Ver lo que no se puede ver I: Microscopía electrónica de transmisión y de barrido

Esta semana vamos a hablar sobre cómo poder ver cosas que son tan pequeñas que no podemos verlo con nuestros ojos, ni siquiera con un microscopio tradicional. Vamos a verlo...

¿Qué es un microscopio electrónico?

Un microscopio electrónico es un microscopio que utiliza un haz de electrones acelerados como fuente de iluminación. Los microscopios electrónicos utilizan campos magnéticos conformados para formar sistemas de lentes electrónicas que son análogos a las lentes de vidrio de un microscopio óptico de luz.

Estos electrones se aceleran a mucha energía hacia la muestra, que interactúa con ellos. La resolución de un microscopio depende de la velocidad a la que se aceleran esos electrones, proporcionándoles una energía; teniendo una mayor resolución a mayor energía.

Esto es debido a que no se pueden ver cosas menores a la longitud de onda del corpúsculo utilizado, ya sea luz visible en el caso del microscopio óptico o electrones en el caso del microscopio electrónico. Como la longitud de onda de un electrón puede ser hasta 100,000 veces más corta que la de los fotones de luz visible, los microscopios electrónicos tienen un mayor poder de resolución que los microscopios de luz y pueden revelar la estructura de objetos más pequeños.

Un microscopio electrónico de transmisión de exploración ha logrado una resolución superior a 50 pm y aumentos de hasta aproximadamente 10,000,000 × mientras que la mayoría de los microscopios de luz están limitados por difracción a una resolución de aproximadamente 200 nm y aumentos útiles por debajo de 2000 ×.

Tipos de microscopía electrónica:

Hay dos tipos principales de microscopía electrónica, dependiendo de si queremos ver la superficie o ver también el interior. Para ello, intentaremos que los electrones atraviesen la muestra (transmisión) o que reboten en su superficie, haciendo un barrido para ver toda la superficie (barrido)

Microscopía electrónica de transmisión (TEM)

Esta microscopía se emplea para ver el interior de los cuerpos a examinar. Para ello, los electrones atraviesan la muestra y son detectados por el lado opuesto. Al tener que atravesar los electrones la muestra, ésta debe ser muy fina, de unas pocas micras. Para ello, se cortan las muestras con un microtomo, parecido a un cepillo de carpintero, que va sacando pequeñas "lonchas" de las muestras.

Interior del virus de la viruela por TEM
CDC/ Fred Murphy; Sylvia Whitfield / Public domain

Las imágenes que se obtienen son las de mayor resolución con un microscopio electrónico, pudiendo ver la envolvente electrónica de los átomos en los equipos con mayor resolución. para ello es necesario que haya "columnas" de átomos para que tenga suficiente contraste.

Defectos en grafeno por TEM
http://www.nature.com/articles/srep03482

Microscopía electrónica de barrido (SEM)

La microscopía electrónica de barrido se emplea para ver la superficie de las muestras. Para ello, es necesario que la superficie de la muestra sea conductora de la electricidad. Si no lo es, como el el caso de la mayoría de las muestras biológicas, se puede depositar una pequeña capa de algún metal para hacerla conductora. Esta técnica no ofrece tantos aumentos como en el caso de la TEM, pero permite ver las cosas a un nivel de aumentos en el que se ven detalles que no nos imaginamos. Os dejo aquí un enlace donde ver una abeja por SEM del museo Smithsonian.

Detalle de la pata de una abeja por SEM

En química la SEM se emplea principalmente con criterios de identificación de estructuras o geometría de cristales, confirmación de intercrecimientos, estudio de cinéticas de formación de estructuras, etc., que serían imposibles de seguir a simple vista o con un microscopio tradicional. También se emplea para enfocar muestas donde hacer otros análisis extras, como un EDX para saber la composición elemental exacta de cada pequeña muestra (que a simple vista sería polvo).

Detalles de la superficie de un copo de nieve por SEM

AVISO! 

Todas las imágenes obtenidas por microscopía electrónica son en blanco y negro, ya que es una representación en escala de grises de la cantidad de electrones que llegan al detector, donde el blanco es la máxima cantidad y negro es la mínima. La imagen se puede interpretar como una matriz donde cada pixel es el número de electrones que ha llegado.

Todas las imágenes de microscopía electrónica con color que veas SON COLOREADAS posteriormente con un software de edición digital de imágenes, no son imágenes nativas del microscopio. Obviamente, las imágenes se colorean para que reflejen mejor la realidad y sean más atractivas visualmente pero, lo recalco, son coloreadas posteriormente, las imágenes obtenidas son en BLANCO Y NEGRO.

Hasta aquí el post de esta semana. Si quieres ver más imágenes, sólo tienes que buscarlas y aparecerán muchas que, por tema de derechos legales, no he podido poner pero que son muy interesantes, te invito a que las busques por tu cuenta. Si hay algún problema, duda, aclaración o quieres que amplíe información sobre alguna de las microscopías, déjalo en los comentarios y contestaré lo antes posible. Como ves en el título es la parte I, si quieres una segunda parte con más técnicas para ver lo que no se puede ver, coméntamelo en los comentarios, en nuestra página de Facebook, en Twitter o en Instagram, en todas con @callofchemistry.

Nos vemos!!

Diodos LED: ¿Cómo funcionan?

Ya comentamos en el post de la eficiencia energética que los LED son las fuentes de luz convencionales más eficientes actualmente. Aún así, a mucha gente le puede surgir la duda de qué es un LED, qué significan esas letras, cómo funcionan o cómo están hechos. Hoy, vamos a intentar dar respuesta a todas estas preguntas. Empezamos...

¿Qué es un LED?

LED son el acrónimo de Diodo Emisor de Luz (Light Emitting Diode, en ingles). Los diodos son componentes electrónicos presentes en la mayoría de circuitos electrónicos así como en casi todas los dispositivos de grabación digitales (fotodiodos). Básicamente, los diodos son componentes electrónicos que permiten que la corriente eléctrica pase en un sentido pero no en el contrario.

Esto es posible gracias a la manera de construir estos dispositivos, con dos tipos diferentes de semiconductores, un tipo P y un tipo N. Los semiconductores tipo P (positivo) tienen un defecto de carga. Este defecto se consigue dopando un elemento con otro que tenga menos electrones dejando "huecos electrónicos" que pueden ser ocupados por electrones libres. Por el contrario, los semiconductores N (negativo) son semiconductores que están dopados con elementos con más electrones, lo que hace que tenga un "exceso de electrones". Tanto los semiconductores N como los semiconductores P son eléctricamente neutros.

¿Cómo funcionan?

Cuando se juntan un semiconductor P y un semiconductor N se crea una unión P-N, que hace que parte de los electrones del semiconductor N pasen a algunos huecos del semiconductor P, dando lugar a una unión P-N.

Si conectamos una batería  con el polo positivo a la parte P y el polo negativo a la parte N, los electrones extra de la parte P se irán al polo positivo, mientras que los electrones que le faltan a la parte N se rellenarán con los que salen del polo negativo, cerrando el circuito y provocando que la corriente fluya sin demasiado problema. A esta configuración se le denomina conexión directa.

Si por el contrario, conectamos la parte positiva con la parte N y la parte negativa con la parte P, la parte N se vaciará de sus electrones restantes y la parte P se llenará de los electrones de la batería, pero no será posible que la corriente fluya. Esta configuración se denomina conexión inversa.

Pero, ¿por qué emiten luz?

Como ya hemos visto, los electrones pasan del semiconductor N al semiconductor P. Al no corresponder exactamente los niveles electrónicos de ambos materiales, los electrones tienen que perder energía, siendo la emisión de radiación en forma de fotón una de las más eficaces. Si la diferencia de energía corresponde con alguna radiación visible, tendremos un diodo que emite luz, es decir, un LED.

Si ponemos algunos ejemplos concretos, el arseniuro de aluminio y galio (AlGaAs) crea un LED de color rojo, el fosfuro de aluminio y galio (AlGaP) crea un LED verde, mientras que el seleniuro de zinc (ZnSe) crea un LED azul.

La luz LED blanca se puede obtener de varias maneras. Como ya se sabe, la luz blanca no es un único color, sino que es una mezcla de varios colores. Si se juntan en la proporción adecuada, uniendo pequeños LED de color rojo, azul y verde amarillento se puede crear un LED blanco. También se puede crear un LED blanco con un LED que emita en el ultravioleta recubierto de un material fluorescente (como el de los fluorescentes de casa), aunque estos LED son menos eficientes que los LED de mezcla de colores. Por eso, si te fijas mucho, en las pantallas LED verás que cada pixel blanco realmente está compuesto por LEDs de 3 colores.

¿Por qué cuando compro LEDs me los venden con una cajita al lado del enchufe?

Como ya hemos comentado, la corriente eléctrica en los LED sólo puede circular en un sentido, por lo que es necesario usar corriente continua para hacer que se iluminen. A los enchufes de casa llega corriente alterna, que varía hasta 50 veces por segundo el sentido de los electrones, por lo que es muy ineficaz conectarlos directamente a la luz. Además, los LED únicamente necesitan unos pocos voltios  (entre 1.8 los rojos y 3.4 los azules) para que se iluminen ya que apenas ofrecen resistencia al paso de la corriente, por lo que los 220 voltios que llegan a casa acabarían friéndolos.

Por todas estas razones, los LEDs suelen venderse con un convertidor de corriente (de alterna a contínua) que, además, nos baja bastante el voltaje, hasta aproximadamente unos 5 voltios.

¿Qué son los OLEDs?

Los OLEDs, o Organic LEDs, son LEDs que en vez de usar compuestos inorgánicos, como los anteriormente mencionados, usan compuestos orgánicos cuya diferencia de energía corresponde a ciertos colores. Estos LED, al estar diseñados a propósito, crean colores más puros y su eficiencia es mayor, por lo que también son más caros.

Hasta aquí el post de esta semana. Recuerda que en la página de Facebook e Instagram (@callofchemistry) están todas las novedades y las encuestas para elegir nuevos temas (de donde, por ejemplo, ha salido este post). Si tienes alguna duda, comentario, quieres que se amplíe algún concepto del tema siempre puedes preguntar en cualquiera de los canales antes mencionados y en los comentarios de este post.

Nos vemos! Cuídate!

¿Cómo se pueden analizar los átomos?

Esta semana hablaremos sobre cómo analizar los átomos que conforman una molécula, un material o cualquier cosa, qué técnicas son las más utilizadas y cuales son más sensibles. Empezamos...

¿Cómo analizar un átomo?

Los átomos, como todos sabemos a estas alturas, son demasiado pequeños y probablemente demasiado complicados como para poder verlos o sacarles algún tipo de fotografía para analizarlos, así que los científicos desde hace muchos años se han tenido que buscar la vida para poder determinarlos de manera indirecta.

La marcha análitica

La manera que se empleaba primariamente para identificar metales en disolución (se puede disolver en ácido un metal) se basaba en hacerlo reaccionar con diferentes sales inorgánicas y reactivos para formar precipitados coloreados. Si estos reactivos se añadían en el orden adecuado se podían identificar varios metales simultáneos en la misma disolución. Este orden de reactivos se conoce habitualmente como la marcha analítica. 

Esta metodología tiene el problema de que funciona para un número pequeño y muy mayoritario (casi porcentajes) de átomos de metales. Aún así, es muy útil en ciertos lugares como en minas, donde las aguas que fluyen por en interior arrastran gran cantidad de mineral erosionado.

Fotómetros de llama

Cuando está metodología se empezó a quedar obsoleta debido a la gran cantidad de metales descubiertos y los niveles tan bajos (por ejemplo, en casos toxicológicos, en envenamientos por metales pesados) se hizo necesario el desarrollo de nuevas técnicas que permitiesen el análisis rápido y a bajas concentraciones.

Se conocía desde antiguo que al añadir metales a los fuegos artificiales, estos cambiaban el color de la explosión dependiendo del metal (además del aluminio, casi imprescindible). Empleando estos colores se desarrollaron los fotómetros de llama, en los que mediante una llama de acetileno (como una llama de soporte de soldador) se podían excitar ciertos metales, principalmente alcalinos y alcalinotérreos, y detectarlos dependiendo de su color de su emisión. Hay que remarcar que estos metales normalmente no eran detectables en la marcha analítica.

Basándose en estos fotómetros y en su capacidad de atomizar las muestras debido a su alta temperatura, se empezaron a utilizar para determinar metales que no emitían, simplemente excitándolos con una lámpara del "color" adecuado. Este principio, junto con el desarrollo de la espectroscopía en general y la ley de Lambert-Beer en particular, permiten determinar la concentración presente en muestras mucho más diluías y de prácticamente de todos los metales. Esta técnica se mejoró en algún orden de magnitud con la incorporación del horno de grafito, que permite la vaporización de los metales sin la radiación de fondo de la llama.

ICP-OES y ICP-MS

Ya en los años 80, se desarrolló la técnica de plasma acoplado inductivamente (ICP, por sus siglas en inglés). Esta técnica emplea una antorcha de plasma de argón que alcanza temperaturas entre 8000 y 10000 K, equivalente a la temperatura en la superficie del Sol. Inicialmente se empleó como fuente de emisión ya que alcanza más temperatura y puede hacer emitir a todos los metales, dando lugar a la espectrometría de emisión óptica por ICP, conocida como ICP-OES. 

Tras el desarrollo de esta técnica se observó que debido a las altas temperaturas alcanzadas muchos de los metales emitían menos de lo esperado debido a que se producía una importante ionización de la muestra. En vez de convertirse en un problema, las mentes brillantes lo emplearon como fuente de iones, acoplando a la antorcha la entrada de un espectrómetro de masas, dando lugar a la espectrometría de masas acoplada a ICP. Esta nueva técnica fue una revolución por diferentes motivos.

En primer lugar era capaz, de manera muy sencilla, de determinar los isótopos de todos los metales y de muchos no metales, lo que produjo una revolución en muchos campos, especialmente de la geoquímica. Además, los límites de detección bajaron hasta las partes por trillón americano (1 en 1.000.000.000.000), incluso menores en algunos casos.

Especiación

La especiación se denomina a la determinación de distintas especies del mismo ión metálico. La respuesta frente a los detectores previamente expuestos es la misma, por lo que es necesaria una separación previa. Aquí es donde entra en juego nuestra ya conocida cromatografía. Empleando cromatografías iónicas, de exclusión por tamaños o, incluso, electroforesis, es posible separar las especies metálicas, obteniendo un tiempo de migración característico para cada especie.

Hasta aquí el tema de hoy. Muchas gracias por leerlo hasta el final y si hay dudas, comentarios, preguntas puedes dejarl@s en los comentarios de abajo, en la página de Facebook o de Instagram (ambos con @callofchemistry).

Nos vemos!!

¿Cómo funciona un protector solar?

Esta semana hablaremos sobre cómo evitar uno de los riesgos del verano y, sobretodo cómo evitarlo. Veremos cómo funcionan las cremas solares, esas que utilizamos en verano en la playa y/o en la montaña para evitar quemarnos la piel con el Sol. Empezamos...

¿Qué tipo de radiación nos envía el Sol y cuál es más perjudicial para nosotros?

El Sol nos envía constantemente una gran cantidad de energía en forma de radiación electromagnética, en forma de luz, vamos. De toda esa energía, la que principalmente nos llega a nosotros está contenida en la zona del infrarrojo, del visible y del ultravioleta. La energía por debajo del infrarrojo es dispersada por la atmósfera mientras que la radiación con longitudes de onda por debajo de los 200 nm es absorbida por los gases de la atmósfera y no llega a nosotros. El problema que vamos a tratar es el de la luz ultravioleta, especialmente el ultravioleta A, B y C.

Espectro electromagnético
https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Electromagnetic_spectrum-es.svg

De la radiación infrarroja se puede decir que lo más importante es el calor que ofrece, de la luz visible su propio nombre nos lo dice, nos da la luz necesaria para poder ver mientras que la luz ultravioleta nos produce quemaduras en la piel.

Para evitar esto nos aplicamos cremas solares que nos permite evitar estas quemaduras pero... ¿Cómo hacen que no nos quememos?

Absorción de luz ultravioleta

Las cremas solares absorben la luz ultravioleta y hacen que no lleguen a la piel. Esto es fácil observarlo con cámaras que captan la luz ultravioleta. Si aplicamos crema en una parte de la cara, por ejemplo, en una foto normal (captando el visible) no se aprecia una diferencia significativa mientras que con la cámara ultravioleta se observa que la parte de la cara con la crema se ve negra (porque absorbe toda la luz ultravioleta) mientras que la parte sin aplicar aparece con un color normal.

Ejemplo de bloqueo de luz ultravioleta con una crema solar
https://en.wikipedia.org/wiki/Sunscreen#/media/File:UV_and_Vis_Sunscreen.jpg

Si buscáis en Internet, incluso en la propia Wikipedia hay más fotografías en las que se observa el efecto de las cremas solares. El número que tienen las cremas (SPF, Sun Protection Factor, Factor de protección solar) indican el porcentaje de luz ultravioleta que son capaces de bloquear (en las condiciones de aplicación, si aplicas una capa más gruesa en teoría absorbe más).

Os dejo aquí abajo un vídeo (en inglés, aunque se le pueden poner subtítulos) que explica esto mucho o mejor y con más datos:

Hasta aquí el post de esta semana. Si hay alguna duda, curiosidad, comentario, etc. los puedes comentar aquí, en Facebook o en la nueva cuenta de Instagram.

Nos vemos la semana que viene!!

¿Qué es la luz para la Química?

En este post voy a hacer un resumen de qué es la luz para la química, cómo se produce, cómo se propaga y cómo saber el color de un material o de una disolución. Vamos...

¿Qué es la luz?

Hay libros enteros tratando este tema pero vamos a simplificarlo. La luz es una radiación, por lo tanto es una onda, cuya energía depende de lo rápido que vibre. Si vibra más rápido, más energética.

Descomposición de la luz blanca en colores.
El rojo, con la onda más larga, es el menos energético mientras que el violeta, con la longitud de onda más corta, es el más energético.
http://p.ananas.chaoxing.com/star/1024_0/1383100525608punur.gif

Fisiológicamente, somos capaces de percibir este tipo de radiación por los ojos, son los colores. Cada onda, caracterizada por su frecuencia o su longitud de onda corresponde con alguno de los colores del arcoiris. Podemos ver ondas entre 700 y 400 nm, que corresponden al rojo y al violeta, respectivamente. Por debajo del rojo (ondas de más de 700 nm) percibimos algunas ondas en forma de calor, es la zona del infrarrojo. Por encima del violeta (ondas menores de 400 nm) tampoco son visibles, corresponden al ultravioleta, esas ondas que nos ponen morenos y nos achicharran en la playa y en la montaña.

¿Cómo interacciona la luz con la materia?

En las moléculas y los sólidos, esta luz visible corresponde al intervalo de energía de los tránsitos electrónicos entre los niveles de las moléculas. Si se ilumina una molécula o un sólido cristalino con una energía igual a la diferencia de energía entre sus niveles, es capaz de captar esa luz subiendo un electrón al siguiente nivel. A este fenómeno se le conoce como absorción de luz y la cantidad de luz absorbida por una disolución o un sólido está regida por la ley de Lambert-Beer.

Si algo es capaz de absorber luz, aumentando su energía, también puede ser capaz de reemitirla. Esta luz sería del mismo color de la absorbida. También puede ser capaz de absorber luz, perder un poco de energía y volver a emitirla. El color emitido sería de menor energía del absorbido. Este fenómeno se conoce como fluorescencia. Este fenómeno ocurre en los tubos fluorescentes de cualquier baño o cocina, ya hablamos de ello en el post de la eficiencia energética o en los gin-tonic bajo luz ultravioleta, que lucen de color azul.

Gin-tonic azul
Sharyn Morrow, Flickr

También puede pasar que un material absorba luz, la "almacene" incluso hasta algunos segundos y vuelva a reemitirla casi igual. Este fenómeno es la fosforescencia y es observables en carteles de emergencia, que incluso con las luces apagadas emiten luz durante un cierto tiempo.

Cartel fosforescente
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¿Por qué los objetos son coloreados?

Una vez entendido que la materia absorbe luz hay que irse a un terreno más "artístico" para explicar los colores. Cuando un material absorbe un color, también dispersa (no refleja) el resto de los colores, por lo que el material parece del color contrario al de la luz que absorbe. La rueda de colores os la dejo a continuación:

Rueda de color
Si se absorbe un color, el objeto se verá del color opuesto en la rueda

Cuando un sólido en polvo o prensado es blanco realmente es transparente, como la sal de casa, pero es capaz de desviar la luz debido al fenómeno de la refracción, en el que la velocidad de la luz depende del medio por el que viaja, pudiendo cambiar su dirección de propagación. Por contra, los materiales negros son capaces de absorber todos los colores, lo que supone que tienen bandas de energía continuas y vacías a la que es capaz de saltar un electrón de menor energía.

Los cristales en los que nos arreglamos todas las mañanas son capaces de absorber y reemitir sin perder energía todos los colores. Esto pasa porque tiene tantos niveles continuos de energía que los electrones son capaces de saltar dentro de su misma banda y volver a bajar sin pérdida apreciable de energía.

En el caso en el que un objeto emita luz, se verá del color que emite y, por tanto, se puede estimar el color que absorberá, el complementario.

Pregunta a responder:

¿Por qué el cielo es rojo al atardecer y azul durante el día?

Pista: no es porque refleja el azul del mar, que lo he oído varias veces

Hasta aquí el post de hoy, espero que os haya servido para entender qué es el color y cómo son los objetos coloreados. Si te has quedado con ganas de saber algo más (que todavía hay mucho más), con dudas, con algún comentario puedes dejarlo aquí abajo o en la página de Facebook.

Nos vemos en el siguiente post!!