Analisi di microscopia elettronica a trasmissione (TEM)

Analisi di microscopia elettronica a trasmissione (TEM)

La microscopia elettronica a trasmissione (TEM) è una tecnica analitica utilizzata per visualizzare le strutture più piccole nella materia. A differenza dei microscopi ottici, che si basano sulla luce nello spettro visibile, la microscopia elettronica a scansione (TEM) può ingrandire le strutture nanometriche fino a 50 milioni di volte, rivelando dettagli sorprendenti su scala atomica. Questo perché gli elettroni possono avere una lunghezza d'onda notevolmente più corta della luce visibile (circa 100 mila volte più piccola) quando vengono accelerati attraverso un forte campo elettromagnetico, aumentando così la risoluzione del microscopio di diversi ordini di grandezza.

Analisi di microscopia elettronica a trasmissione (TEM)

Per creare un'immagine TEM, un fascio di elettroni ad alta energia viene fatto passare attraverso un campione estremamente sottile, "trasparente agli elettroni", solitamente con uno spessore inferiore a 100 nm. Una serie di lenti elettromagnetiche e aperture sono posizionate lungo la colonna del microscopio per focalizzare il fascio luminoso sul campione, riducendo al minimo le distorsioni e ingrandendo l'immagine risultante su uno schermo al fosforo o su una speciale telecamera.

La tecnologia TEM si presenta in molte forme diverse, ma tutte condividono gli stessi principi di base e componenti. I due principali tipi di strumenti TEM sono: TEM convenzionale e STEM (microscopio elettronico a scansione e trasmissione).

Questa tecnologia in rapida evoluzione ha reso la TEM una tecnica indispensabile sia per le applicazioni nei materiali che nelle scienze della vita. Gli attuali TEM più potenti sono dotati di modifiche e rilevatori aggiuntivi che non solo aumentano le prestazioni e la stabilità del microscopio, ma offrono anche la capacità aggiuntiva di raccogliere informazioni chimiche ed elettroniche su scale di lunghezza subnanometrica da un'ampia gamma di materiali.

Ingrandendo la scala atomica, gli scienziati possono osservare gli elementi costitutivi fondamentali dei materiali funzionali, come nanoparticelle catalizzatrici, batterie e dispositivi semiconduttori. I fasci di elettroni focalizzati possono essere utilizzati anche per elaborare materiali in situ. Il livello di dettaglio a questa scala è stupefacente e offre un modo per comprendere le connessioni tra struttura, proprietà e prestazioni, consentendo agli ingegneri di progettare nanomateriali partendo dal basso.

I microscopi elettronici a trasmissione (TEM) sono costituiti da cinque componenti di base:

  • Sorgente ad alta tensione
  • Sistema di vuoto
  • Colonna del microscopio
  • Rilevatori (ad esempio telecamere per immagini, spettrometri)
  • Computer e software di controllo

In breve, la microscopia elettronica a trasmissione è una tecnica di imaging ad alta risoluzione in cui un fascio di elettroni attraversa un campione sottile per formare un'immagine. Il fascio di elettroni è influenzato dallo spessore o dalla densità del campione, dalla sua composizione e, in alcuni casi, dalla sua cristallinità.

L'analisi dei dati TEM utilizza una varietà di tecniche analitiche per estrarre informazioni significative. Tra i più comuni ci sono l'analisi del modello di diffrazione e la tomografia elettronica, che possono addirittura descrivere la natura strutturale e chimica del campione.

Le principali tecniche analitiche sono:

  • Analisi del modello di diffrazione: fornisce informazioni sulla struttura cristallina del campione e i modelli di diffrazione aiutano a comprendere la disposizione atomica.
  • Immagini ad alta risoluzione: consentono una visualizzazione dettagliata su scala nanometrica, che può fornire informazioni sulle proprietà del campione, come dimensioni e forma delle particelle.
  • Tomografia elettronica: l'analisi strutturale tridimensionale dei campioni fornisce una comprensione più approfondita delle caratteristiche spaziali.
  • Spettroscopia a raggi X a dispersione di energia: determina la composizione elementare del campione e può fornire analisi chimiche e dati strutturali.

La potenza dell'analisi dei dati TEM risiede nell'esame del modello di diffrazione. Ciò fornisce informazioni sulla struttura cristallina del campione. Tali modelli sono essenziali per comprendere la disposizione atomica del materiale e le sue proprietà.

Le immagini ad alta risoluzione consentono una visualizzazione dettagliata dei particolari del campione. Può vedere caratteristiche perfino su scala nanometrica. Le proprietà possono quindi essere analizzate quantitativamente mediante misurazioni della dimensione, della forma e della distribuzione delle particelle.

I principali ambiti in cui viene utilizzata l'analisi TEM sono:

  • Scienza dei materiali: analisi della struttura cristallina, difetti, bordi dei grani.
  • Biologia: visualizzazione di virus, organelli cellulari e macromolecole.
  • Nanotecnologia: studio di nanoparticelle, nanotubi, film sottili.
  • Chimica: determinazione della composizione chimica e delle fasi su scala nanometrica.

Con l'analisi TEM si può ottenere quanto segue:

  • Morfologia: forma e dimensione di particelle o strutture.
  • Cristallografia: disposizione degli atomi, difetti dei cristalli.
  • Analisi elementare: quali elementi sono presenti e dove.
  • Identificazione della fase: quali materiali o fasi sono presenti nel campione.

L'analisi TEM è necessaria quando sono richieste sensibilità, risoluzione e una conoscenza approfondita dei materiali. È l'unico strumento che fornisce le risposte giuste in molti studi avanzati sui materiali o sulla biologia.

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