Microscopio

A differenza del TEM, che può esaminare zone estese, un SEM analizza la superficie del campione porzione per porzione, mediante un “pennello” elettronico di sezione paragonabile alla risoluzione del microscopio (dell’ordine del nm). Gli atomi della superficie, colpiti dagli elettroni del fascio, emettono elettroni secondari (riflessi o diffratti) che, insieme agli elettroni trasmessi, vengono raccolti da un rivelatore e convertiti in segnali elettrici. Ogni punto del campione analizzato corrisponde a un pixel dello schermo televisivo, cosicché, man mano che il fascio elettronico scorre sul campione, sullo schermo si costruisce un'immagine completa. Un SEM ha fattore di ingrandimento pari a circa 100.000 e fornisce un'immagine tridimensionale molto dettagliata. Con i modelli più recenti, è possibile anche seguire l’evolversi di un processo dinamico, come la reazione di un campione a una variazione di temperatura, a una trasformazione chimica o a una sollecitazione meccanica.

Nell’ambito della microscopia elettronica, sono state messe a punto diverse altre tecniche, che consentono prestazioni ancora migliori di quelle dei modelli tradizionali. Il microscopio elettronico a scansione e a trasmissione (Scanning Transmission Electron Microscope, STEM), ad esempio, combina le caratteristiche di un SEM con quelle di un TEM e ha potere risolutivo estremamente elevato, tale da arrivare a distinguere perfino gli atomi del campione.

Il microscopio analitico a sonda elettronica è dotato di un dispositivo che analizza i raggi X ad alta energia emessi da un campione bombardato da elettroni. Poiché i raggi X emessi permettono di identificare gli atomi da cui provengono, questo strumento fornisce non solo un'immagine ingrandita del campione come il microscopio elettronico convenzionale, ma anche informazioni sulla sua composizione chimica.

Una delle tecniche più recenti di microscopia elettronica è la cryo-ET, o tomografia elettronica. Combina la tecnologia della microscopia elettronica tradizionale con le tecniche criogeniche, per creare immagini tridimensionali di campioni biologici delle dimensioni degli organelli cellulari. Mediante un fascio di elettroni indirizzato sul campione mantenuto a bassissima temperatura, vengono catturate più immagini bidimensionali, successivamente elaborate da un computer in un’unica immagine tridimensionale. Uno dei principali vantaggi della cryo-ET consiste nel non richiedere coloranti o trattamenti inquinanti di fissazione del campione.

I microscopi a sonda sono dotati di una punta metallica sensibile e sottilissima di diametro confrontabile alle dimensioni di un singolo atomo.

Il microscopio a effetto tunnel (Scanning Tunnel Microscope, STM), inventato nel 1981, sfrutta il fenomeno quantistico dell’effetto tunnel per fornire immagini dettagliate di sostanze conduttrici di elettricità. Tra la sonda e la superficie da ispezionare viene applicata una piccola differenza di potenziale; gli elettroni attraversano, per effetto tunnel, il ridottissimo spazio compreso tra la punta della sonda e l'oggetto, dando luogo a una corrente di tunnelling la cui intensità aumenta al diminuire della distanza tra la punta e gli atomi dell'oggetto. Il microscopio STM è dotato di un meccanismo di retroazione che mantiene costante la corrente, mentre la punta segue il profilo del campione. Le caratteristiche della superficie del campione sarebbero registrate come variazioni della corrente di tunnelling ma, attraverso i meccanismi di retroazione, vengono apprezzate come microspostamenti della punta della sonda.

Un altro tipo di microscopio a sonda è il microscopio a forza atomica (Atomic Force Microscope, AFM), che può analizzare anche campioni di materiale non conduttore. Quando la sonda di un AFM si muove lungo la superficie del campione, gli elettroni della sua punta metallica sono respinti dagli elettroni degli atomi del campione. I meccanismi di regolazione del microscopio aggiustano l'altezza della sonda rispetto alla superficie, in modo da mantenere costante la forza repulsiva tra le cariche negative. Un sensore registra i movimenti della sonda e li trasmette a un computer, che può così ricostruire un'immagine tridimensionale della superficie del campione.