de la reconstrucción focal
Corrección de Aberraciones

64. Proyector 1A de Oxford
Corrector Cs en la Lente
Objetivo

65. Spot align
TL11
TL12
TL21
TL22
ADL
HP2
HP1
TL1(2)
TL21
TL22
ADL
HP2
HP1
TL11
Hama photo
slit
Lower DFI
BFI
Gatan camera
Small screen
Large screen
FC
I shift
D shift
D stig
DP(LHP)
DP(UHP)
DP 21
DP 22
DP 12
DP 11 HP QP
DP(HP)
DP(HP)
DP 22
DP 11 HP QP
B shift
B tilt
DP 21
Upper DFI
entrance AP
standard W-TEM vs. OJ1

67. Si3N4

68. Partícula de Au sobre Ge amorfo
Corregido JEOL 2010 (URP)

69. Proyecto 1A
de Oxford
Corrector Cs en la lente del
Objetivo

70. Lanthanum

71. Visión: posibilidad de acceder a microscopios electrónicos
*universalidad
*a través de Internet
*con funcionalidad completa y sensibilidad funcional
Microscopia Remota
Oxford CyberSEM
Remote SEM over the WWW
Cockayne, Kirkland,
Dovey and Jeffreys

73. Importancia de la Microscopia Remota
COMPARTE INSTRUMENTOS CAROS
ACCESO A EQUIPOS ESPECIALIZADOS
DISPONIBILIDAD DE OPERACIÓN DE EXPERTOS
ACCESO OCASIONAL DE USUARIOS INDIVIDUALES– INDUSTRIA, UNIVERSIDADES, ETC
DISPONIBILIDAD DE COMPUTADORAS PODEROSAS.

74. MICROSCOPIO FORMADOR
DE IMAGEN SEGÚN LA
ORIENTACIÓN
ESTRUCTURAL. (OIM)

75. Microscopios y sus Características
MBET y
MFA
MET
MEB
Luz Visible
Microscopio
25-1x107
1x103-1x106
10-1x105
1-1x103
Aumento
Limitada por
la estructura.
2nm
0,2 nm
0,1 µm
5 µm
5 µm
0,1 µm
Resolución
Ordinaria:
Límite:
Atómico
Límitado
Espes.Muest
1 mm a 100x
1 µm a 100x
Prof.
Campo
Normal
Sin Límite
Laboriosa
Delgada
Normal
Sin Límite
Normal
Sin Límite
Muestra:
Preparación:
Tipo:
Señal a
procesar
Imagen.
Patrón
Difracc.
Señal a
procesar
Imagen
Información
Muy alto
Alto
Alto
Bajo-Medio
Costo