Microscopio

Antecedentes

Un microscopio es un instrumento que se utiliza para producir imágenes ampliadas de objetos pequeños. El tipo de microscopio más común es un microscopio óptico, que usa lentes para formar imágenes a partir de la luz visible. Los microscopios electrónicos forman imágenes a partir de haces de electrones. Los microscopios acústicos forman imágenes a partir de ondas sonoras de alta frecuencia. Los microscopios de túnel forman imágenes a partir de la capacidad de los electrones para "hacer un túnel" a través de la superficie de los sólidos a distancias extremadamente pequeñas.

Un microscopio óptico con una sola lente se conoce como microscopio simple. Los microscopios simples incluyen lupas y lupas de joyero. Un microscopio óptico con dos lentes se conoce como microscopio compuesto. Las partes básicas de un microscopio compuesto son el objetivo, que sostiene la lente cerca de la muestra, y el ocular, que sostiene la lente cerca del observador. Un microscopio compuesto moderno también incluye una fuente de luz (ya sea un espejo para captar la luz externa o una bombilla para proporcionar luz interna), un mecanismo de enfoque y un escenario (una superficie en la que el objeto que se está examinando se puede mantener en su lugar) . Los microscopios compuestos también pueden incluir una cámara incorporada para microfotografía.

Los pueblos antiguos notaron que los objetos vistos a través del agua parecían más grandes. Séneca, el filósofo romano del siglo I, registró el hecho de que las letras vistas a través de un globo de cristal lleno de agua estaban magnificadas. Los primeros microscopios simples consistían en una gota de agua capturada en un pequeño orificio en un trozo de madera o metal. Durante el Renacimiento, pequeñas lentes de vidrio reemplazaron el agua. A finales del siglo XVII, el científico holandés Antonie van Leeuwenhoek construyó microscopios sencillos y excepcionales utilizando lentes muy pequeños y de alta calidad montados entre placas delgadas de latón. Debido a la excelencia de sus microscopios y al hecho de que fue el primero en hacer observaciones de organismos microscópicos, a menudo se piensa incorrectamente en Leeuwenhoek como el inventor del microscopio.

El microscopio compuesto hizo su primera aparición entre los años 1590 y 1608. El crédito de esta invención a menudo se atribuye a Hans Janssen, su hijo Zacharias Janssen o Hans Lippershey, todos ellos fabricantes de gafas holandeses. Los primeros microscopios compuestos consistían en pares de lentes sostenidos en un pequeño tubo de metal y se parecían mucho a los caleidoscopios modernos. Debido al problema de la aberración cromática (la tendencia de una lente a enfocar cada color de luz en un punto ligeramente diferente, dando lugar a una imagen borrosa), estos microscopios eran inferiores a los microscopios simples bien hechos de la época.

Los primeros registros escritos de observaciones microscópicas fueron realizados por el científico italiano Francesco Stelluti en 1625, cuando publicó dibujos de una abeja vista a través de un microscopio. Los primeros dibujos de bacterias fueron realizados por Leeuwenhoek en 1683. Durante los siglos XVII y XVIII, se realizaron numerosas mejoras mecánicas en microscopios en Italia, incluidos dispositivos de enfoque y dispositivos para mantener las muestras en su lugar. En Inglaterra, en 1733, el óptico aficionado Chester Moor Hall descubrió que la combinación de dos lentes con la forma adecuada fabricadas con dos tipos diferentes de vidrio minimizaba la aberración cromática. En 1774, Benjamin Martin utilizó esta técnica en un microscopio. Se hicieron muchos avances en la construcción de microscopios en el siglo XIX. y siglos XX. Los microscopios electrónicos se desarrollaron en la década de 1930, los microscopios acústicos en la década de 1970 y los microscopios de túnel en la década de 1980.

Materias primas

Un microscopio óptico consta de un sistema óptico (el ocular, el objetivo y las lentes en su interior) y componentes de hardware que mantienen el sistema óptico en su lugar y permiten ajustarlo y enfocarlo. Un microscopio económico puede tener un espejo como fuente de luz, pero la mayoría de los microscopios profesionales tienen una bombilla incorporada.

Las lentes están hechas de vidrio óptico, un tipo especial de vidrio que es mucho más puro y uniforme que el vidrio ordinario. La materia prima más importante del vidrio óptico es el dióxido de silicio, que debe tener una pureza superior al 99,9%. Las propiedades ópticas exactas del vidrio están determinadas por sus otros ingredientes. Estos pueden incluir óxido de boro, óxido de sodio, óxido de potasio, óxido de bario, óxido de zinc y óxido de plomo. Las lentes reciben un recubrimiento antirreflectante, generalmente de fluoruro de magnesio.

El ocular, el objetivo y la mayoría de los componentes de hardware están hechos de acero o aleaciones de acero y zinc. El microscopio de un niño puede tener una carcasa externa de plástico, pero la mayoría de los microscopios tienen una carcasa de acero.

Si se incluye un espejo, generalmente está hecho de un vidrio fuerte como Pyrex (un nombre comercial para un vidrio hecho de dióxido de silicio, dióxido de boro y óxido de aluminio). El espejo tiene un revestimiento reflectante de aluminio y un revestimiento protector de dióxido de silicio.

Si se incluye una bombilla, está hecha de vidrio y contiene un filamento de tungsteno y alambres hechos de níquel y hierro dentro de una mezcla de gases de argón y nitrógeno. La base de la bombilla está fabricada en aluminio.

Si una cámara Se incluye, contiene lentes de vidrio óptico. El cuerpo de la cámara está hecho de acero u otros metales o de plástico.

El
proceso de fabricación

Fabricación de componentes de hardware

• 1 Los componentes de hardware de metal se fabrican a partir de acero o aleaciones de acero y zinc utilizando equipos de precisión para trabajar metales, como tornos y taladros.
• 2 Si la carcasa externa del cuerpo de un microscopio económico es de plástico, generalmente es un plástico rígido y liviano como el plástico de acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS). Los componentes de plástico ABS se fabrican mediante moldeo por inyección. En este proceso, el plástico se funde y se fuerza a presión en un molde con la forma del producto final. A continuación, se deja que el plástico se enfríe de nuevo hasta convertirse en un sólido. Se abre el molde y se retira el producto.

Fabricación de vidrio óptico

• 3 Las materias primas adecuadas para el tipo de vidrio óptico deseado se mezclan en las proporciones adecuadas, junto con el vidrio de desecho del mismo tipo. Este vidrio de desecho, conocido como vidrio de desecho, actúa como fundente. Un fundente es una sustancia que hace que las materias primas reaccionen a una temperatura más baja de lo que lo harían sin él.
• 4 La mezcla se calienta en un horno de vidrio hasta que se derrita en un líquido. La temperatura varía según el tipo de vidrio que se está fabricando, pero suele rondar los 1400 ° C (2550 ° F).
• 5 La temperatura se eleva a aproximadamente 2800 ° F (1550 ° C) para hacer que las burbujas de aire suban a la superficie. Luego se enfría lentamente y se agita constantemente hasta que alcanza una temperatura de aproximadamente 1800 ° F (1000 ° C). El vidrio es ahora un líquido extremadamente espeso, que se vierte en moldes con la forma de las lentes que se van a fabricar.
• 6 Cuando el vidrio se haya enfriado a aproximadamente 600 ° F (300 ° C), se recalienta a aproximadamente 1000 ° F (500 ° C). Este proceso, conocido como recocido, elimina las tensiones internas que se forman durante el período de enfriamiento inicial y que debilitan el vidrio. A continuación, se deja enfriar lentamente el vidrio a temperatura ambiente. Los trozos de vidrio se retiran de los moldes. Ahora se conocen como espacios en blanco.

Fabricación de lentes

• 7 La pieza en bruto ahora se coloca en un tornillo de banco y se sujeta debajo de un cortador cilíndrico que gira rápidamente con una hoja de diamante. Este cortador, conocido como generador de curvas, recorta la superficie de la pieza en bruto hasta obtener una aproximación cercana a la curva deseada. La lente cortada se inspecciona y se vuelve a cortar si es necesario. La dificultad de este proceso varía ampliamente según el tipo de vidrio que se corte y la curvatura exacta requerida. Es posible que se requieran varios cortes y el tiempo involucrado puede ser de unos minutos o más de media hora.
• 8 Se colocan varios espacios en blanco cortados en la superficie de un bloque curvo de tal manera que sus superficies curvas se alineen como si todas fueran parte de una superficie esférica. Esto permite rectificar muchas lentes al mismo tiempo. Una superficie de molienda de hierro fundido conocida como herramienta se coloca en la parte superior de las lentes. El bloque de lentes gira mientras la herramienta se mueve al azar sobre él. Un flujo constante de líquido se mueve entre la herramienta y las lentes. Este líquido, conocido como suspensión, contiene agua, un abrasivo (generalmente carburo de silicio) para moler, un refrigerante para evitar el sobrecalentamiento y un surfactante para evitar que el abrasivo se asiente en la suspensión. Las lentes se inspeccionan después de esmerilar y volver a pulir si es necesario. El proceso de trituración puede tardar de una a ocho horas.
• 9 Las lentes se mueven a una máquina pulidora. Es similar a la máquina de pulir, pero la herramienta está hecha de brea (una resina espesa y blanda derivada del alquitrán). Una herramienta de brea se hace colocando cinta adhesiva alrededor de un plato curvo, vertiendo brea líquida caliente y dejando que se enfríe hasta convertirse en un sólido. Una herramienta de tono se puede utilizar unas 50 veces antes de que deba reformarse. Funciona de la misma manera que una herramienta de esmerilado, pero en lugar de un abrasivo, la lechada contiene una sustancia pulidora (generalmente dióxido de cerio). Las lentes se inspeccionan después del pulido y el procedimiento se repite según sea necesario. El pulido puede tardar entre media hora y cinco horas. Las lentes están limpias y listas para ser recubiertas.
• 10 Las lentes están recubiertas con fluoruro de magnesio. Luego se inspeccionan nuevamente, se etiquetan con una fecha de fabricación y un número de serie, y se almacenan hasta que se necesiten.

Hacer el espejo

• 11 Si se incluye un espejo, se hace de manera similar a como se hace una lente. A diferencia de una lente, se corta, se muele y se pule para que quede plana en lugar de curvada. Luego se aplica un revestimiento reflectante. El aluminio se calienta al vacío para producir vapor. Se aplica una carga electrostática negativa a la superficie del espejo para que atraiga los iones de aluminio cargados positivamente. Esto permite aplicar una capa fina y uniforme de metal. Luego se aplica una capa protectora de dióxido de silicio. Como una lente, el espejo se inspecciona, se etiqueta y se almacena.

Montaje del microscopio

• 12 Todo el montaje final del microscopio se realiza a mano. Los trabajadores usan guantes, máscaras y batas para que la suciedad no dañe las lentes o los mecanismos internos del microscopio. Primero el las lentes se colocan en los tubos de acero, que forman los cuerpos del ocular y el objetivo. Estos tubos se fabrican en tamaños estándar, lo que les permite ensamblarlos en un microscopio de tamaño estándar.
• 13 El mecanismo de enfoque de la mayoría de los microscopios es un sistema de piñón y cremallera. Consiste en una pieza plana de metal con dientes en un lado (la cremallera) y una rueda de metal con dientes (el piñón), que controla el movimiento de la cremallera. La cremallera y el piñón dirigen el objetivo de modo que se pueda controlar su movimiento hacia el objeto observado o alejándose del mismo. En muchos microscopios, la cremallera y el piñón están unidos a la platina (la placa de metal plana sobre la que descansa el objeto que se observa) y el objetivo permanece estacionario. Una vez instalado el sistema de piñón y cremallera, se colocan las perillas que lo controlan.
• 14 La carcasa externa del cuerpo del microscopio se ensambla alrededor del mecanismo de enfoque interno. El ocular (o dos oculares, para un microscopio binocular) y el objetivo (o un disco giratorio que contiene varios objetivos diferentes) se atornillan en su lugar. Los oculares y objetivos se fabrican en tamaños estándar que permiten utilizar muchos oculares y objetivos diferentes en cualquier microscopio estándar.
• 15 Si el microscopio contiene un espejo, este se adjunta al cuerpo del microscopio debajo de la abertura de la platina. Si, en cambio, contiene una bombilla, esta puede colocarse en el mismo lugar (para hacer brillar la luz a través del objeto observado) o puede colocarse a un lado del escenario (para iluminar la parte superior del objeto). Algunos microscopios profesionales contienen ambos tipos de bombillas para permitir ambos tipos de observación. Si el microscopio contiene una cámara, se coloca en la parte superior del cuerpo.
• 16 Se prueba el microscopio. Si funciona correctamente, el ocular y el objetivo generalmente se desenroscan antes de empacar. Las partes del microscopio están empaquetadas de forma segura en compartimentos ajustados forrados con tela o espuma. Estos compartimentos suelen formar parte de una caja de madera o acero. Luego, el microscopio se coloca en un recipiente de cartón resistente y se envía a los consumidores.

Control de calidad

La parte más crítica del control de calidad de un microscopio es la precisión de las lentes. Durante el corte y el pulido, el tamaño de la lente se mide con un calibre nonio. Este dispositivo sostiene la lente entre dos mordazas. Uno permanece inmóvil mientras que el otro se mueve suavemente a su lugar hasta que toca la lente. Las dimensiones de la lente se leen en una escala, que se mueve junto con la mandíbula móvil.

La curvatura de la lente se mide con un esferómetro. Este dispositivo parece un reloj de bolsillo con tres pequeños alfileres que sobresalen de la base. Los dos pasadores externos permanecen en su lugar, mientras que el pasador interno puede moverse hacia adentro o hacia afuera. El movimiento de este pasador está conectado a una escala en la cara del esferómetro. La escala revela el grado de curvatura de la lente. Una lente típica no debe variar más de una milésima de pulgada (25 micrómetros).

Durante el pulido, estas pruebas no son lo suficientemente precisas para garantizar que la lente enfocará la luz correctamente. Deben utilizarse pruebas ópticas. Una prueba típica, conocida como prueba de autocolimación, consiste en hacer brillar una fuente de luz puntual a través de una lente en una habitación oscura. Se coloca una rejilla de difracción (una superficie que contiene miles de ranuras microscópicas paralelas por pulgada) en el punto donde la lente debe enfocar la luz. La rejilla hace que se forme un patrón de líneas claras y oscuras alrededor del verdadero punto focal. Se compara con el punto focal teórico y la lente se vuelve a pulir si es necesario.

Las partes mecánicas del microscopio también se prueban para garantizar que funcionen correctamente. El ocular y el objetivo deben atornillarse firmemente en sus lugares adecuados y deben estar perfectamente centrados para formar una imagen nítida. El mecanismo de enfoque de piñón y cremallera se prueba para garantizar que se mueva suavemente y que la distancia entre el objetivo y el escenario se controle con precisión. Los discos giratorios que contienen varios objetivos se prueban para asegurarse de que giran sin problemas y de que cada objetivo permanece firmemente en su lugar durante el uso.

El futuro

Los observadores aficionados pronto podrán comprar microscopios con pequeñas cámaras de video integradas, que permiten registrar los movimientos de organismos microscópicos. Se pueden incorporar computadoras en los mecanismos de control interno del microscopio para proporcionar un enfoque automático.