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Il SEM è una tecnica utilizzata per ottenere dettagli sulla morfologia superficiale dei campioni di qualsiasi natura, fino a una risoluzione nanometrica. In un microscopio elettronico a scansione, un fascio di elettroni di dimensioni nanometriche è focalizzato su punti successivi, scansionando punto per punto il campione da analizzare. Per ogni posizione, diversi rivelatori posti all'interno del microscopio permettono di raccogliere informazioni da vari fenomeni causati dall'impatto degli elettroni sul campione. Tra questi, gli elettroni secondari espulsi dagli strati superficiali del campione mostrano la sua morfologia, fino a dettagli inferiori a 1 nm. Gli elettroni retrodiffusi sono elettroni ad alta energia provenienti da strati più interni e permettono di distinguere le aree chimicamente differenti del campione.

A causa dell'impatto degli elettroni, vengono anche emessi raggi X dal campione, rivelando la composizione chimica presente in ogni punto del campione. L'analisi tramite Spettroscopia a Dispersione di Energia dei Raggi X (EDS), eseguita con uno strumento SEM, può rivelare la composizione elementare utilizzando i raggi X emessi dal campione dopo l'impatto elettronico. La tecnica consente di ottenere una determinazione quantitativa o semiquantitativa della composizione chimica in posizioni precise dell'area analizzata.

In generale, i campioni utilizzati nella microscopia SEM devono essere in grado di condurre elettroni. Per questo motivo, i campioni sono spesso ricoperti con uno strato metallico. Inoltre, i campioni devono essere asciutti, e i campioni biologici freschi devono essere fissati e disidratati. Per ottenere la massima risoluzione e ingrandimento, il campione deve essere piatto o molto sottile, ad esempio uno strato monomolecolare di nanomateriale o una sezione lucidata.

Il SEM funziona con una vasta gamma di campioni, inclusi (ma non limitati a) compositi, rocce, minerali e campioni biologici. Analizzando gli elettroni retrodiffusi è possibile rilevare facilmente le differenze tra elementi con pesi atomici differenti, ad esempio contaminazioni organiche su materiali metallici o nanoparticelle metalliche su materiali organici.

Le tecniche SEM a basso vuoto e SEM ambientale (ESEM) consentono l'imaging di campioni non conduttivi in condizioni di basso vuoto, senza la necessità di rivestimento metallico. Questa modalità può essere utilizzata per analizzare campioni bagnati o asciutti e non conduttivi, per i quali il fissaggio e la disidratazione causerebbero danni strutturali, o per i quali il rivestimento metallico non può essere applicato. Ad esempio, materiali seminati con cellule, campioni derivati da piante e organismi unicellulari possono essere analizzati con ESEM, sebbene con una risoluzione inferiore rispetto alle condizioni di alto vuoto.

Gli strumenti FIB-SEM abbinano la scansione del fascio elettronico del campione del SEM con un fascio ionico additivo, solitamente utilizzando ioni di gallio. A differenza degli elettroni, il fascio ionico è distruttivo per il campione, consentendo la fresatura e il taglio per esporre la sezione trasversale del materiale o per preparare piccole sezioni del materiale. La colonna FIB, associata alla colonna SEM, può essere utilizzata per analizzare la struttura microscopica della massa del campione, scolpendo diverse sezioni.

Un microscopio elettronico a trasmissione è in grado di analizzare campioni sottili di diversi materiali, sia biologici (da cellule a organelli cellulari, fino a singole proteine) sia inorganici (da materiali nanotech a campioni minerali). Nel microscopio a trasmissione, un fascio di elettroni è prodotto in una colonna in alto vuoto, focalizzato dal sistema di lenti condensatrici, e fatto passare attraverso il campione. Passando attraverso il campione, gli elettroni vengono dispersi in diverse direzioni e, in parte, assorbiti dal campione stesso. La lente obiettivo consente di formare un'immagine del campione dagli elettroni dispersi che hanno attraversato il campione. Il sistema di lenti elettromagnetiche proiettive consente di ingrandire l'immagine ottenuta. Con il microscopio elettronico a trasmissione è possibile ottenere immagini con una risoluzione fino a circa un decimo di nanometro (10^-10 m).

La microscopia a scansione di sonda (SPM) è una famiglia di tecniche di imaging che consentono la visualizzazione ad alta risoluzione delle superfici dei materiali a livello atomico. A differenza della microscopia ottica, che utilizza la luce per illuminare i campioni, o della microscopia elettronica, che utilizza un fascio elettronico, le tecniche SPM si basano sulle interazioni tra una sonda che scansiona la superficie e il campione stesso. Queste interazioni possono coinvolgere forze o fenomeni quantistici, consentendo un imaging dettagliato e la caratterizzazione dei materiali.

La microscopia a forza atomica (AFM) è una delle tecniche SPM più ampiamente utilizzate. Nell'AFM, una sonda estremamente fine è montata su un cantilever flessibile, posizionato pochi nanometri sopra la superficie del campione. Man mano che la sonda scansiona la superficie, misura le forze di interazione—come le forze di van der Waals, le forze elettrostatiche e le forze di contatto—che causano la deflessione del cantilever. Questa deflessione viene registrata per creare un'immagine tridimensionale della superficie.

L'AFM può operare in vari ambienti (aria, soluzione o vuoto), rendendo la tecnica versatile per diversi tipi di materiali, da conduttori a sostanze biologiche. Le sue applicazioni sono estese, inclusa la caratterizzazione dei nanotubi, la misurazione delle proprietà meccaniche dei materiali e lo studio delle biomolecole e delle membrane cellulari.

La microscopia a scansione a effetto tunnel (STM) è un'altra importante tecnica SPM che utilizza il principio del tunneling quantistico. Nella STM, una sonda conduttiva è posizionata molto vicino alla superficie di un materiale conduttivo o semiconduttivo. Quando la sonda si avvicina a pochi angstrom dalla superficie, si genera una corrente di tunneling tra la sonda e il campione, proporzionale alla distanza tra di loro. Misurando questa corrente mentre la sonda scansiona la superficie, è possibile ottenere immagini ad alta risoluzione della topografia del campione.

La STM è particolarmente preziosa per studiare superfici conduttive e ottenere approfondimenti dettagliati sulla struttura elettronica dei materiali a livello atomico. Le applicazioni della STM includono la ricerca in nanotecnologia, l'analisi di materiali semiconduttori e lo studio delle interazioni molecolari.

Le tecniche di microscopia a scansione di sonda sono applicate in una vasta gamma di campi. Nella ricerca scientifica, vengono utilizzate per caratterizzare nuovi materiali, per nanofabbricazione e per analizzare sistemi biologici complessi. In ambito industriale, l'SPM può essere impiegata per il controllo di qualità delle superfici e la ricerca di materiali, con applicazioni che si estendono dall'elettronica micro a quella nano.

La microscopia ottica utilizza la luce visibile per ingrandire e visualizzare i campioni, fornendo informazioni essenziali in campi come la biologia, la scienza dei materiali e la medicina. Le principali tecniche di microscopia ottica includono metodi lineari (ad es., microscopia confocale) e non lineari (ad es., microscopia multifotonica).

La microscopia confocale migliora la risoluzione e il contrasto utilizzando un foro spaziale per escludere la luce fuori fuoco. Questa tecnica permette di raccogliere immagini tridimensionali ad alta risoluzione da campioni spessi, scansionando il campione punto per punto. La microscopia confocale trova applicazione in biologia cellulare, per la visualizzazione delle strutture e dinamiche cellulari, nell'imaging dettagliato di tessuti e organi complessi. L'imaging a fluorescenza consente l'analisi delle interazioni tra proteine e altre biomolecole.

La microscopia multifotonica è una tecnica non lineare che utilizza due o più fotoni a bassa energia per eccitare molecole fluorescenti, consentendo una maggiore penetrazione nei tessuti e minimizzando la fototossicità. Questo metodo fornisce immagini tridimensionali ad alta risoluzione di campioni vivi e trova applicazioni in neuroscienze (ad es., imaging delle strutture neuronali e attività sinaptiche nei cervelli vivi), biologia dello sviluppo (ad es., studio dello sviluppo embrionale e delle interazioni cellulari in tempo reale) e ricerca sul cancro (ad es., monitoraggio della crescita tumorale e della risposta alle terapie).

Oltre a queste tecniche più comuni, la rete ALL-MICRO comprende un Microscopio Olografico Digitale. Questo strumento cattura il pattern di interferenza della luce riflessa da un campione, consentendo un'immagine quantitativa di fase. Questa tecnica permette una valutazione dettagliata della morfologia e dell'indice di rifrazione senza colorazione.

La spettroscopia micro-Raman combina la microscopia ottica con la spettroscopia Raman per fornire informazioni dettagliate sulla composizione molecolare e sulla struttura dei materiali a scala microscopica. In questa tecnica, un laser viene focalizzato su una piccola area del campione, e la luce diffusa viene analizzata per identificare le modalità vibrazionali delle molecole. Questo fornisce informazioni chimiche senza la necessità di preparazioni o marcature estese del campione.