Microscópio

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Antecedentes

Um microscópio é um instrumento usado para produzir imagens ampliadas de pequenos objetos. O tipo mais comum de microscópio é o microscópio óptico, que usa lentes para formar imagens a partir da luz visível. Os microscópios eletrônicos formam imagens de feixes de elétrons. Os microscópios acústicos formam imagens a partir de ondas sonoras de alta frequência. Os microscópios de túnel formam imagens da capacidade dos elétrons de "tunelar" através da superfície dos sólidos a distâncias extremamente pequenas.

Um microscópio óptico com uma única lente é conhecido como microscópio simples. Microscópios simples incluem lupas e lupas de joalheiro. Um microscópio óptico com duas lentes é conhecido como microscópio composto. As partes básicas de um microscópio composto são a objetiva, que mantém a lente perto da amostra, e a ocular, que mantém a lente perto do observador. Um microscópio composto moderno também inclui uma fonte de luz (um espelho para capturar a luz externa ou uma lâmpada para fornecer luz interna), um mecanismo de foco e um palco (uma superfície na qual o objeto sendo examinado pode ser mantido no lugar) . Os microscópios compostos também podem incluir uma câmera embutida para microfotografia.

Os povos antigos notaram que os objetos vistos através da água pareciam maiores. O filósofo romano do século I Sêneca registrou o fato de que as letras vistas através de um globo de vidro cheio de água eram ampliadas. Os primeiros microscópios simples consistiam em uma gota d'água capturada por um pequeno orifício em um pedaço de madeira ou metal. Durante o Renascimento, pequenas lentes de vidro substituíram a água. No final do século XVII, o cientista holandês Antonie van Leeuwenhoek construiu excelentes microscópios simples usando lentes muito pequenas de alta qualidade montadas entre finas placas de latão. Devido à excelência de seus microscópios e ao fato de ter sido o primeiro a fazer observações de organismos microscópicos, Leeuwenhoek é freqüentemente considerado incorretamente como o inventor do microscópio.

O microscópio composto fez sua primeira aparição entre os anos 1590 e 1608. O crédito por esta invenção é freqüentemente dado a Hans Janssen, seu filho Zacharias Janssen, ou Hans Lippershey, todos eles fabricantes de óculos holandeses. Os primeiros microscópios compostos consistiam em pares de lentes presos em um pequeno tubo de metal e se pareciam muito com caleidoscópios modernos. Por causa do problema da aberração cromática (a tendência de uma lente de focalizar cada cor de luz em um ponto ligeiramente diferente, levando a uma imagem borrada), esses microscópios eram inferiores aos microscópios simples e bem feitos da época.

Os primeiros registros escritos de observações microscópicas foram feitos pelo cientista italiano Francesco Stelluti em 1625, quando ele publicou desenhos de uma abelha vista através de um microscópio. Os primeiros desenhos de bactérias foram feitos por Leeuwenhoek em 1683. Durante os séculos XVII e XVIII, numerosos melhoramentos mecânicos foram feitos em microscópios na Itália, incluindo dispositivos de focalização e dispositivos para manter espécimes no lugar. Na Inglaterra, em 1733, o oculista amador Chester Moor Hall descobriu que combinar duas lentes de formato adequado feitas de dois tipos diferentes de vidro minimizava a aberração cromática. Em 1774, Benjamin Martin usou essa técnica em um microscópio. Muitos avanços foram feitos na construção de microscópios no século XIX e séculos vinte. Microscópios eletrônicos foram desenvolvidos na década de 1930, microscópios acústicos na década de 1970 e microscópios de tunelamento na década de 1980.

Matérias-primas

Um microscópio óptico consiste em um sistema óptico (a ocular, a objetiva e as lentes dentro deles) e componentes de hardware que mantêm o sistema óptico no lugar e permitem que ele seja ajustado e focalizado. Um microscópio barato pode ter um espelho como fonte de luz, mas a maioria dos microscópios profissionais tem uma lâmpada embutida.

As lentes são feitas de vidro óptico, um tipo especial de vidro muito mais puro e uniforme do que o vidro comum. A matéria-prima mais importante do vidro óptico é o dióxido de silício, que deve ser mais de 99,9% puro. As propriedades ópticas exatas do vidro são determinadas por seus outros ingredientes. Estes podem incluir óxido de boro, óxido de sódio, óxido de potássio, óxido de bário, óxido de zinco e óxido de chumbo. As lentes recebem um revestimento anti-reflexo, geralmente de fluoreto de magnésio.

A ocular, a objetiva e a maioria dos componentes do hardware são feitos de aço ou aço e ligas de zinco. O microscópio de uma criança pode ter uma estrutura externa feita de plástico, mas a maioria dos microscópios possui uma estrutura externa feita de aço.

Se houver um espelho incluído, ele geralmente é feito de um vidro forte, como Pyrex (nome comercial de um vidro feito de dióxido de silício, dióxido de boro e óxido de alumínio). O espelho possui um revestimento reflexivo de alumínio e um revestimento protetor de dióxido de silício.

Se uma lâmpada for incluída, ela é feita de vidro e contém um filamento de tungstênio e fios feitos de níquel e ferro em uma mistura de gases de argônio e nitrogênio. A base da lâmpada é feita de alumínio.

Se uma câmera está incluído, ele contém lentes de vidro óptico. O corpo da câmera é feito de aço ou outros metais ou de plástico.

O processo de fabricação

Fazendo os componentes de hardware

• 1 Componentes de hardware de metal são fabricados de aço ou aço e ligas de zinco usando equipamentos de usinagem de precisão, como tornos e prensas de perfuração.
• 2 Se a estrutura externa de um microscópio barato for de plástico, geralmente é um plástico leve e rígido, como o plástico acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS). Os componentes de plástico ABS são feitos por moldagem por injeção. Neste processo, o plástico é derretido e forçado sob pressão em um molde com a forma do produto final. O plástico é então permitido que esfrie de volta em um sólido. O molde é aberto e o produto removido.

Fabricação de vidro óptico

• 3 As matérias-primas adequadas para o tipo de vidro óptico desejado são misturadas nas proporções adequadas, junto com resíduos de vidro do mesmo tipo. Esse vidro residual, conhecido como cullet, atua como um fundente. Um fluxo é uma substância que faz com que as matérias-primas reajam a uma temperatura mais baixa do que fariam sem ele.
• 4 A mistura é aquecida em um forno de vidro até que se derreta em um líquido. A temperatura varia com o tipo de vidro que está sendo feito, mas é normalmente cerca de 2550 ° F (1400 ° C).
• 5 A temperatura é elevada para cerca de 2800 ° F (1550 ° C) para forçar as bolhas de ar a subirem para a superfície. Em seguida, é lentamente resfriado e agitado constantemente até atingir uma temperatura de cerca de 1800 ° F (1000 ° C). O vidro é agora um líquido extremamente espesso, que é despejado em moldes com a forma das lentes a serem feitas.
• 6 Quando o vidro esfriou a cerca de 600 ° F (300 ° C), ele é reaquecido a cerca de 500 ° C (1000 ° F). Este processo, conhecido como recozimento, remove as tensões internas que se formam durante o período de resfriamento inicial e que enfraquecem o vidro. O vidro é então deixado esfriar lentamente até a temperatura ambiente. Os pedaços de vidro são retirados dos moldes. Eles agora são conhecidos como espaços em branco.

Fabricação das lentes

• 7 A peça em bruto agora é colocada em um torno e mantida sob um cortador cilíndrico de rotação rápida com uma lâmina de diamante. Este cortador, conhecido como gerador de curva, apara a superfície da peça bruta até que uma boa aproximação da curva desejada seja obtida. A lente de corte é inspecionada e cortada novamente, se necessário. A dificuldade desse processo varia amplamente, dependendo do tipo de vidro que está sendo cortado e da curvatura exata necessária. Podem ser necessários vários cortes e o tempo envolvido pode ser de alguns minutos ou mais de meia hora.
• 8 Vários blocos cortados são colocados na superfície de um bloco curvo de forma que suas superfícies curvas se alinhem como se fossem todas parte de uma superfície esférica. Isso permite que muitas lentes sejam polidas ao mesmo tempo. Uma superfície de moagem de ferro fundido conhecida como ferramenta é colocada no topo das lentes. O bloco de lentes gira enquanto a ferramenta se move aleatoriamente em cima dele. Um fluxo constante de líquido se move entre a ferramenta e as lentes. Esse líquido, conhecido como lama, contém água, um abrasivo (geralmente carboneto de silício) para fazer a retificação, um refrigerante para evitar o superaquecimento e um surfactante para evitar que o abrasivo se deposite na lama. As lentes são inspecionadas depois de lixadas e retificadas, se necessário. O processo de moagem pode levar de uma a oito horas.
• 9 As lentes são movidas para uma máquina de polimento. É semelhante à retificadora, mas a ferramenta é feita de piche (uma resina espessa e macia derivada do alcatrão). Uma ferramenta de arremesso é feita colocando-se fita adesiva em torno de um prato curvo, despejando piche líquido quente e deixando-o esfriar de volta à forma sólida. Uma ferramenta de pitch pode ser usada cerca de 50 vezes antes de precisar ser remodelada. Ele funciona da mesma maneira que uma ferramenta de polir, mas em vez de um abrasivo, a pasta contém uma substância de polimento (geralmente dióxido de cério). As lentes são inspecionadas após o polimento e o procedimento é repetido conforme necessário. O polimento pode levar de meia hora a cinco horas. As lentes estão limpas e prontas para serem revestidas.
• 10 As lentes são revestidas com fluoreto de magnésio. Eles são inspecionados novamente, etiquetados com uma data de fabricação e um número de série e armazenados até serem necessários.

Fazendo o espelho

• 11 Se um espelho estiver incluído, ele é feito de maneira semelhante à forma como uma lente é feita. Ao contrário de uma lente, ela é cortada, retificada e polida para ser plana, em vez de curva. Um revestimento reflexivo é então aplicado. O alumínio é aquecido em vácuo para produzir vapor. Uma carga eletrostática negativa é aplicada à superfície do espelho para que atraia os íons de alumínio carregados positivamente. Isso permite que uma camada fina e uniforme de metal seja aplicada. Uma camada protetora de dióxido de silício é então aplicada. Como uma lente, o espelho é inspecionado, rotulado e armazenado.

Montagem do microscópio

• 12 Toda a montagem final do microscópio é feita manualmente. Os trabalhadores usam luvas, máscaras e aventais para que a sujeira não danifique as lentes ou os mecanismos internos do microscópio. Primeiro o as lentes são colocadas nos tubos de aço, que constituem os corpos da ocular e da objetiva. Esses tubos são fabricados em tamanhos padrão, o que permite que sejam montados em um microscópio de tamanho padrão.
• 13 O mecanismo de foco da maioria dos microscópios é um sistema de cremalheira e pinhão. Este consiste em uma peça plana de metal com dentes de um lado (a cremalheira) e uma roda de metal com dentes (o pinhão), que controla o movimento da cremalheira. A cremalheira e o pinhão direcionam a objetiva de forma que seu movimento em direção ou para longe do objeto observado possa ser controlado. Em muitos microscópios, a cremalheira e o pinhão são presos ao palco (a placa de metal plana na qual o objeto sendo observado repousa) e a objetiva permanece estacionária. Após a instalação do sistema de cremalheira e pinhão, os botões que o controlam são fixados.
• 14 A estrutura externa do microscópio é montada em torno do mecanismo de foco interno. A ocular (ou duas oculares, para um microscópio binocular) e a objetiva (ou um disco giratório contendo várias objetivas diferentes) são aparafusados ​​no lugar. As oculares e objetivas são fabricadas em tamanhos padrão que permitem que muitas oculares e objetivas diferentes sejam usadas em qualquer microscópio padrão.
• 15 Se o microscópio contém um espelho, este é anexado ao corpo do microscópio abaixo da abertura na platina. Se ele contiver uma lâmpada, ela pode ser fixada no mesmo lugar (para iluminar o objeto observado) ou pode ser colocada ao lado do palco (para iluminar o topo do objeto). Alguns microscópios profissionais contêm os dois tipos de lâmpadas para permitir os dois tipos de observação. Se o microscópio contém uma câmera, ela é fixada na parte superior do corpo.
• 16 O microscópio é testado. Se funcionar corretamente, a ocular e a objetiva geralmente são desparafusados ​​antes da embalagem. As partes do microscópio são embaladas com segurança em compartimentos justos revestidos com tecido ou espuma. Esses compartimentos costumam fazer parte de uma caixa de madeira ou aço. O microscópio é então colocado em um recipiente de papelão resistente e enviado aos consumidores.

Controle de qualidade

A parte mais crítica do controle de qualidade de um microscópio é a precisão das lentes. Durante o corte e o polimento, o tamanho da lente é medido com um paquímetro. Este dispositivo mantém a lente entre duas mandíbulas. Um permanece estacionário enquanto o outro é movido suavemente para o lugar até tocar na lente. As dimensões da lente são lidas em uma escala, que se move junto com a mandíbula móvel.

A curvatura da lente é medida com um esferômetro. Este dispositivo se parece com um relógio de bolso com três pequenos pinos saindo da base. Os dois pinos externos permanecem no lugar, enquanto o pino interno pode se mover para dentro ou para fora. O movimento deste pino é conectado a uma escala na face do esferômetro. A escala revela o grau de curvatura da lente. Uma lente típica não deve variar mais do que cerca de um milésimo de polegada (25 micrômetros).

Durante o polimento, esses testes não são precisos o suficiente para garantir que a lente focalizará a luz corretamente. Testes ópticos devem ser usados. Um teste típico, conhecido como teste de autocolimação, envolve o brilho de uma fonte de luz pontual através de uma lente em um quarto escuro. Uma grade de difração (uma superfície contendo milhares de ranhuras microscópicas paralelas por polegada) é colocada no ponto onde a lente deve focar a luz. A grade faz com que um padrão de linhas claras e escuras se formem em torno do verdadeiro ponto focal. É comparado com o ponto focal teórico e a lente é polida novamente, se necessário.

As partes mecânicas do microscópio também são testadas para garantir que funcionam corretamente. A ocular e a objetiva devem ser aparafusadas firmemente em seus lugares adequados e devem estar perfeitamente centralizados para formar uma imagem nítida. O mecanismo de focalização de cremalheira e pinhão é testado para garantir que se mova suavemente e que a distância entre a objetiva e o palco seja controlada com precisão. Discos giratórios contendo múltiplas objetivas são testados para garantir que girem suavemente e que cada objetiva permaneça firmemente no lugar durante o uso.

O Futuro

Em breve, os observadores amadores poderão comprar microscópios com pequenas câmeras de vídeo embutidas, que permitem o registro dos movimentos de organismos microscópicos. Os computadores podem ser integrados aos mecanismos de controle interno do microscópio para fornecer foco automático.