Microscopía electrónica in situ

La microscopía electrónica in situ es una técnica de investigación que utiliza un microscopio electrónico para observar la respuesta de una muestra a un estímulo en tiempo real. Debido a la naturaleza del haz de electrones de alta energía utilizado para obtener imágenes de una muestra en un microscopio electrónico, los microscopistas han observado desde hace tiempo que las muestras se alteran o dañan habitualmente por el haz de electrones. A partir de la década de 1960, y utilizando microscopios electrónicos de transmisión (TEM), los científicos realizaron intentos deliberados para modificar materiales mientras la muestra se encontraba en la cámara de muestras y para capturar imágenes a lo largo del tiempo de los daños inducidos.

También en la década de 1960, los científicos de materiales que utilizaban microscopios electrónicos de transmisión (TEM) comenzaron a estudiar la respuesta de muestras metálicas transparentes a los electrones a la irradiación con el haz de electrones. Esto se hizo para comprender mejor la fatiga de los metales durante los vuelos aeronáuticos y espaciales. Los experimentos se realizaron con instrumentos de alto voltaje de aceleración; la resolución de la imagen era baja en comparación con la resolución subnanométrica que ofrecen los TEM modernos.

Las mejoras en la microscopía electrónica a partir de la década de 1960 se centraron en aumentar la resolución espacial. Esto requirió una mayor estabilidad para toda la plataforma de imagen, pero especialmente para el área alrededor de la platina de la muestra. Los sistemas mejorados de captura de imágenes mediante cámaras CCD y los avances en las platina de las muestras, junto con la mayor resolución, permitieron crear sistemas dedicados a aplicar estímulos a las muestras en soportes especializados y capturar múltiples fotogramas o vídeos de las respuestas de las muestras.

Además de analizar muestras de materiales, la microscopía electrónica in situ se realiza en especímenes biológicos y se utiliza para llevar a cabo experimentos que implican respuestas mecánicas, químicas, térmicas y eléctricas. Los primeros experimentos empleaban principalmente microscopios electrónicos de transmisión (TEM), ya que la imagen se captura en un solo fotograma, mientras que el microscopio electrónico de barrido debe desplazarse o escanear la muestra mientras se aplican los estímulos, alterándola.

Las celdas ambientales amplían las capacidades de la microscopía electrónica in situ al permitir la obtención de imágenes de materiales expuestos a entornos controlados de líquido, gas o corrosivos. En la TEM de celda líquida, una capa de electrolito muy delgada se confina entre membranas transparentes a los electrones, lo que permite rastrear procesos como la disolución, la deposición, la pasivación y la corrosión en etapa temprana a medida que ocurren en solución. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Las plataformas de celda líquida cerradas, por ejemplo, las producidas por Protochips o Bruker, utilizan microchips de nitruro de silicio para mantener un entorno líquido sellado mientras mantienen la columna del microscopio bajo alto vacío. La TEM de celda de gas aplica un enfoque similar utilizando microrreactores sellados que suministran gases secos o reactivos (como oxígeno, hidrógeno o vapor de agua) a la muestra a temperaturas y presiones controladas. ^{[ 3 ]} Los sistemas comerciales, incluidos los desarrollados por Protochips y Waviks, admiten el cambio entre gas seco, mezclas reactivas y entornos humidificados. Esto permite la observación directa de la oxidación, la reducción, la catálisis y la degradación impulsada por el medio ambiente en condiciones que se asemejan más a los entornos operativos reales. ^{[ 4 ]}

Además de los entornos químicos, se puede aplicar carga mecánica dentro del microscopio mediante soportes accionados. Sistemas como la serie Hysitron PI permiten realizar pruebas de nanoindentación o compresión durante la obtención de imágenes, lo que proporciona información sobre el comportamiento de la deformación, los procesos de fractura y el endurecimiento inducido por la irradiación a pequeña escala. ^{[ 5 ]} En conjunto, las celdas ambientales de líquido, gas y accionadas mecánicamente permiten el seguimiento en tiempo real de la evolución microestructural, las reacciones químicas y los procesos de corrosión con resolución espacial a nivel nanométrico.

Los problemas iniciales que limitaban la microscopía electrónica in situ incluían: La muestra debía ser transparente a los electrones, al igual que en la TEM. Las muestras gruesas producían dispersión múltiple de electrones de mayor energía y menor longitud de onda, lo que provocaba una pérdida de la señal coherente necesaria para la difracción y la obtención de imágenes. También se presentaban vibraciones mecánicas a todas las escalas (desde el microscopio hasta la muestra) e interferencias térmicas y eléctricas, especialmente en el portamuestras. Todos estos problemas requerían tiempos de captura rápidos. Sin embargo, un tiempo de captura rápido generaba una imagen con una baja relación señal-ruido , limitaba la resolución y el tiempo disponible para realizar el experimento. Las condiciones de alto vacío, como 10⁻⁷, limitaban los requisitos de las condiciones in situ y operando. ^{[ 6 ]}

Otras limitaciones de la microscopía electrónica in situ se basan en la resolución temporal. La resolución temporal de la microscopía electrónica de transmisión in situ no permite capturar superficies dinámicas que se mueven más rápido que su escala temporal. Algunos sitios transitorios pueden transformarse en la escala de nanosegundos, que es de 6 a 8 órdenes de magnitud mayor que la resolución de microsegundos común en la mayoría de los microscopios electrónicos de transmisión in situ. Esto puede provocar que las condiciones transitorias se vean borrosas o que no se detecten en absoluto. ^{[ 7 ]}

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