La microscopia elettronica a scansione (SEM) produce immagini dettagliate e ingrandite di un oggetto, scansionando la superficie dell'oggetto per creare un'immagine ad alta risoluzione. Il SEM realizza questo obiettivo utilizzando un fascio focalizzato di elettroni. Le immagini risultanti mostrano informazioni sui materiali di cui è composto l'oggetto e sulle sue proprietà fisiche. Lo strumento che ottiene queste informazioni sulla composizione e sulla topografia è il microscopio elettronico a scansione. In quanto strumento pratico e utile, il SEM trova un'ampia gamma di applicazioni in vari settori e industrie. Può analizzare sia materiali artificiali che naturali.
Un microscopio elettronico a scansione funziona scansionando un campione con fasci di elettroni. Un cannone elettronico spara questi fasci, che vengono poi accelerati attraverso la colonna di un microscopio elettronico a scansione. Durante questa azione, i fasci di elettroni passano attraverso una serie di lenti e aperture che servono a focalizzarli. Ciò avviene in condizioni di vuoto che impediscono alle molecole o agli atomi già presenti nella colonna del microscopio di interagire con il fascio di elettroni. Ciò garantisce immagini di alta qualità. Il vuoto protegge inoltre la sorgente di elettroni da vibrazioni e rumori. I fasci di elettroni scansionano il campione seguendo uno schema raster, scansionando la superficie in linee da un lato all'altro e dall'alto verso il basso. Nella computer grafica e nella fotografia digitale, una grafica raster rappresenta un'immagine bidimensionale come una matrice rettangolare o una griglia di pixel e può essere visualizzata sullo schermo di un computer, su carta o su altri supporti di visualizzazione.
Gli elettroni interagiscono con gli atomi sulla superficie del campione. Questa interazione crea segnali sotto forma di elettroni secondari, elettroni retrodiffusi e raggi caratteristici del campione. I rilevatori nel microscopio raccolgono questi segnali e creano immagini ad alta risoluzione che vengono visualizzate sullo schermo del computer.
Un microscopio elettronico a scansione comprende i seguenti componenti:
La sorgente di elettroni produce elettroni nella parte superiore della colonna del microscopio. La piastra anodica ha una carica positiva che attrae gli elettroni, creando un fascio. La lente condensatrice controlla la dimensione del fascio e determina il numero di elettroni al suo interno. La dimensione del raggio determina la risoluzione dell'immagine. Inoltre, è possibile utilizzare delle aperture per controllare la dimensione del fascio. Le bobine di scansione deviano il fascio lungo gli assi x e y, consentendone la scansione seguendo uno schema raster sulla superficie del campione. La lente obiettivo è l'ultima lente della serie di lenti che formano il fascio di elettroni. Essendo la lente più vicina al campione, focalizza il fascio luminoso su un punto molto piccolo del campione.
Gli elettroni non possono passare attraverso il vetro, quindi le lenti SEM sono elettromagnetiche. È costituito da una bobina di filo all'interno di poli metallici. Quando una corrente attraversa queste bobine, crea un campo magnetico. Gli elettroni sono molto sensibili a questi campi magnetici, quindi le lenti del microscopio riescono a controllarli.
I principali tipi di analisi che un microscopio elettronico a scansione può eseguire sono:
L'adattabilità dei microscopi elettronici a scansione li rende ideali per un'ampia gamma di applicazioni scientifiche, di ricerca, industriali e commerciali. Le immagini SEM forniscono informazioni su:
Gli utilizzi del SEM nelle scienze biologiche includono l'identificazione di ceppi batterici e la sperimentazione di vaccini. Viene applicato anche in genetica. Il SEM può anche aiutare a misurare l'impatto del cambiamento climatico su diverse specie e a scoprirne di nuove.
In medicina legale, il SEM è un metodo affidabile per analizzare i residui di spari e per analizzare particelle di vernice e fibre sulle scene del crimine. Può analizzare la scrittura a mano e i caratteri di stampa ed è un modo per esaminare l'autenticità delle banconote. Utilizzato per analizzare le lampadine a filamento sulle scene degli incidenti stradali.
Nel campo del campionamento geologico, un microscopio elettronico a scansione può determinare le differenze compositive nei campioni di terreno e roccia e determinare gli effetti dell'erosione sui materiali. Viene utilizzato per identificare utensili e manufatti antichi nei siti archeologici e per datare i resti storici. Può misurare la qualità del suolo per l'agricoltura e l'allevamento.
In elettronica, il SEM supporta l'assemblaggio dei microchip consentendo un esame dettagliato dei progetti e contribuendo allo sviluppo di nuovi metodi di produzione e fabbricazione. Poiché i materiali per l'assemblaggio dei microchip diventano sempre più piccoli, le capacità ad alta risoluzione del SEM sono diventate indispensabili nei processi di progettazione, ricerca e sviluppo. Le informazioni topografiche fornite dal SEM sono importanti anche per ispezionare e testare i semiconduttori per verificarne l'affidabilità e le prestazioni. I microscopi elettronici a scansione sono importanti nel processo di controllo qualità. Supporta inoltre lo sviluppo di nanofili migliorando i metodi di produzione.
Nella scienza dei materiali, la SEM trova applicazione in un'ampia gamma di settori e discipline, dall'industria aerospaziale alla chimica, dall'energia all'elettronica. Le applicazioni includono la ricerca su leghe, architetture mesoporose, nanotubi e nanofibre.
In campo medico, il SEM viene utilizzato come tecnica per confrontare campioni di sangue e tessuti in gruppi di pazienti e di controllo. Può aiutare a identificare virus e malattie e a testare nuovi farmaci.
In breve, la microscopia elettronica a scansione (SEM) è fondamentale in ambito scientifico e industriale, laddove siano necessarie immagini dettagliate e ad alta risoluzione delle superfici. Il SEM può ingrandire gli oggetti fino a circa 1.000.000 di volte. Supera di gran lunga i microscopi ottici in termini di dettaglio e chiarezza. È necessario per visualizzare strutture su scala micro e nano. Conferisce alle superfici un aspetto tridimensionale. È ottimo per comprendere la consistenza, le crepe, i pori e i rivestimenti. Si tratta di un potente strumento per esplorare la struttura e la composizione ultrafine dei materiali, fondamentale per la ricerca, il controllo qualità e la diagnostica in innumerevoli campi.
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