Técnica Microscópica

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Técnicas Microscópicas
EQO099-Análise Orgânica Instrumental
Maria José O. C. Guimarães
mjg@eq.ufrj.br
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Introdução
Microscopia é o estudo das propriedades microestruturais, e deformacionais de um material com o uso de um microscópio. 
 Muito utilizada nas áreas de biologia, petrologia e metalurgia e de materiais. 
A seleção da técnica de microscopia mais adequada à análise morfológica de um dado material e a interpretação da imagem dada pelo microscópio só será possível se forem compreendidos o processo de formação da imagem e a forma como a luz atua com o material.
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Tipos de Microscopia
Microscopia Óptica (OM)
Microscopia Eletrônica
 de varredura (SEM)
 de transmissão (TEM) 
Microscopia de Força Atômica (AFM)
Microscopia de Tunelamento de Varredura (STM)
 
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Faixa de Resolução
Resolução: distância mínima de separação entre dois pontos para que as imagens correspondentes sejam projetadas e percebidas como entidades separadas. 
Contraste : habilidade de diferenciar componentes estruturais de uma amostra por níveis de intensidades diferentes de cores. Obtido por diferente absorção da energia luminosa (microscopia óptica) e diferente interação com o feixe de elétrons (microscopia eletrônica).
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Características das Várias Técnicas Microscópicas
*EELS – Espectroscopia de perda de energia de elétrons
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Microscopia óptica (OM)
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Microscopia Óptica
Microscópio Óptico 
Instrumento que aumenta e detalha a estrutura de objetos que podem ser vistos por luz refletida ou transmitida e por uma seleção de métodos de iluminação. 
 É usado quando se tem separação grosseira de fases
 Investiga e observa o comportamento do material (objeto) em diferentes condições.
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Sistemas de iluminação:
Luz Transmitida: a luz passa através do objeto (amostra transparente ou translúcida) para chegar a objetiva.
 Luz Refletida: a imagem é formada pela luz refletida da superfície do objeto (amostra opaca).
Preparação de amostras  contraste de fases
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Fundamentos 
Na interação da luz com os materiais ocorrem diversos fenômenos, sendo os mais importantes, para a microscopia óptica, a reflexão, a refração, a absorção, a fluorescência e a difração.
A reflexão e a refração da luz ocorrem sempre que se verifica a mudança do índice de refração do meio que a luz atravessa. 
 Se os meios forem transparentes e a superfície de separação entre eles for perfeitamente lisa, um feixe incidente nessa superfície dá origem a um feixe refletido e a outro refratado. 
Quando a luz incide em superfícies irregulares haverá uma diversidade de ângulos de incidência e haverá uma redistribuição da luz refletida e refratada segundo vários ângulos, que causa uma aparência difusa no material.
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Reflexão e Refração da Luz
Em superfície lisa
Em superfície rugosa
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Técnicas de Imagem
Campo Claro : modo normal na microscopia óptica. O feixe de luz é um cone focado na amostra pelo sistema de lentes condensadoras. A luz entra nas lentes objetivas (depois de interagir com o objeto) para participar da formação da imagem. O contraste é baseado na variação de densidade óptica e cor no material
A microscopia de campo claro aplica-se para analisar a dispersão e a distribuição de partículas de pigmentos, cargas, reforço ou de outros aditivos capazes de gerar as interações referidas.
 Luz transmitida: efetivo para dispersões, caracterização de cerâmicas, plásticos em seção fina.
 Luz refletida : efetivo para metais com superfície polida.
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Micrografia de Campo Claro
(Reflexão)
Compósito com fibras de carbono
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Técnicas de Imagem
Aplicações da Microscopia de Campo Claro
Detecção e identificação de contaminantes;
 Identificação de polímeros e aditivos;
Analise de materiais com teores significativos ( 5%) de reforços fibrosos (fibras de vidro ou de carbono);
 Analise de materiais com cargas minerais tais como talco ou carbonato de cálcio
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Técnicas de Imagem
Campo Escuro: o sistema de condensação utiliza um disco que evita que os raios entrem nas lentes objetivas. Apenas aqueles que foram espalhados pelo objeto (por reflexão, refração ou difração) entram nas lentes objetivas para formar a imagem final. O objeto (detalhe) aparece claro em um campo escuro.
 A técnica de campo escuro utiliza-se tanto em transmissão como reflexão.
 Luz transmitida: aplicação em materiais de baixo contraste (com pequenas inclusões ou poros em seções finas), amostras com irregularidades topográficas como em metalografia.
 Luz refletida: aplicações em materiais com superfícies rugosas.
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Micrografia de Campo Escuro
PVC pigmentado contendo carbonato de cálcio
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Micrografias Ópticas
Copolímeros de MMA/DVB sintetizados com misturas de metil etil cetona e ciclohexano, com 60% de DVB: (a)100/0; (b) 75/25; (c) 25/75 .
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Micrografia Óptica
Cruz de Malta Modelo de um Esferulito
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Blenda de PET/PC
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Cristais de Água
Masaru Emoto,
 cientista japonês, demonstrou como o efeito da poluição e de determinados sons, palavras, pensamentos, sentimentos alteram a estrutura molecular da água. 
A técnica consiste em expor a água a esses agentes, congelá-la e depois fotografar os cristais que se formam com o congelamento.
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Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM)
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Introdução
Em microscopia eletrônica, a luz visível é substituída por feixes de elétrons.
 A microscopia eletrônica tem um poder muito maior do que a microscopia óptica.
O microscópio eletrônico de varredura usa um feixe de 2 a 3 nm de elétrons, o qual varre a superfície da amostra para gerar elétrons secundários, oriundos do material analisado, que são detectados por sensores específicos.
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Principais Componentes do Microscópico
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Interação do Feixe de Elétrons com a Amostra
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Tipos de Elétrons Emitidos pela Amostra
Elétrons Secundários (“secondary electron” – SE)
Os elétrons secundários, são elétrons de baixa energia, gerados pelas interações elétron-átomo da amostra. Estes têm um caminho livre médio de 2 a 20 nm, por isso, somente aqueles gerados junto à superfície podem ser reemitidos e, mesmo estes, são muito vulneráveis à absorção pela topografia da superfície
Os elétrons secundários no SEM resultam da interação do feixe eletrônico com o material da amostra. Estes elétrons resultantes são de baixa energia (<50eV), e formarão imagens com alta resolução (3-5 nm). Na configuração física dos SEM comerciais, somente os elétrons secundários produzidos próximos à superfície podem ser detectados. O contraste na imagem é dado, sobretudo, pelo relevo da amostra, que é o principal modo de formação de imagem no SEM. 
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Tipos de Elétrons Emitidos pela Amostra
Elétrons Retroespalhados (“backscattering electron”- BSE)
Os elétrons retroespalhados, por definição, possuem energia que varia entre 50eV até o valor da energia do elétron primário. Os elétrons retroespalhados, com energia próxima à dos elétrons primários, são aqueles que sofreram espalhamento elástico, e são estes que formam a maior parte do sinal.
 Os elétrons retroespalhados de alta energia, por serem resultantes de uma simples colisão elástica, provêm de camadas mais superficiais da amostra.
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Tipos de Elétrons Emitidos pela Amostra
Elétrons Auger
São produzidos pela energização de átomos da amostra após a geração dos elétrons secundários. Como um elétron de menor energia foi emitido do átomo durante a geração dos elétrons secundários, forma-se uma vacância na camada interna de baixa energia, que é preenchida por um elétron de maior energia. Neste processo é gerado um excedente de energia no átomo que é corrigido pela emissão de um elétron de baixa energia, o elétron Auger.
Os elétrons Auger são emitidos por microrregiões da amostra em profundidade acima de 3 nm, permitindo informações espectroscópicas
sobre a composição química da amostra.
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Preparação de Amostras para Análise
Materiais não condutores como os polímeros, requerem em geral apenas revestimentos condutivos ou o uso de baixa voltagem de aceleração do feixe. A camada de revestimento metálica deve ser suficientemente contínua e fina (menor que 20 nm) para não mascarar a topografia da amostra.
A evaporação de metal e a metalização por sputtering são as técnicas mais utilizadas. Os metais mais utilizados são ouro, liga ouro-paládio, platina, alumínio e carbono.
O tipo de metal de recobrimento depende do tipo de sinal a ser utilizado na análise:
Elétrons secundários (ouro-paládio), elétrons retroespalhados (carbono);
Microanálise de raios X (carbono).
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Análise de Material Polimérico
Antes do recobrimento metálico as amostras de polímeros são fraturadas em condições criogênicas.
Para melhorar o contraste e permitir detalhes estruturais tais com lamelas, regiões amorfas, interfaces, regiões com diferentes densidades de empacotamento, fases imiscíveis em blendas, entre outros, usa-se a técnica do tingimento químico, o qual é feito pela incorporação seletiva de elementos pesados.
Em sistemas bi ou multifásicos, utiliza-se a extração seletiva com solventes. 
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Técnicas de Contraste
Extração
Tingimento
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Micrografias de SEM
Compósito de Fibras de Carbono de Oxocarbeto de Silício
Imagem de elétrons secundários
Imagem de elétrons retroespalhados
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Micrografias de SEM
Material Híbrido: Celulose - TiO2
Mapa da distribuição de titânio
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SEM de HDPE/Elastômero
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SEM de Membranas
Membrana Plana
Membranas de Fibra Ocas
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Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM)
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Introdução
O microscópio eletrônico de transmissão (TEM) foi desenvolvido por Max Knoll e Ernest Ruska em 1931, seguindo o mesmo princípio da microscopia óptica de luz transmitida, exceto que em vez do uso de uma fonte de luz visível para observar detalhes da amostra, é utilizado um feixe de elétrons acelerado em alto vácuo.
O microscópio eletrônico de transmissão projeta elétrons através de uma faixa muito fina do material a ser analisado (normalmente da ordem de 70 – 100 nm de espessura), para produzir uma imagem bi-dimensional em uma tela fosforescente ou filme fotográfico.
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Elétrons absorvidos
Luz visível
Raio X
Elétrons 
secundários
Elétrons 
incidentes
Elétrons 
retroespalhados
Elétrons 
Auger
Espécime
Elétrons espalhados
elasticamente
Feixe
Transmitido
Elétrons espalhados
inelasticamente
Sinais gerados pela interação de feixe de elétrons de alta energia 
com a amostra
Amostra fina
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Preparação da Amostra para Análise
É a etapa mais crítica da análise por TEM. A principal exigência para o sucesso da análise é o contraste e a transparência do filme ao feixe de elétrons, ou seja, os elétrons devem atravessar a amostra sem provocar alterações microestruturais, ou danos na amostra decorrentes da dosagem excessiva de radiação.
A espessura da amostra deve ser uma função da energia do elétron e da densidade ou número atômico da amostra.
Ex: 1 mm para alumínio,50 – 100 nm para polímeros
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Ultramicrotomia
Ultramicrótomo
Utiliza facas de vidro ou de diamante conforme o tipo de amostra a ser seccionada.
Operação
Modo semifino (< 0,1 mm), para preparação de filmes para microscopia óptica e ultrafino (< 100 nm) para filmes de TEM
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Agentes de Tingimento
Além da ultramicotomia, a preparação de amostras poliméricas para análise de TEM exige tratamento químico ou tingimento, visando melhor contraste diferencial entre as áreas de interesse
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Micrografias de TEM
Látex de poliestireno sobre filme de carbono
a) PP heterofásico, b) Blenda PC/SAN
A
B
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Micrografias de TEM
Morfologia lamelar de PS sindiotático
Difratograma de elétrons de um monocristal de PE, mostrando a perda de cristalinidade devido a radiação .
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Micrografias de TEM
Microfibrilações e sítios de cavitação em amostras de poliestireno de alto impacto (HIPS)
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Micrografias de TEM
Histograma de distribuição de tamanhos de partículas
(c, d, e, f)
HIPS
PP hetofásico
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Micrografias de TEM
Foto de uma superfície esférica com zoom nas regiões marcadas no modo ES.
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Micrografia de TEM
Colonia de MO
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TEM de Nanocompósito de PVC
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Microscopia de Força Atômica 
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Introdução
O surgimento das técnicas que compõem a família dos microscópios de varredura por sonda – SPM (Scanning Probe Microscopy), e em particular, a microscopia de força atômica – AFM (Atomic Force Microscopy), permitiu um notável avanço no desenvolvimento da nanotecnologia. Essas técnicas permitem não apenas a visualização, mas também, a manipulação de amostras em escala nanométrica.
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Nanotecnologia: Definição
O prefixo nano é derivado da palavra grega “nános”, cujo significado é anão. Modernamente, nano é um termo técnico usado em qualquer unidade de medida, significando um bilionéssimo dessa unidade, por exemplo, um nanômetro equivale a um bilionéssimo de um metro.
1 nm = 10-9 m
Nanotecnologia é a habilidade de manipular átomo por átomo em escala nanométrica, com o objetivo de se criar estruturas maiores e fundamentalmente com nova organização estrutural para fins comerciais.
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Nanotecnologia 
Considerações Gerais
O domínio da nanotecnologia encontra-se compreendido entre 0,1 e 100 nm, isto é, desde dimensões atômicas até proximadamente o comprimento da luz visível. Nessa região as propriedades dos materiais são determinadas e podem ser controladas.
A nanotecnologia é uma área multidiciplinar, uma vez que se baseia nos mais diversos tipos de materiais tais como, polímeros, cerâmicas, metais, semicondutores, compósitos e biomateriais.
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Escala X Nível Estrutural
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Tamanho X Forças Predominantes
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Microscopias AFM e SPM
AFM – Microscopia de Força Atômica 
Forneçe as imagens de átomos individuais, baseando-se na carga elétrica dos mesmos. Uma espécie de sonda faz uma varredura superficial e a atração e/ou repulsão da ponta da sonda com a amostra gera deflexões que são convertidas numa imagem topográfica da amostra.
SPM – Microscopia de Varredura por Sonda
Constitui-se numa família de microscópios, incluindo o AFM, onde propriedades dos materiais como rugosidade, elasticidade, etc., são medidas através de uma sonda (com uma ponta na extremidade) que entra em contato com a superfície a ser analisada.
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Esquema do equipamento
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Mapa de Forças entre Amostra e Agulha
Contato intermitente
Diferentes modos de trabalho do 
microscópio de força atômica
Região de contato 
agulha-amostra
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Alcance das Forças de Interação
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Vantagens da Técnica
Técnica de análise não destrutiva;
 Analisa materiais em ambiente de vácuo, líquido ou na atmosfera;
 Análise de materiais moles, duros, materiais condutores elétricos, isolantes ou semicondutores, amostras biológicas, enfim quase qualquer tipo de material;
Escala de análise de centenas de microns até resolução atômica;
Preparação da amostra é simples;
Acompanhamento de processos.
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Comparação entre Diferentes Técnicas Microscópicas
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Imagem de AFM do Grafite
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Micrografias de AFM
Glóbulos Vermelhos
Nanocristal de Ouro
Silício
Imagem de diferentes átomos
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Imagens de AFM de PET/Polianilina
PET recoberto com polianilina
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Dúvidas/Comentários?
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