¿Cómo podemos fotografiar el mundo en la nanoescala?

Blog original en inglés por Ben Frank
Traducido por Jane Moye-Rowley

Si pienses de nuevo en las clases de ciencias en la escuela primaria, quizás recuerdes viendo a células o bacterias con un microscopio. Yo recuerdo sintiéndome fascinado al hecho que podía ver objetos, invisibles a simple vista, con solo un instrumento del laboratorio. Pues, ¿qué haces si quieres ver algo mil veces más pequeño que una célula, o aún más pequeña que eso? En este caso, un microscopio compuesto (lo que se usa a menudo en clases de biología) sería inadecuado. El mundo de nanopartículas existe en dimensiones más pequeñas que las de la bacteria que observan los chicos en clases de biología, y por esto científicos necesitan herramientas especiales para ver partículas en este ámbito. En el Centro de Nanotecnología Sostenible, estudiamos partículas más pequeñas de 100 nanómetros. ¡Eso es 10 a 100 veces más pequeño que una bacteria y cerca de 1000 veces más pequeño que la célula humana típica!

la bacteria

Imagen de la bacteria B. subtilis, sacada con un microscopio compuesto típico (a la izquierda, imagen por Y tambe), comparada a una imagen sacado con un microscopio electrónico de transmisión (TEM) de nanopartículas de plata cerca de la membrana nuclear de una célula de cáncer (a la derecha, reimprimido con permisión de AshaRani et al., 20091). ¡Nota que la escala en la izquierda es 50 veces más grande que la derecha!

Para poder ver cosas tan pequeñas como nanopartículas, necesitamos microscopios con resolución muy alta. Como discutimos en la entrada de blog “¿Qué es la diferencia entre magnificación y resolución?,” la resolución es una medición de la distancia más corta entre dos puntos que se pueden distinguir como regiones separadas por el observador. En la escala de nanómetros, técnicas de microscopía tradicional no pueden resolver las partículas que necesitamos observar. Como un resultado, acudimos a métodos más poderosos como microscopía electrónico de barrido (SEM, scanning electron microscopy en inglés, o MEB) o microscopía electrónico de transmisión (TEM, transmission electron microscopy en inglés, o MET) para ver con claridad el mundo de nanopartículas.

Mientras microscopios compuestos usan rayos de luz hechos de fotones para captar imágenes, SEM y TEM usan rayos de electronos que hacen posible la resolución de objetos más pequeños. La clave es que electronos tienen una frecuencia más alta que fotones, que permite la resolución más alta. Podemos usar la metáfora de una pelota rebotando en un piso cubierto en niebla para ayudarnos pensar en la resolución. Cuando la pelota hace contacto con el piso, el impacto dispersa la niebla en esta área, que hace posible ver el piso donde aterrizó la pelota. Aunque los electronos en un microscopio no empujan nada como la pelota empuja a la niebla, la analogía es útil porque cuando una partícula en el rayo del microscopio cae a una superficie, obtenemos información para “ver” el área en que lo cayó.

un ojo y microscopios

(De izquierda a la derecha): Un ojo humano, microscopio compuesto, y SEM con la resolución máxima que corresponde.2-4(Imágenes i-d por Ben Frank, AmScope, y Microscopía Zeiss)

La analogía de la pelota es útil también para comprender como la frecuencia afecta a la resolución en SEM y TEM. Una pelota que rebota más alta contactará el piso con menos frecuencia que una pelota rebotada más bajo porque toma más tiempo para subir y bajar—en otras palabras, tiene una frecuencia más bajo. La pelota con una frecuencia más alta contactará al piso con más frecuencia, desplazando más niebla en relación a la pelota con menos frecuencia. El número más alto de colisiones entre la pelota con frecuencia alta y el piso hace visible más del piso como un resultado. Más del piso siendo visible a través de la niebla da un imagen con resolución más alta con la pelota con frecuencia alta, en relación a la pelota con frecuencia baja.

una pelota rebotando

Una pelota rebotando – un poquito-ito como un rayo de electronos cayendo a una superficie (imagen por Lampman)

Pues, ¿cómo funciona SEM? El rayo de electronos con energía alta se produce por tirando electronos de un filamento, por el uso de calor o un campo eléctrico, y luego acelerando los electronos a una energía alta.5 Cuando el rayo de electronos hace contacto con la muestra, un numero alto de electronos secundarios de energía baja son expulsados de la superficie de la muestra, y son acelerados a un detector. El rayo mueve lentamente adelante y atrás en la muestra para barrer la área de la muestra. (Este movimiento es lo que da la técnica su nombre.)

Durante el proceso de barriendo, un detector mide la cantidad de electronos que cada región de la muestra emite, y usa esas mediciones para construir una imagen. Regiones con rasgos más próximos al detector tienen más electronos secundarios expulsados que van al detector, que corresponde a un área de colores más claros en la imagen construida. En cambio, las regiones que tienen valles son más lejas del detector, y aparecerán más oscuras porque menos electronos secundarios llegan al detector de eses áreas. Al fin, vea una imagen completa de la superficie de su muestra con una resolución hasta 10 nanómetros. Si considere que enlaces atómicos son en la escala de un décimo de un nanómetro (que se llaman también “angstroms”), ¡esto es una resolución bastante impresionante!

el polen

Imagen de polen sacada por SEM (imagen de la Facilidad de Microscopios del Dartmouth College)

TEM funciona en una manera similar a SEM, sino que el detector en TEM se localiza debajo de la muestra en vez de encima de la muestra. Eso requiere que el rayo de electronos pasa a través de (o transmite a través de) una muestra muy delgada. Cuando el rayo de electronos pasa por la muestra, unos electronos hacen contacto con átomos o electronos dentro de la material y dispersan lejos del detector. El resto del rayo de electronos hace contacto con el detector, haciendo algo que es esencialmente una imagen de la sombra de la muestra. La ventaja por esta técnica en comparación a SEM es la potencial por una resolución mucho más alta. ¡Los mejores instrumentos de TEM pueden tener un nivel de resolución sub-nanómetro, y muestran átomos individuales de una muestra!

¡Estos dos tipos de microscopía electrónico, SEM y TEM, se han usado para resolver rasgos tan pequeñitos como los rasgos en la superficie de polen y aun los diseños en las alas de mariposas (ve esta entrada para más sobre este sujeto)!

Usamos estas técnicas especializadas a menudo en CSN cuando necesitamos ver objetos en la escala de nanómetros. Hay otras técnicas para analizar los átomos de que consiste estas nanopartículas – publicamos más información sobre estas técnicas en una entrada subsiguiente. ¡Manténgase conectados!


RECURSOS INFORMATIVOS (en inglés)


REFERENCIAS

  1. AshaRani, P. et al. Cytotoxicity and Genotoxicity of Silver Nanoparticles in Human Cells, ACS Nano, 2009, 3, 279-290. DOI: 10.1021/nn800596w
  2. King, Paul. What is the highest resolution humans can distinguish? Eyewire[blog], 2013. Retrieved from: http://blog.eyewire.org/what-is-the-highest-resolution-humans-can-distinguish/
  3. Miami University of Ohio. What is resolution? [n.d.] Retrieved from:http://www.cas.miamioh.edu/mbiws/microscopes/resolution.html
  4. Vickerman, J. C.; Gilmore, I. S. Surface Analysis: The Principal Techniques, 2nd; Wiley: West Sussex, 2009. ISBN: 978-0-470-01764-7
  5. Seal Laboratories. How SEM Works. [n.d.] Retrieved from:http://www.seallabs.com/how-sem-works.html

 

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s