Rozdzielczość mikroskopów świetlnych – granica obserwacji na mikroskopie świetlnym

W mikroskopii świetlnej obraz badanej próbki powiększany jest dzięki zastosowaniu światła widzialnego (o długości fali z zakresu 450-800nm) oraz zespołu szklanych soczewek. Stosowany zakres światła odgórnie nakłada ograniczenie stosowania mikroskopów świetlnych, poprzez bezpośredni wpływ na ich rozdzielczość.

Rozdzielczość mikroskopu rozumiana jest jako zdolność do rozróżnienia dwóch sąsiadujących punktów świetlnych jako osobne jednostki. Krótko mówiąc rozdzielczość to nic innego jak możliwość otrzymania wyraźnego obrazu małych obiektów przy dużych powiększeniach. Teoretyczna (wynikająca ze wzoru), maksymalna rozdzielczość mikroskopu zależy od apertury numerycznej obiektywu i dla najlepszych układów optycznych wynosi ona około 200nm. Jednak w praktyce maksymalna stosowana rozdzielczość rzadko przekracza 400-500nm, co wynika m.in. z komplikacji pracy przy takich powiększeniach i ich zasadności (gdy dostępne są inne metody badawcze).

Skale obserwacji mikroskopowych

W związku z szerokim zakresem analiz mikroskopowych, powstały różne typy mikroskopów świetlnych. Są to m.in mikroskopy stereoskopowe, metalograficzny i cyfrowe. W zależności od aplikacji, należy dobrać więc odpowiedni system. W praktyce często stosowane jest wiec rozróżnienie na dwie skale obserwacji:

• makro – skala dużych rozmiarów, przedstawiająca obrazy, na których można ocenić m.in.: wielkość przetopu złączy spawanych, geometrię kształtu małych wyrobów (narzędzia skrawające), nieciągłości w budowie odlewów, pęknięcia, przełomy zmęczeniowe itp. Z grubsza są to powiększenia od 1:1 do 1:100. Prostym językiem, analizy makro służą do obserwacji detali, które można zaobserwować gołym okiem, ale nie widać ich szczegółów. 
• mikro – skala niewielkich rozmiarów, przedstawiająca obraz z wieloma szczegółami charakteryzujących budowę materiałów, takimi jak np.: budowa strukturalna metali w tym wielkość ziarna, grubości powłok, strefy wpływu ciepła spoin itp. Powiększenie od 1:100 do 1:10^-6. Prostym językiem, analizy mikro służą do obserwacji detali, który nie możemy już zaobserwować gołym okiem i mieszczą się w zakresie rozdzielczości mikroskopów świetlnych.
• nano (nie dotyczy mikroskopii świetlnej) – skala bardzo małych rozmiarów przedstawia obrazy, na których widoczna jest budowa pojedynczej fazy, cząsteczki m.in. topografia powierzchni itp. Powiększenie od 1:10^-6 do 1:10^-9

AFM (ang. atomic force microscopy) – co to jest

Ponieważ mikroskopy świetlne nie wystarczały do analiz w skali nano, powstały urządzenia o znacznie większej rozdzielczości. Mowa tu o mikroskopach sił atomowych (AFM) i skaningowych mikroskopach elektronowych (przy czym ze względu na nasz zakres dzialności, poruszamy tylko pierwszy typ).

Mikroskopy AFM to urządzenia, które dają możliwości obrazowania powierzchni w trzech wymiarach XYZ, z rozdzielczością sięgającą pojedynczych nanometrów oraz ingerencję w strukturę próbki na poziomie pojedynczych molekuł. W mikroskopii AFM możliwe jest badanie struktury geometrycznej oraz stanu fizycznego powierzchni różnego rodzaju materiałów w tym: metali, tworzyw sztucznych, ceramiki, kompozytów czy też nanoelektronikę oraz preparaty biologiczne.

AFM – jak działa mikroskop sił atomowych

Mikroskopia sił atomowych należy do dziedziny badań gdzie obrazowanie badanych preparatów prowadzi się z wykorzystaniem sondy skanujące, składającej się z dźwigni zakończonej ostrzem pomiarowym. Obraz w tej technice powstaje dzięki ugięciom dźwigni w wyniku działania sił występujących między tipem (ostrzem), a atomami tworzącymi powierzchnie badanej próbki i jest miarą odległości między nimi. Podstawa działania AFM jest oddziaływanie pomiędzy atomami sondy a atomami próbki. Polega to na oddziaływaniu sił Kulombowskich oraz sił van der Waalsa, które powodują przyciąganie lub odpychanie się atomów na różnych odległościach.

AFM – mikroskopia sił atomowych w praktyce

Dzięki AFM można tworzyć obraz z bardzo dużą rozdzielczością. Po przesłaniu informacji przez mikroskop, obraz przekształcany jest za pomocą komputera, i w efekcie uzyskuje się obrazy powiększone x 10⁸ w osi xi y, a w osi z do 0,01nm.  Szczególną zalety AFM to:

• możliwość prowadzenia badania w próżni czy tez w atmosferze różnych gazów i ciecz
• próbki do badań nie muszą być szczególnie przygotowywane oraz nie niszczą się podczas badań
• AFM pozwala na badanie preparatów, które przewodzą prąd, jak też te które tego prądu nie przewodzą (z czym często problem mają SEMy).

W praktyce, badania najczęściej przeprowadza się w dwóch trybach, są to:

• Tryb kontaktowy, który polega na tym, że tip odgrywa rolę profilometru, który bada topografię powierzchni, a jego odległość od atomów próbki jest mniejsza niż 0,1nm. W trybie tym działają siły odpychające to znaczy, że ramie jest wygięte w kierunku przeciwnym do powierzchni próbki. Pomiędzy atomami ostrze – powierzchnia próbki zachodzi interakcja sfer elektronowych. Dzięki temu trybowi można uzyskać informacje o właściwościach fizycznych badanej próbki takich jak: tarcie, odkształcenie sprężyste, plastyczne oraz oddziaływanie adhezyjne.
• Tryb bezkontaktowy polega na prowadzeniu badań w strefie oddziaływań dalekiego zasięgu. Odległość ostrza od próbki w tym trybie wynosi od 10 do 100mn, siły jakie występują mają kierunek przyciągający, a ramię dźwigni jest wygięte w kierunku próbki. Mogą tu występować odziaływania magnetyczne, elektrostatyczne oraz przyciąganie van der Waalsa, które jest wykorzystywane w tym trybie najczęściej. obraz badanej powierzchni uzyskujemy dzięki pomiarom zmiany amplitudy i częstości drgań dźwigni.
  Wadą tego trybu jest tłumiące oddziaływanie zanieczyszczeń zaadsorbowanych na powierzchni próbki powodujących zniekształcenie obrazu.

Kiedy jest potrzebne przygotowanie próbki do badań na mikroskopie

W przypadku analiz makro, często wystarczające jest tylko zastosowanie odpowiedniego oświetlenia aby przeanalizować np. defekty na powierzchni wyrobu, lub dokonania pomiaru. Aby jednak wykonać poprawną analizę spoiny lub mikrostruktury, konieczna jest odpowiednia preparatyka metalograficzna.

Podsumowując powyższe, łatwo stwierdzić, że to w związku z celem badania, często wymagane jest odpowiednie przygotowanie próbki. Należy tu podkreślić, że niestety poprawne przygotowanie materiału do badań, jest często bardziej czasochłonne niż jego analiza pod mikroskopem.

Preparatyka metalograficzna – przygotowanie próbki do analizy na mikroskopie świetlnych, krok po kroku

Ponieważ przykładów wyrobów badanych na mikroskopie nie da się zliczyć, to nie ma jednego uniwersalnego sposobu przygotowania próbek. Ponieważ jednak dla analiz metalograficznych proces przygotowania zgładu metalograficznego, jest schematyczny, przedstawiamy go poniżej:

• Ciecie – wybór reprezentatywnego miejsca do badań z obiektu (gotowego detalu), które daje najwięcej informacji o badanym wyrobie. Cięcie należy przeprowadzać z szczególną uwagą na to aby nie spowodować zmian w budowie strukturalnej materiału, przy jak najmniejszej jego deformacji np.: przegrzanie materiału, odkształcenie plastyczne itp.
• Inkludowanie – proces, w którym wyciętą próbkę chcemy trwale unieruchomić. Polega on na zatapianiu wycinka detalu w żywicach, najczęściej epoksydowych lub akrylowych. Inkludowanie ułatwia dalszą obróbkę mechaniczna próbki w procesie szlifowania i polerowania. Dzięki zastosowaniu materiału osnowy wokół badanej próbki, możliwe jest przygotowanie próbki do badań jej krawędzi np. badanie warstw utwardzonych po obróbce cieplno- chemicznej lub badanie powłok po procesach PVD, CVD czy galwanizacji.
• Szlifowanie – proces obróbki mechanicznej polegający na wytworzeniu płasko – równoległej powierzchni próbki. Szlifowanie polega na zbieraniu materiału poprzez stosowanie materiałów ściernych na bazie SiC, CBM i diamentu o gradacji od największej do najmniejszej.
• Polerowanie – proces wygładzania powierzchni próbki z zastosowaniem sukna polerskiego i diamentowej pasty/zawiesiny o gradacji od 9µm do 1 µm. Efektem końcowym polerowania jest błyszcząca powierzchnia próbki dająca tzw. „efekt lustra”.
• Trawienie – proces selektywnego rozpuszczania materiału próbki w celu uwidocznienia różnicy w budowie. Dzięki trawieniu można uwidocznić takie cechy metali jak: wielkość ziarna i jego granice, grubość tzw. białej warstwy po azotowaniu, wydzielenia grafitu w żeliwie itp.