Microscopia Otica

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PMI-2201 MICROSCOPIA ÓPTICA MICROSCOPIA ÓTICA 1 INTRODUÇÃO A observação das estruturas encontradas na natureza utilizando microscopia ótica, como uma extensão natural da observação a olho nu, representou papel importante no surgimento das ciências da natureza, tanto das ciências biológicas, como a histologia, anatomia, etc. assim como em mineralogia, petrografia, gênese de rochas, etc. e continua uma técnica importante hoje em inúmeras áreas da ciência, complementada pelas técnicas de microscopia eletrônica. A partir de 1863, quando Sorby apresentou à Royal Society suas observações sobre as estruturas dos aços, a observação dos materiais por microscopia ótica esteve sempre presente no centro do conjunto das tecnologias e de campos da ciência que viriam a se aglutinar no que é hoje conhecido como “Ciência e Engenharia dos Materiais” . 2 OS MICROSCÓPIOS ÓPTICOS O tipo mais simples de microscópio é uma lente de aumento, que permite a observação de estruturas com diversas vezes de aumento; é muito utilizado para a observação de grãos e minérios, de superfícies de fratura de metais, de amostras de fibras têxteis, papel e outros produtos da indústria química e metalúrgica. Os microscópios “compostos” já são instrumentos mais poderosos, que permitem desde a observação com aumentos de algumas dezenas de vezes até um máximo de 1500 a 2000 vezes, o limite da observação com luz visível. O microscópio composto tem basicamente dois conjuntos de lentes, a ocular ( que fica próximo ao olho do observador, ou do dispositivo fotográfico) e a objetiva ( que fica perto do objeto a ser examinado). Unindo os dois conjuntos de lente fica um tubo ótico com “comprimento ótico” padronizado , geralmente com 160 mm. Na prática os microscópios modernos tem um grande número de outros elementos óticos incorporados ao caminho da luz dentro do “tubo”, como filtros, analisadores, prismas, espelhos , lentes “Zoom”, etc. A Figura 1 mostra o esquema de um microscópio moderno, indicando os diversos elementos. Os primeiros microscópios desenvolvidos para Biologia e Petrografia usavam ( e usam ainda nestes campos do conhecimento) uma iluminação por luz transmitida. Assim a luz gerada por uma fonte (lâmpada + espelho parabólico, em geral) é “colimada” por lentes 1 Por Prof. Dr. Hélio Goldenstein PMI-2201 MICROSCOPIA ÓPTICA condensadoras e passa através de aberturas variáveis, chamadas diafragmas, por filtros e depois, na microscopia por luz transmitida, atravessa a amostra que nestes casos deve ser preparada como uma lâmina fina o suficiente e de faces paralelas, para que seja transparente. Figura 1: Microscópio de Luz transmitida com seus principais elementos indicados Para a observação de metais, porém , este esquema não foi possível de ser utilizado. Os elétrons da camada condutora dos metais interagem fortemente com os fótons, tornando estas amostras pouquíssimo transparentes. Por este motivo foi desenvolvido um tipo de microscópio em que a iluminação é por meio de luz refletida, seja iluminação oblíqua com sistemas de iluminação independentes do microscópio ou, nos microscópios mais sofisticados, através de um sistema de iluminação pelo próprio tubo e objetiva do microscópio, usando engenhosos sistemas de espelhos, prismas e vidros semi-espelhados que deixam passar a luz em uma direção e a refletem na outra. A Figura 2 mostra o esquema de um microscópio de luz refletida. 2 Por Prof. Dr. Hélio Goldenstein PMI-2201 MICROSCOPIA ÓPTICA Luz com incidência perpendicular à amostra Figura 2: Esquema de um microscópio de Luz transmitida. No detalhe à direita vê-se a prensa usada para alinhar as amostras usando massa plástica Cada sistema de lentes produz um determinado aumento. As objetivas são descritas pela sua distância de trabalho f, ou distancia focal, a distância do objeto até a lente correspondente ao foco e seu aumento é dado pela expressão M = t/f onde t é o comprimento do tubo ótico e também pela sua abertura numérica NA. A NA é obtida a partir do angulo 2θ, o ângulo máximo em que a luz é coletada pela objetiva quando a distancia até o objeto é f, através da fórmula NA = n senθ , onde n é o índice de difração do meio, que é 1 para o caso do ar. Um truque muito utilizado para conseguir trabalhar com grandes aumentos e alta resolução é colocar entre o objeto e a objetiva um outro meio, em geral um óleo com índice de refração n maior do que o ar, tipicamente 1,4. A Figura 3 mostra esquematicamente a relação entre o aumento e a NA de uma lente objetiva. Limite de resolução é a capacidade da objetiva de separar detalhes individuais que estão em posições adjacentes no objeto; corresponde à menor distância entre dois detalhes que pode ser distinguida na imagem ou seja, que pode ser resolvida. 3 Por Prof. Dr. Hélio Goldenstein PMI-2201 MICROSCOPIA ÓPTICA Figura 3: Esquema das lentes objetivas O poder de resolução é a recíproca do limite de resolução e é expresso em número de linhas resolvidas por milímetro. Pode-se demonstrar usando as leis da ótica que o limite de resolução LR = Kλ / 2NA onde K é uma constante que pode chegar a 1,22 com o uso de um condensador adequado e λ é o comprimento de onda da luz utilizada para iluminar a amostra. Quando uma lente está focada em um dado plano do objeto, pontos que estão um pouco acima e um pouco abaixo deste plano podem ainda ser vistos com um foco aceitável. Profundidade de foco então, é outro conceito importante, que corresponde à distancia através da qual o plano da imagem pode ser movido sem que a imagem perca a nitidez. Em outras palavras profundidade de foco é a diferença entre a máxima e a mínima distância no objeto que podem ser observados com determinada lente. Campo-de-visão de uma lente é uma outra grandeza importante, que descreve o tamanho da área que é enxergada pela lente. Nos microscópios modernos as lentes são projetadas para ter um campo-de-visão compatível com o ângulo de visão máximo que o olho humano acomoda, que é de cerca de 50º. 4 Por Prof. Dr. Hélio Goldenstein PMI-2201 MICROSCOPIA ÓPTICA O aumento total do microscópio é obtido multiplicando o aumento da objetiva pelo da ocular e ainda multiplicando por eventuais aumentos introduzidos por outros sistemas de lentes introduzidos no tubo, como sistemas Zoom. A maioria dos microscópios tem diversas lentes objetivas colocadas em um porta-objetivas de tipo revolver, permitindo a troca rápida do aumento. Do outro lado do tubo a maioria dos microscópios tem um sistema binocular, com uma ocular para cada olho, ajustavel para as distâncias interpupilares dos observadores, que costumam variar entre ~50 e ~80 mm para os seres humanos. Para adaptação de câmaras fotográficas, câmaras digitais CCD ou câmaras de vídeo, alguns microscópios apresentam um sistema trínocular, com uma terceira ocular vertical ou horizontal. As amostras ficam montadas sobre uma placa chamada de platina, sobre um portaamostra , também chamado de charriot. Geralmente o porta-amostra tem vários sistemas de cremalheiras (coroa e pinhão) para movimentar a amostra; dois nas direções X e Y e muitas vezes um outro para rodar a amostra (platina giratória) nos microscópios que utilizam analisadores de luz polarizada. O conjunto do porta-amostra, platina e parte do sistema de iluminação nos microscópios de luz transmitida, movimenta-se na direção Z paralela ao tubo ótico, através de outros dois sistemas de cremalheiras, que correspondem ao foco grosso e ao foco fino. A Lupa estereoscópica (Figura 4) é um tipo de microscópio utilizada para a observação de amostras com grandes relevos, como grãos, partículas ou superfícies de fratura. Como o nome (estereoscópica) diz, ela é formada por dois sistemas óticos independentes, dois tubos, objetivas e oculares, o que permite ver imagens tridimensionais de objetos com relevo. As Lupas estereoscópicas podem ser de luz transmitida ou luz refletida. Em alguns casos elas permitem que sejam feitas pares de fotografias do mesmo objeto, usando os dois tubos, obtendo-se um “par estereoscópico” de imagens, que observado com um dispositivo que os separa permite que cada foto seja vista com um olho formando uma imagem tridimensional graças ao efeito da paralaxe entre as duas imagens. 5 Por Prof. Dr. Hélio Goldenstein PMI-2201 MICROSCOPIA ÓPTICA Figura 4: Lupas estereoscópicas com iluminação incidente e transmitida Além das técnicas comuns de iluminação, freqüentemente se usa em microscopia as propriedades da luz polarizada para obter efeitos especiais e mesmo para identificar fases. A ondas eletromagnéticas em um feixe de luz convencional vibram em todas as direções; pode-se tratar este feixe de luz de forma que algumas direções de vibração sejam eliminadas ou rodadas de tal forma que as vibrações ocorram em um plano só (luz com polarização plana) ou em duas direções (luz com polarização elíptica). Quando a luz convencional atravessa um cristal com simetria cúbica ou materiais não cristalinos como o vidro ela mantém suas propriedades. Mas quando atravessa um cristal anisotrópico (não cúbico) em uma direção que não seja um eixo ótico deste cristal, são gerados dois feixes de luz, que caminham por dois caminhos diferentes. Isto é devido ao fenômeno da refração dupla, ou birefringência, conseqüência dos coeficientes de refração destes cristais serem diferentes em diferentes direções do cristal. Este efeito pode ser utilizado para criar um feixe de luz com polarização plana, isolando um dos feixes. Antigamente os filtros polarizadores ou polares eram feitos com um prisma duplo do cristal calcita, que tem a propriedade de ser bi6 Por Prof. Dr. Hélio Goldenstein PMI-2201 MICROSCOPIA ÓPTICA refringente, um arranjo chamado de Nicol em homenagem ao físico italiano que inventou este polarizador. Hoje em dia são produzidos filtros polarizadores muito mais baratos através do uso de filmes de polímeros anisotrópicos. Estes filmes são utilizados também em fotografia, em óculos escuros ou em monitores de computador para filtrar os reflexos e os feixes secundários de luz. Em um microscópio polarizador existem pelo menos dois filtros polarizadores, um (polarizador) no percurso do feixe de luz antes de atingir o objeto e o segundo (analisador) no tubo entre a objetiva e a ocular. Pelo menos um destes filtros, de preferencia os dois, podem ser girados de forma controlada; em muitos casos a amostra também pode ser rodada (platina giratória). Se olharmos através do microscópio polarizador sem nenhum objeto no porta amostra e girarmos um dos filtros veremos que a luz é extinta duas vezes em uma volta completa; isto acontece quando os planos de vibração dos polarizadores estão perpendiculares entre si. Se observarmos um cristal bi-refringente por microscopia de luz transmitida, com os polarizadores cruzados e rodarmos o cristal verificaremos que ocorre quatro eventos de extinção da luz, a 45 º cada uma, correspondentes às posições em que os planos de polarização do cristal ficam paralelos aos dos filtros polarizadores. Quando usamos luz branca, com um espectro de freqüências, o cristal bi-refringente vai aparecer colorido, com as cores variando à medida que o cristal é rodado. Este fenômeno é devido á interferência entre os dois feixes de luz gerados pela bi-refringencia. Outro fenômeno interessante é o pleocroismo, onde na observação sem o filtro analisador a cor do cristal varia continuamente de claro para escuro com a rotação; o caso extremo é o fenômeno do dicroismo, quando um dos feixes de luz refratados desaparece completamente. A principal aplicação destes fenômenos é na microscopia de luz transmitida, na caracterização de lâminas finas de minerais, cerâmicas e mais recentemente de polímeros. 7 Por Prof. Dr. Hélio Goldenstein PMI-2201 MICROSCOPIA ÓPTICA Figura 5: Micrografia Ótica de Transmissão com Luz Polarizada de Si3N4 As Figuras 5 e 6 mostram respectivamente reproduções de e de esferulitos (nódulos cristalinos ) de polipropileno em filmes finos, em ambos os casos a imagem foi obtida com os filtros polarizadores cruzados e o contraste é devido à bi-refringencia dos cristais. Figura 6: Filme de polietileno cristalino; esferulitos revelados pelos polarizadores cruzados Na microscopia por luz refletida, a observação de superfícies polidas de metais, ligas e cerâmicas com estrutura cristalina anisotrópica (não cúbica), utilizando polarizadores cruzados, produz contraste entre grãos com diferentes orientações no espaço e mostra claramente maclas, defeitos de empilhamento, bandas de deformação e orientações 8 Por Prof. Dr. Hélio Goldenstein PMI-2201 MICROSCOPIA ÓPTICA preferenciais (texturas), geralmente impossíveis de serem vistas com iluminação convencvional. Para isto é necessário obter uma superfície sem riscos, pites de corrosão ou deformação superficial, o que as vezes exige técnicas especiais de preparação como o polimento eletrolítico dos metais dúcteis. Metais cúbicos, com estrutura isotrópica, também podem ser observados com luz polarizada desde que seja possível crescer um filme de óxido ou precipitados epitaxiais (coerente com o substrato) em sua superfície. A técnica é muito útil ainda para caracterizar inclusões não metálicas transparentes sob luz convencional; nestes casos muitas vezes com polarizadores cruzados aparecem cores características, anéis concêntricos escuros e claros ou “cruzes de malta” que permitem a identificação das fases. Uma outra técnica importante na microscopia de luz refletida é campo escuro, que permite através da iluminação oblíqua (obtida colocando um obstáculo no centro do feixe de luz) obter um contraste brilhante em regiões que apresentam uma pequena inclinação em relação à superfície, como as “valetas” formadas nos contornos de grão pelo ataque metalográfico. Existem ainda técnicas baseadas na interferência da luz entre dois feixes, úteis para a observação qualitativa ou quantitativa de pequenos relevos na superfície da amostra; as mais importantes são o contraste de interferência, que usando múltiplos feixes provoca o aparecimento de franjas de interferência que montam um mapa do relevo da amostra e o contraste de interferência ou interferência Nomarski, que usa luz polarizada e uma objetiva especial que tem um prima duplo de quartzo (prisma Wollaston) para produzir contraste de cor e de luminosidade entre estruturas e também para revelar pequenos relevos, como os produzidos por deformação plástica na superfície polida dos metais. 9 Por Prof. Dr. Hélio Goldenstein PMI-2201 MICROSCOPIA ÓPTICA 3 MICROSCOPIA QUANTITATIVA Em todos os ramos das ciências e tecnologias que usam microscopia ótica desenvolveram-se técnicas para a realização de medidas quantitativas. Estas técnicas envolvem alguns problemas interessantes de estatística e principalmente alguns raciocínios de topologia, para obter informações sobre a estrutura no volume do material a partir de medidas feitas em observação de projeções em lâminas finas ou mais freqüentemente, de superfícies opacas polidas. Ao conjunto de problemas científicos envolvidos na microscopia quantitativa chama-se “estereologia”. Em cada campo do conhecimento desenvolveram-se terminologias específicas; aqui será utilizada a terminologia adotada por Underwood (4), utilizada em metalografia quantitativa, normalizada pelas normas ASTM. As medidas básicas que são feitas em microscopia em geral envolvem a sobreposição sobre a estrutura de um conjunto de pontos, linhas ou figuras geométricas ou áreas, que são usadas para realizar medidas ou contagens de aspectos morfológicos. Assim é possível sobrepor um conjunto de pontos que estão ao acaso em relação à ordem da microestrutura e realizar contagens da fração de pontos que caiu sobre uma determinada estrutura em relação ao total de pontos ( PP). De forma análoga podese superpor linhas teste de comprimento conhecido sobre a estrutura e medir a fração do comprimento da linha teste que estão sobre determinada estrutura ( LL ) ou o número de intersecções da linha teste com alguma estrutura (NL ); pode-se ainda medir a fração de área de uma dada fase ( AA ) ou o número de partículas ou grãos por unidade de área (PA). A partir desta medidas são reconstituídas as grandezas por volumétricas, como tamanho médio de grão, número de partículas ou inclusões por unidade de volume fração volumétrica de fases, comprimento de defeitos lineares ( discordâncias) por unidade de volume, etc. A Tabela I ilustra os principais grandezas medidas e/ou calculadas a partir de outras medidas. Como o assunto é vasto, serão abordados a seguir apenas dois problemas muito comuns em metalografia, a medida de fração volumétrica e a medida do tamanho de grão. Recomenda-se a quem quiser se aprofundar o livro “Técnicas de Análise Microestrutural”, de A. F. Padilha e F. Ambrósio, páginas 113 a 141. 10 Por Prof. Dr. Hélio Goldenstein PMI-2201 MICROSCOPIA ÓPTICA 11 Por Prof. Dr. Hélio Goldenstein PMI-2201 MICROSCOPIA ÓPTICA 3.1 Medidas de fração volumétrica Para determinar a fração volumétrica ou as proporções em volume entre fases existem diversas medidas possíveis de serem realizadas em uma secção polida. A Estereologia mostra que a fração de área entre fases em uma secção polida AA é idêntica à fração em volume VV, desde que as fases estejam distribuídas ao acaso. Aplicando-se linhas teste ao acaso sobre a superfície da amostra, a fração do comprimento das linhas teste LL que cai sobre a fase será igual à AA e a VV. Da mesma forma, se colocarmos pontos ao acaso sobre a superfície, a fração de pontos que cai sobre a fase PP é igual a AA e VV. Assim, o método mais empregado para medir fração volumétrica de uma fase é a contagem de pontos. Para isto se usa um reticulado sobre as micrografias, ou na ocular do microscópio, com um certo número PT de pontos. Conta-se então o número de pontos que caem sobre uma determinada fase no plano de polimento. O número de pontos P que caem sobre a fase, dividido pelo número total de pontos P/PT é a fração de pontos, PP. Este procedimento, repetido para diferentes campos da amostra até obter uma média e um desvio padrão previamente definidos por cálculos estatísticos para um dado grau de confiança, permite obter um valor de PP igual à fração volumétrica VV. A Figura 7 ilustra o procedimento. 3.2 Medidas de Tamanho de Grão Um contorno de grão é a superfície divisória entre dois cristais adjacentes de orientações cristalográficas diversas. Os contornos de grãos existentes em materiais policristalino podem ser revelados por ataque químico, eletro-químico e térmico. Outra maneira de se visualizar um contorno de grão é atacando-se as superfícies dos grãos da amostra policristalina. Os contornos de grão aparecerão indiretamente como a junção entre dois grãos de coloração diferente como esquematizado na figura 8a. Os grãos individuais são claramente identificáveis pois as superfícies de cada um dos grãos reflete a luz incidente de maneira diferente, como esquematizado na figura 8.b. 12 Por Prof. Dr. Hélio Goldenstein PMI-2201 MICROSCOPIA ÓPTICA Figura 8b: Esquema ilustrando os diferentes ângulos de reflexão da luz incidente, em cada um dos grãos de Figura 8a: Aço inoxidável uma amostra policristalina. austenítico com maclas de recozimento 100 X. Vários métodos tem sido utilizados para medir tamanho ou diâmetro de grãos em amostras policristalinas. Na verdade as formas dos grãos são em geral irregulares, o que faz com que a definição de diâmetro de grão seja arbitrária e dependente de hipóteses simplificadoras sobre a geometria dos grãos. Felizmente é possível obter uma medida que embora não seja exatamente o diâmetro, correlaciona-se muito bem com as propriedades dos materiais. Este parâmetro, de muito maior generalidade e independente de qualquer hipótese, é válido para qualquer estrutura granular que preencha o espaço, independentemente da forma, do tamanho e da posição dos grãos. Este "diâmetro" é o comprimento de interseção médio L3 obtido de medidas do número de intersecções L2 de uma linha teste de comprimento conhecido com os contornos de grão, no plano de polimento. Para grande número de medidas ao acaso a média dos valores da intercecção torna-se o valor real, tridimensional L3. Para grãos que preenchem o espaço o comprimento de interseção médio é definido como: L3 = 1/NL = LT/P*M onde, LT é igual ao comprimento total de linha teste, M é o aumento, P o número de interseções de contornos de grão com a linha teste e portanto NL - número de interseções por comprimento de linha teste, como na Figura 9. 13 Por Prof. Dr. Hélio Goldenstein PMI-2201 MICROSCOPIA ÓPTICA Figura 7: Contornos de grão e linha teste usada para contar número de intersecções L2 Fisicamente L3 corresponde ao livre caminho médio, ou seja à distância média entre dois contornos de grão em toda a amostra. Um outro método de medida popular é tamanho de grão ASTM, N: N = (log. n/log. 2) + 1,000 onde, n é o número de grãos por polegada quadrada com 100 X de aumento. Normalmente, para se obter o tamanho de grão ASTM é necessário contar-se um mínimo de 50 grãos em três áreas diferentes, e este valor deve ser convertido para número de grãos por polegadas quadrada e para um aumento de 100 X. Existe uma relação entre N, o tamanho de grão ASTM e o L3, o livre intercepto médio dado em centimetros: N = -10,0 – 6,64 log L3 14 Por Prof. Dr. Hélio Goldenstein PMI-2201 MICROSCOPIA ÓPTICA 4 APLICAÇÕES • Na Caracterização de Matérias Primas Minerais, as principais aplicações da Microscopia Ótica são: − Identificação de fases minerais; − Quantificação de fases minerais; − Composição de fases minerais; − Formas de intercrescimento e associações minerais • Na Caracterização de Materiais de Engenharia, as principais aplicações da Microscopia Ótica são: − Controle de qualidade através do controle de parâmetros estruturais − Medida das quantidades e distribuição de fases em metais e cerâmicas − Medida dos tamanhos de grão dos materiais policristalinos − Medida da espessura de camadas depositadas, modificadas ou tratadas − Identificação de materiais e de seu processo de fabricação − Caracterização dos reforços e cargas minerais em materiais compósitos REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Haines, R. “Optical Microscopy of Materials”, International Textbook Company, Glasgow, 1984. Está disponível na Biblioteca PMT da EPUSP Bradbury, S. “An Introduction to the Optical Microscope”, Royal Microscopy Society, microscopy Handbooks 01, Oxford Science Publications1989. Esté disponível na Biblioteca da Geociências. Van der Voort, G. “Optical Microscopy”, verbete em “Metals Handbook Vol. 9, (th edition, American Society for Metals, 1985. Pg 71, disponível na Biblioteca PMT-EPUSP 15 Por Prof. Dr. Hélio Goldenstein PMI-2201 MICROSCOPIA ÓPTICA Underwood, E.E., “Quantitative Metallography”, verbete em “Metals Handbook Vol. 9, (th edition, American Society for Metals, 1985. Pg 123, disponível na Biblioteca PMTEPUSP Padilha, A.F. e Ambrósio Filho F., “Técnicas de Caracterização em Ciência dos Materias”, Editora Hemus , 1986. Disponível na Biblioteca PMT-EPUSP Colpaert, H. “Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns”, Edgard Blucher, São Paulo, 2º ed. 1953. Disponível na Biblioteca PMT-EPUSP Tschiptschin, A.P., Goldenstein, H., Sinatora, A. “Metalografia dos Aços”. ABM 1987. Disponível na Biblioteca PMT-EPUSP EXERCÍCIOS 1. Explique como é possível observar os contornos de grão na secção polida de um metal 100% denso, usando microscopia ótica. 2. Utilizando microscopia ótica somente é possível observar grãos de diâmetro maiores do que aproximadamente 1µm (10-6 m). Que fenômeno físico é responsável por esta limitação? 3. Polímeros cristalizados apresentam acentuado dicroismo, ao passo que polímeros amorfos são isotrópicos. Explique como este fato pode ser usado para observar a cristalização de polímeros ao microscópio. 4. Que tipo de microscópio ótico você usaria para: a) caracterizar se o pó recolhido na bateia de um garimpeiro contém ouro b) observar a superfície de fratura de uma peça quebrada de automóvel c) Medir o tamanho de grão de uma chapa de aço d) Medir a fração volumétrica de quartzo, feldspato e mica em um granito decorativo 16 Por Prof. Dr. Hélio Goldenstein