Microscopia Óptica e Eletrônica

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Química Bacharelado
Segundo semestre de 2019
Prof. Fábio Luiz Pissetti
UNIFAL-MG
Química de Materiais
Microscopia Óptica
Objetivo
 Observação e análise microestrutural de objetos sólidos
Características
 Baixa resolução ~ 0,5 µm (aumento máximo de 2.000 vezes)
 Imagem plana – sem profundidade de foco
 Preparação especial da amostra (lixamento, polimento, ataque)
 Ferramenta mais usada para a caracterização morfológica
 Primeira técnica a ser usada para examinar a microestrutura
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Microscopia Óptica
Interações da radiação com a matéria - Reflexão
 A reflexão da luz (ou radiação eletromagnética) ocorre quando as ondas
encontram uma superfície que não absorve (ou absorve parcialmente) a
energia da radiação envolvida e devolve as ondas para fora desta superfície.
A reflexão pode ser especular ou difusa.
Reflexão especular Reflexão difusa
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Microscopia Óptica
Interações da radiação com a matéria - Refração
 É a alteração na direção de propagação de um feixe incidente ao passar de
um meio de densidade óptica para outro com diferente densidade. Este
desvio da direção de propagação depende das diferenças de índice de
refração dos meios e do comprimento de onda da radiação.
n = índice de refração do meio
n1 . sen θ1 = n2 . sen θ2
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Microscopia Óptica
Interações da radiação com a matéria - Refração
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Material Índice de Refração*
ar 1,0003
água 1,33
vidro 1,50
diamante 2,419
quartzo 1,418 
*para 589,29 nm
Microscopia Óptica
 A microscopia ótica se baseia na possibilidade de formação de
imagens ampliadas reais ou virtuais de objetos que são colocados
diante de lentes esféricas.
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Aspectos mais importantes
Resolução; Contraste; Profundidade de campo e Distorção
Microscopia Óptica
Resolução
 Resolução de um microscópio é a capacidade de:
 Separar detalhes
 Produzir imagens separadas de partículas muito próximas
 É a menor distância que deve existir entre dois pontos para que 
eles apareçam separados
Limite de Resolução:
LR = K . 
AN
 K é uma constante 
  é o comprimento de onda luz branca
 AN é a abertura numérica da lente objetiva
 O limite e resolução é diretamente proporcional ao comprimento 
de onda e inversamente proporcional a abertura numérica.8
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Microscopia Óptica
Resolução
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Microscopia Óptica
Resolução
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Microscopia Óptica
Resolução - Critério de Resolução de Rayleigh
 A mínima separação angular possível de ser resolvida ou o 
limite angular de resolução, é obtida quando o máximo do 
disco de Airy de uma das fontes coincide com o primeiro 
mínimo do padrão de difração da outra fonte.
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Microscopia Óptica
Resolução - Critério de Resolução de Rayleigh
http://www.hk-phy.org/atomic_world/tem/tem04_e.html
Microscopia Óptica
Contraste
 Diferença nas propriedades visuais que faz com que um objeto seja
distinguível de outros e do plano de fundo. O número de tons
presentes em uma imagem.
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Microscopia Óptica
Profundidade de Campo
 Dimensão linear máxima entre um plano acima ou abaixo e o plano
focal do espécime observado.
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Contorno de grãos Ferro puro
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Microscopia Óptica
Observação de defeitos
Superfície polida
e atacada 
quimicamente
Materials science and engineering: An introduction; William D. Callister; Eighth Edition.
Observação de defeitos
Microscópio
Superfície polida
e atacada 
quimicamente
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Microscopia Óptica
Cerâmica
Materials science and engineering: An introduction; William D. Callister; Eighth Edition.
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Microscopia Óptica
Materials science and engineering: An introduction; William D. Callister; Eighth Edition.
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Microscopia Óptica
Materials science and engineering: An introduction; 
William D. Callister; Eighth Edition.
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Microscopia Óptica
Materials science and engineering: An introduction; William D. Callister; Eighth Edition.
Experiência de Davisson e Germer
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Microscopia Eletrônica
O microscópio de luz permite ver uma amostra até 2 mil vezes maior que
o tamanho real. O microscópio eletrônico tem um aumento de até 200
mil vezes para material biológico e até 500 mil para outros materiais.
Objetivo
 Observação e análise microestrutural de objetos sólidos
Características
 Alta resolução – 0,2 a 5 nm (MO ~ 0,5 µm)
 Grande profundidade de foco - topografia
 Imagens com diferenciação de composição química
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Microscopia Eletrônica
Microscopia Eletrônica
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Microscopia Eletrônica
Ampliação
da Imagem
Exemplo de uma série de ampliações no MEV (partículas esféricas de chumbo)
Tipos de microscopia eletrônica
Microscopia eletrônica de varredura (MEV ou SEM) 
 Utiliza feixe de elétrons focado em cima da superfície das amostras. As 
imagens são produzidas um ponto de cada vez em um padrão de grade.
Microscopia eletrônica de transmissão (MET ou TEM)
 Utiliza um feixe de elétrons que passam através de uma amostra fino 
cortado de modo a formar uma imagem. Este microscópio é análogo a 
um microscópio de luz padrão.
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Microscopia Eletrônica
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Foto de um microscópio eletrônico de varredura
Microscopia Eletrônica
Equipamento – Canhão de elétrons
 Filamento de W e Cristal de LaB6 são térmicos, sob aquecimento liberam 
elétrons
 Canhão de emissão por campo, elétrons emitidos pela aplicação de um 
campo elétrico muito forte próximo ao filamento
 Aquecidos a ~2400 oC com uma ddp variando de 200 a 30 kV
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Microscopia Eletrônica de Varredura
Filamento de W
Cristal de LaB6 Canhão de emissão por campo
Equipamento – Canhão de elétrons
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Microscopia Eletrônica de Varredura
Equipamento – Lentes magnéticas
 Lente condensadora – colima o feixe
 determina a corrente que colide com a amostra
 Lente objetiva – corrigi distorções na imagem
 determina o tamanho do ponto final do feixe de 
eletróns, ou seja, ao foco no microscópio 
eletrônico
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Microscopia Eletrônica de Varredura
Equipamento – Lentes magnéticas
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Uma lente condensadora é uma solenóide
concebida para produzir uma distribuição de feixe
de elétrons específico
Microscopia Eletrônica de Varredura
Equipamento – Lentes magnéticas
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Na lente objetiva ao alterar a 
corrente, ocorre mudança da força 
do campo magnético e, por 
conseguinte, varia a distância focal 
da lente, ajustando o foco da 
imagem formada
Microscopia Eletrônica de Varredura
Equipamento
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Microscopia Eletrônica de Varredura
Representação das características principais de um microscópio eletrônico de varredura
Preparação da amostra
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Microscopia Eletrônica de Varredura
• Não tem um porta-amostra
padrão
• Geralmente feito de latão, 
cobre ou alumínio
Preparação da amostra
Para uma amostra condutora: fixação ao porta-amostras
Para amostra não condutora: sputtering de ouro e fixação no porta-amostras
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Microscopia Eletrônica de Varredura
Interação do feixe com a amostra
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Feixe de e-
Simulações de Monte Carlo para trajetórias de 100 elétrons
Microscopia Eletrônica de Varredura
Interação do feixe com a amostra
 Efeito da voltagem de aceleração do feixe de elétrons
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Simulação utilizando a fórmula de Kanaya-Okayama
Microscopia Eletrônica de Varredura
Interação do feixe com a amostra
 Efeito número atômico
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Ferro Z = 26
Carbono Z = 6
Microscopia Eletrônica de Varredura
Interação do feixe com a amostra – Origem dos sinais
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Microscopia Eletrônica de Varredura
Profundidade e- secundários: 1 nm para os metais e 10 nm para o carbono
Interação do feixe com a amostra – Origem dos sinais
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e-
+
e-
+Energia do feixe de elétron 
transferida para o átomo 
Espalhamento inelástico Espalhamento elástico
Um elétron é removido 
(secundário)
Elétron muda de trajetória 
(retroespalhado)
Microscopia Eletrônica de Varredura
Detecção dos elétrons
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Microscopia Eletrônica de Varredura
Microscopia Eletrônica de Varredura - Profa. Ana Maria Maliska - UFSC
Interação do feixe com a amostra – Origem dos sinais
Elétrons secundários (ES)
 São elétrons da amostra que foram ejetados a partir da interação do feixe 
primário. 
 São elétrons de baixa energia (< 50 eV), em função da baixa energia são 
capazes de escapar somente de uma região muito rasa (< 0,50 µm) da 
superfície da amostra
 Oferecem a melhor resolução de imagem, este tipo de imagem fornece 
informações sobre a topografia da amostra: picos são brilhantes e vales 
são escuros
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Microscopia Eletrônica de Varredura
https://www.youtube.com/watch?v=bfSp8r-YRw0
Contraste Topográfico
Contraste topográfico surge porque a geração de ES depende
do ângulo de incidência formado entre o feixe e amostra.
Região
Clara
Região
escura
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Interação do feixe com a amostra – Origem dos sinais
Elétrons retroespalhados (ER):
 Elétrons do feixe primário ejetados da amostra após choques elásticos com 
o núcleo dos átomos que compõem o material
 Elevada energia: 50 eV até à tensão de aceleração do feixe, resulta em um 
maior volume de interação na amostra (1 a 3 µm), reduzindo a resolução
 Fornece informação sobre a composição química: o contraste é resultado 
das diferenças de número atômico na amostra, maior número atômico 
retroespalham mais gerando áreas mais brilhantes nas imagens.
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Microscopia Eletrônica de Varredura
Diferentes tipos de imagens
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Microscopia Eletrônica de Varredura
Imagem obtida com ES Imagem obtida com ER
Contraste dos grãos é muito 
semelhante. Imagem com 
profundidade de campo maior.
Contraste diferentes dos grãos fornece 
informação sobre a composição
Silício
Titânio
Diferentes tipos de imagens
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Microscopia Eletrônica de Varredura
Defeito em um dispositivo 
semicondutor, MEV detectou uma 
fibra de óxido presa
Cristais de óxido de molibidênio
Contraste topográfico (ES)
Diferentes tipos de imagens
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Microscopia Eletrônica de Varredura
Contraste por número atômico (ER)
Fase rica em nióbio (contraste 
brilhante) dispersos em uma matriz de 
alumina (contraste escuro).
Diferentes camadas de 
pintura automotiva
Exemplos
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Microscopia Eletrônica de Varredura
Apostila de Materiais elétricos, Profª Nora Díaz Mora, 
Universidade Estadual do Oeste do Paraná, Capítulo 5
Micrografias obtidas por MEV: (a) Cristais de fosfato e (b) fibras de 
vidro em matriz de baquelite.
Exemplos
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Microscopia Eletrônica de Varredura
Polímeros: Ciência e Tecnologia, vol. 16, n° 1, p. 12-18, 2006
Estruturas Porosas de Poli(3-hidroxibutirato)
Micrografias da superfície de fratura criogênica das estruturas porosas de P(3HB) nas três 
faixas granulométricas 38-53µm (a),53-75µm (b) e 75-150µm (c).
Exemplos
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Microscopia Eletrônica de Varredura
Inserção de lítio em rede de grafeno poroso
Figure 5 | Cross-sectional scanning electron microscopy characterization of the pore structure of the lithiated and delithiated PGN.(a) 
Crosssection SEM image of a completely lithiated PGN. The pores are visibly filled up and blocked by lithium metal. However, no dendritic 
projections could be observed. Inset shows a zoomed in image of the cross-section. (b) Cross-section SEM image of a completely delithiated
PGN anode. The pores in this case have opened up once again, indicating that the plated lithium is indeed confined within these pores and 
that the lithiation– elithiation process is highly reversible. Inset shows a zoomed in image of the cross-section. The scale bar in (a) is 1mm 
and in (b) it is 2mm. The scale bars in the insets of (a) and (b) are both 200 nm
ba
NATURE COMMUNICATIONS| 5:3710 | DOI: 10.1038/ncomms4710 
www.nature.com/naturecommunications
Análise de composição
Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS)
 É uma análise de espectroscopia que usa raios- X característicos 
emitidos pela amostra
 Usualmente está acoplada em microscópios eletrônicos de varredura
 Técnica não destrutiva
 Analisa a área de 1 µm, com precisão de até 1%
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Microscopia Eletrônica de Varredura
Análise de composição
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Microscopia Eletrônica de Varredura
Raios-x contínuo Raios-x característico
Radiação de fundo
Indica os elementos 
presentes na amostra
Análise de composição
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Microscopia Eletrônica de Varredura
EDS obtido em um grão magnetita de titânio retirada de basalto
co
u
n
ts
Kev
Análise de composição
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Microscopia Eletrônica de Varredura
• Os picos detectados no espectro indicam os elementos presentes na amostra
• A intensidade dos picos estão associados com a concentração do elemento 
(“semi-quantitativa”)
Análise de composição
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Microscopia Eletrônica de Varredura
Análise de composição - Mapeamento
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Microscopia Eletrônica de Varredura
Mapeamento da borda de grão na liga Al90.5Si9Zr0.5
Análise de composição - Mapeamento
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Microscopia Eletrônica de Varredura
Jong Moon Yoon et al 2012 Nanotechnology 23 255301 doi:10.1088/0957-4484/23/25/255301
MET
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Foto de um microscópio 
eletrônico de transmissão
Microscopia Eletrônica de Transmissão
63
Microscopia Eletrônica de Transmissão
Equipamento
Características principais de um microscópio de luz e microscópio eletrônico de transmissão
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Espóros
de Antrax
Esferas 
de Látex
Microscopia Eletrônica
Amostra
Requisitos da amostra
 Suficientemente fina para os elétrons atravessarem (~100 nm)
 Estável sob bombardeamento de elétrons em alto vácuo
 Encaixar no suporte de amostras (por exemplo, < 3 mm de diâmetro)
 Preparação de amostras não deve alterar a estrutura desta a um nível 
observável com o microscópio
 Diferentes métodos existem, pesquisa o apropriado para a sua amostra
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Microscopia Eletrônica de Transmissão
Preparação da amostra (biológicas, poliméricas, compósitos)
 Fixação do material, geralmente com glutaraldeído (agente reticulante de 
moléculas de proteína) e tetróxido de ósmio (estabilizador de membranas)
 Desidratação da amostra
 Fixação com resina para polimerização em um bloco sólido, sem esta 
estrutura a amostra colapsaria em alto vácuo
 Corte da amostra: utilização de um equipamento ultramicrótomo, para 
produzir amostras com seção de 15 – 100 nm de espessura 
 As amostras delgadas obtidas são colocadas em reticulados metálicos e 
recobertas com filme fino polimérico para observação no microscópio
66
Microscopia Eletrônica de Transmissão
Preparação da amostra - Ultramicrotomia
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Microscopia Eletrônica de Transmissão
Preparação da amostra - Ultramicrotomia
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Microscopia Eletrônica de Transmissão
Formação da imagem
Microscopia Eletrônica de Transmissão
Amostra
Feixe de 
elétrons
Elétrons 
retroespalhados
Elétrons 
secundários
Elétrons Auger Raios-X
e luminescência
Volume de interação
Elétrons não 
espalhados
Elétrons após 
espalhamento 
elástico
Elétrons após 
espalhamento 
inelástico
Elétrons transmitidos
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Microscopia Eletrônica de Transmissão
http://www.hk-phy.org/atomic_world/tem/tem04_e.html
Formação da imagem
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Formação da imagem
 Elétrons não espalhados
A quantidade de elétrons é inversamente proporcional à espessura da
amostra. Áreas que são mais espessas tem menos elétrons transmitidos,
aparecem mais escura, inversamente, asáreas mais finas aparecerem mais
claras
 Elétrons após espalhamento elástico
Têm a mesma energia (assim comprimento de onda) e atingem a amostra em
ângulo normal à sua superfície. Se espalhados por centros com o mesmo
espaçamento atômico terão o mesmo ângulo. Formam um padrão pontual
de difração para cada plano. Gerando informação sobre a orientação,
arranjos atômicos e fases presentes na área examinada
 Elétrons após espalhamento inelástico
Espectroscopia de perda de energia de elétrons e Kikuchi Bands
Microscopia Eletrônica de Transmissão
72 https://www.youtube.com/watch?v=fQJYuTpK8Fs
Cristais de Gibbsita (sobreposição aparece escura)
Microscopia Eletrônica de Transmissão
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Descoberta dos Nanotubos de Carbono
S. Iijima, Nature 354, 56 (1991).
Microscopia Eletrônica de Transmissão
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JA Scholl et al. Nature 483, 421-427 (2012) doi:10.1038/nature10904
Microscopia Eletrônica de Transmissão
 Aberration-corrected TEM images of silver nanoparticles synthesized free of 
stabilizing ligands
Particles with diameters of 2 nm (a), 3 nm (b), 4.5 nm (c), 6 nm (d), 
7.5 nm (e), 9 nm (f), 10.5 nm (g), and 12 nm (h) are shown. 
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J.Phys.Chem.Lett. 2012, 3, 2352−2356
Microscopia Eletrônica de Transmissão
Characterization of pyrite FeS2 nanocrystals. (a) TEM image of a field of pyrite FeS2
nanocrystals. (b) High-resolution TEM image of a single pyrite nanocrystal, showing
crystallinity
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http://www.cytodiagnostics.com/store/pc/Nanobeads-100nm-500nm-c248.htm
Microscopia Eletrônica de Transmissão
Transmission Electron Microscope (TEM) image of carboxylated polystyrene 
microspheres with an average diameter of 200nm (left) and 500nm (right).
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Xia X et al. PNAS 2013;110:6669-6673
Microscopia Eletrônica de Transmissão
Four distinctive types of Pd
nanocrystals that were obtained at 
different reaction temperatures. 
TEM images of Pd nanocrystals
prepared using the standard 
procedure except for the variation 
in reaction temperature: (A) 0, (B) 
22, (C) 50, and (D) 75 °C. [Scale 
bar (applies to all images), 50 nm.] 
Insets show TEM images of 
individual nanocrystals at a higher 
magnification. [Scale bar (applies 
to all Insets), 5 nm.]
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Microscopia Eletrônica de Transmissão
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(a) TEM image of Pt-Ni
nanoparticles
(b) HRTEM image of Pt-Ni
nanoparticles
(c) TEM image of
nanoporous Pt-Ni alloys
(d) HRTEM image of
nanoporous Pt-Ni alloys
SCIENTIFIC REPORTS | 1 : 37 | 
DOI: 10.1038/srep00037
M.O.: 
➢ 2.000x
➢ 0,5 µm
MEV: 
➢ 10 a 150.000x
➢ 0,02 µm
MET: 
➢ 500.000x 
➢ 0,0002 µm
94
Microscopia Eletrônica