Microcristalli macroemozioni

Pier Carlo Braga

MICRoCRISTALLI

MACROEMOZIONI

"a Manuela e Samanta"

La natura e piena d'infmite ragioni, che 11011 [uron mai ill isperienza

Leonardo da Vinci

MICROCRISTALLI MACROEMOZIO I

Prefazione

M

olte persone hanno avuto occasione di vedere le forme e i colori dei cristalli formati dalle rocce cristalline , rna forse pochi sanno che le sostanze chimiche possono formare dei microcristalli, visibili al microscopio, con

forme e colori altrettanto belli. Immersi nel nostro mondo macroscopico non ci rendiamo conto che attorno a noi vi sono altri fantastici mondi microscopici che attendono di essere svelati. In questa libro eriportata con intento educativo una serie di informazioni di base su

come preparare i microcristalli e su come poterli osservare e fotografare al microscopio in varie condizioni (luce polarizzata, campo oscuro e illuminazione di Rheinberg), rna !'aspetto pili affascinante ela vasta serie di immagini di microcristalli che viene proposta. Questo libro vuole condividere con illettore le emozioni visive che vengono da un'incredibile fusione di forme, le pili disparate e inusuali, con un arcobaleno di variazioni cromatiche e sfumature inimmaginabili e di impareggiabile bellezza, che non sono solo un piacere per gli occhi, rna testimoniano anche come la fantasia della natura non abbia mai fine.

-aMI':;; "Una immagine emeglio di milleparole" Antico proverbio cinese

Pier Carlo Braga [email protected]

ISBN978-88-470-1826-6

e-ISBN978-88-470-1827-3

00110.1007/978-88-470-1827-3 © Springer-Verlag ltalia2011

Quest'operaeprotetta dallaleggesui dirittod'autore,e lasua riproduzioneeammessa soloedeselusivamente neilimiti stabiliti dallastessa. Le fotoeopie per usopersonae possonoessere effettuatenei limiti del 15%di eiaseunvolume dietro pagamentoaliaSIAE del eompenso previstodall'art. 68, commi 4 e 5,dellalegge22aprile1941n.633 .Leriproduzioni perusonon personalee/ooltreillimitede115%potrannoaweniresoloaseguitodi speeifiea autorizzazione rilasciatadaAIDRO,Corso diPorta Romana n. 108, Milano 20122, e-mail [email protected] esitoweb www.aidro.org. Tuttii diritti,inpartieolare quellirelativi aliatraduzione,aliaristampa,all'utilizzo di illustrazioni etabelle,aliaeitazioneorale,aliatrasmissioneradiofoniea 0 televisiva,alia registrazione sumicrofilm 0 indatabase, 0 alia riproduzioneinqualsiasi altra forma(stampata0 elettroniea) rimangonoriservati anche nel easo di utilizzo parziale. La violazionedellenormecomporta Iesanzioni previste dallalegge. L'utilizzo in questapubblieazione di denominazioni generiehe, nomi eommereiali, marehi registrati, eee. anche se non speeifieatamente identifieati, non implieaehe tali denominazioni 0 marehi non siano protetti dalle relativeleggi e regolamenti. Responsabilita legale per i prodotti: I'editore non puo garantire I'esattezza delle indieazioni sui dosaggi e I'impiego dei prodotti menzionati nellapresente opera. II lettoredovradi voltainvoltaverifiearne I'esattezzaeonsultando labibliografiadi pertinenza. 98765432 1 Layout coper1ina:IkonaSJ.I. Impaginazione: Ikonas.r.l. Stampa: GECA SpA - Cesano Boscone (MI) Stampato inItalia Springer-Verlag ItaliaSJ.I.,ViaDecembrio28, 1-20137 Milano Springer faparte di Springer Sclence-Busress Media(www.springer.com)

MICROCRISTALLI MACROEMOZIO I

Indice

1. I cristalli: cosa sono 2. I microcristalli: come si formano

3

3. Come osservare i microcristalli

7

4. II microscopio

8

5. La luce polarizzata

13

6. II campo oscuro

16

7. L'illuminazione di Rheinberg

18

8. Come fotografare i microcristalli

20

9. Bibliografia

23

10. Indice analitico

24

11. Indice delle figure

25

12. Microcristalli: raccolta iconografica

26

Ringraziamenti Un caro ringraziamento al Signor Mauro Malan, National Sales Manager della Olympus

Italia, che estato prodigo di utilisuggerimenti ed al Signor Dario Belli della Copy2Art che con lesueabilita informatiche ha reso facili lecose difficili... almena perme.

MICROCRISTALLI MACROEMOZIO I

I cristalli: cosa sana

I

1termine "cristallo" deriva dal greco

"Kpum;aAAo~"

(krystallos) che significa

ghiaccio, acqua gelata. Nellinguaggio corrente la parola "cristallo" viene frequentemente utilizzata per indicare un vetro particolarmente trasparente, op-

pure in mineralogia per identificare solidi piu 0 meno regolari con particolari forme e colori,

0

anche con altri significati (es. cristallo di ghiaccio). Una definizione piu

tecnica di tipo fisico-chimico definisce il cristallo come un solido omogeneo in cui le piu piccole particelle (atomi, molecole, e/o ioni) che 10 compongono sono disposte in un modello ordinato tridimensionale che si ripete indefinitamente nella spazio con schemi geometrici simmetrici che ne determinano la forma e le caratteristiche (reticolo cristallino 0 reticolo di Bravais). La piu piccola disposizione ordinata degli atomi di un cristallo edetta "cella elementare" e la ripetizione periodica nello spazio di tante celIe elementari ai vertici di una struttura reticolare da luogo a quello che viene definito come "struttura cristallina" [1,2]. Le differenze tra le varie strutture cristalline hanno dato luogo a diversi sistemi

di classificazione (triclino, monoclino, ortorombico, romboedrico, tetragonale, esagonale, cubico). "Cristallografia" ela branca della scienza che si occupa della studio dei solidi cristallini e dei principi che regolano la loro crescita, la forma estern a, e la struttura interna

[1]. "Cristallizzazione" eil processo fisico-chimico di formazione di un cristallo e indica una transizione di fase della materia, dallo stato liquido a quello solido; si tratta di un fenomeno che si ritrova con una certa frequenza in natura, ed

e all'origine di fe-

nomeni come la formazione dei diversi tipi di cristalli delle rocce minerarie, oppure dei depositi di salgemma. Le sostanze cristalline (che generano cristalli) possono essere presenti in natura in forma di aggregati di dimensioni visibili 0 di aggregati microcristallini detti microcristalli, visibili con l'ausilio del microscopio.

•

MICROCRISTALLI MACROEMOZIO I

I microcristalli: come si formano

L

a materia che ci circonda puo esistere in tre stati: solido, liquido e gassoso.

Nello stato gassoso gli atomi sono lontani tra loro e possono muoversi in modo disordinato e indipendente; in un liquido gli atomi sono molto pili a

contatto tra loro e possono scorrere gli uni sugli altri; in un solido gli atomi sono a diretto contatto, possono vibrare attorno a una posizione di equilibrio, rna non possono scorrere gli uni sugli altri e tendono ad essere distribuiti in modo ordinato [2]. Lo stadio iniziale della cristallizzazione in un sistema formato da una sostanza disciolta (soluto) in un liquido (solvente)

eun processo detto di "nucleazione", in cui gli atomi

ole molecole del soluto disperse tra le molecole del solvente vengono a contatto tra loro e tendono ad aggregarsi in forma ordinata, formando un "proto-cristallo" (sito di nucleazione) . Successivamente, altri atomi 0 molecole di soluto possono unirsi con legami chimici fino a originare un cristallo (accrescimento per strati successivi) (Figura 1).

CINa+

Fase dispersa

Nuc leazione

Accrescimento

Cristallo formato

L Fig. 1. Sequenza delle fasi che portano alia formazione di un cristallo (cloruro di sodio, NaCI).

I fattori coinvolti in un fenomeno di cristallizzazione sono molteplici, quali: le caratteristiche chimiche della sostanza, la sua concentrazione, Ie dimensioni degli ioni

0

molecole e la loro carica elettrica, il tipo di solvente (idrofilo, lipofilo) e il suo volume, il grado di evaporazione, il grado di saturazione, la temperatura, la pressione, la presenza di piccoIe impurita, Inoltre i cristalli possono essere ottenuti con diverse modalita: per precipitazione da soluzioni pili

0

meno sovrasature, per raffreddamento

di materiale fuso, per sublimazione, per condensazione su germe cristallino, oppure

Pier Carlo Braga Capitolo 2. I microcristalli: come si formano

mediante crescita per reazioni chimiche [2-5]. Un altro importante elemento ela velocita con cui avviene la cristallizzazione: se essa avviene lentamente, in genere, si formano cristalli di maggiore dimensione con forme pili regolari, se la cristallizzazione

e rapida, i cristalli tenderanno ad essere pili piccoli. Per produrre dei microcristalli ci si puo avvalere delle varie tecniche utilizzate per ottenere dei macrocristalli. Un semplice metodo che tutti possono sperimentare per formare dei cristalli da osservare al microscopio equello di porre una piccola quantita (la punta di un cucchiaino) ad esempio di cloruro di sodio (NaCl) in una provetta, aggiungere circa 1-2 cucchiaini di acqua e, per favorirne la solubilizzazione, mescolare e scaldare (50-60°C) su un fornelletto ad alcool un accendino; usando un contagocce

0

0

sulla fiamma di una candela

0

di

una pipetta Pasteur prelevare una piccola

Fig. 2. Esempi di crescita dei cristalli: a) acido picrico in acqua, luce polarizzata,(40x); b) buflomedil in acqua, luce polarizzata, (40x).

•

MICROCRISTALLI MACROEMOZIO I quantita di questa solu zione e depositarne una goccia al centro di un vetrino portaoggetti, attendere che l'acqua sia evaporata, e quindi porre il vetrino sotto l'obiettivo di un microscopio per osservare i cristalli. In questa caso la crescita dei cristalli avverra su un piano prevalentemente bidimensionale dato il rid otto spessore della lamina liquida che si forma sul vetrino; aumentando il volume di liquido posta sul vetrino si aumentera 10 spessore della goccia e quindi si potranno form are cristalli anche con maggiore dimensioni (tridimensionali) e con vari piani di messa a fuoco . In genere, i primi cristalli tendono a formarsi in vari punti ai bordi della goccia poiche si tratta dei punti in cui la soluzione tende a evapo rare pili rapidamente. In seguito, i cristalli si accrescono fino a entrare in contatto tra loro forman do, al termine della cristallizzazione , una massa policristallina, in cui sono presenti forme diverse anche se la sostanza ela stessa (Figura 2).

In alternativa al metodo precedente e possibile prelevare con una spatola una piccola quantita della sostanza da "ricristallizzare", depositarla su un vetrino portaoggetto, aggiungere una goccia del solvente prescelto (acqua distillata oppure alcool denaturato, acetone, 0 altri tipi di solvente), miscelare il tutto e poi attendere che il solvente sia eva-

porato spontaneamente (Figura 3). porta provette

scatola di vetrini porta oggetto

vetrino porta oggetto

vetrino copri oggetto scatola di vetrini copri oggetto

-. .

L

•

- .. a

•

b

~,

I

C

••

e

Fig. 3. Descrizione dei vari materiali necessari per produrre microcristalli e successione delle varie fasi: a) prelievo della sostanza da cristallizzare; b) deposizione di una piccola quota su un vetrino portaoggetto; c) aggiunta di un solvente per solubilizzare; d) formazione dei cristalli dopo evaporazione del solvente; e) copertura dei cristalli con un vetrino coprioggetto e verniciatura dei bordi con smalto per unghie per sigillare il contenuto.

•

Pier Carlo Braga Capitola 2. [ microcristalli: come si form ano

Quando tutto il solvente eevaporato si puo osservare il vetrino al microscopio. Se si vuole conservare il preparato si puo ricoprirlo con un vetrino coprioggetto e poi sigillarne i bordi, ad es. con smalto per unghie (Figura 3). Variando Ie concentrazioni, i tipi di solventi e Ie modalita di cristallizzazione si potranno fare esperimenti per ottenere cristalli di varie forme: ad esernpio, l'alcool isopropilico evapora molto rapidamente dando luogo a cristalli con forme differenti da altri solventi [5-7]. Miscelando tra loro pili composti si avranno ulteriori combinazioni di forme [8, 9].

Epreferibile che Ie sostanze chimiche da esaminare siano pure in quanta quelle presenti ad es. nei farmaci sono miscelate con altri composti che interferiscono sulla loro cristallizzazione. Per chi volesse provare a fare delle cristallizzazioni

e bene ricordare che alcune so-

stanze chimiche e solventi sono inerti, mentre altre possiedono varie caratteristiche chimiche tra cui tossicita e infiammabilita, sara quindi opportuno informarsi preventivamente sulle sostanze e i solventi che si vogliono usare e prendere Ie opportune precauzioni (guanti, occhiali, mascherine, ambienti aerati, ecc.).

•

MICROCRISTALLI MACROEMOZIO I

Come osservare i microcristalli

I

microcristalli ottenuti con vari tipi di sostanze disciolte in vari tipi di solventi e in differenti condizioni di evaporazione e temperatura possono essere osservati nelle loro diverse morfologie mediante il microscopio ottico; anche altri tipi di

microscopia come la microscopia elettronica a scansione (SEM) e la microscopia a forza atomica (AFM) sono utili per studi approfonditi di cristallografia, rna la loro tecnologia e illoro uso sono complessi e generalmente vengono utilizzati da laboratori specializzati, mentre la microscopia ottica ealla portata di molti operatori anche per uso non professionale. Attualmente esistono in commercio molti modelli diversi di microscopi, dai pili semplici di tipo didattico ai pili complessi utilizzati per la ricerca, tuttavia per osservare i microcristalli non enecessario utilizzare strumenti particolarmente sofisticati: sono gia sufficienti microscopi del tipo rappresentato in Figura 4. Oculare

Tub.:> de! microscopio

Vite macro metrica

Vite micrometrica Obiett ivo Tavolino traslatore Vetrino porta oggetti Condensatore Specchio

L

Base

Fig. 4. Struttura di un microscopic ottico con indicazione delle varie parti che 10 compongono

•

Pier Carlo Braga Capitola 4. II micro scopio

II microscopio

L

a possibilita di ingrandire la visione delle cose che ci circondano, scopren-

done i dettagli strutturali, ha sempre affascinato I'uomo. "L'invenzione del microscopio" si puo dire che non provenga da una intuizione subitanea, atta

a soddisfare una necessita, come frequentemente avviene per le invenzioni, rna che sia stato un processo graduale di acquisizione parallela di conoscenze scientifiche di ottica e di elementi di tecnologia meccanica che, integrandosi tra loro, hanno dato luogo ad un nuovo strumento. Tra gli innumerevoli strumenti ideati dall'uomo il microscopio occupa un posta di primo piano, in quanta ci ha svelato, e continua a svelarci, l'esistenza di mondi paralleli inimmaginabili e mai visti intorno a noi ed all'interno del nostro corpo e che determinano la nostra stessa esistenza. La nostra vita non sarebbe quella che oggi ese non ci fosse stato il microscopio, sia per quanta concerne la enorme quantita di informazioni che ha permesso di raccogliere, che per gliavanzamenti scientifici che ne sono derivati nel campo delleScienzeBiologiche e Microbiologiche e nelle varie discipline delle Scienze Mediche, rna anche in molti altri ambiti scientifici e tecnologici [10 - 14], per cui si puo affermare come non esista un campo scientifico 0 tecnologico in cui non sia stata applicata I'indagine microscopica. "Stativo"

eil termine che si usa per indicare il supporto meccanico delle diverse com-

ponenti ottiche (Figura 4) [15]. AlIa pesante base di sostegno che puo assurnere fogge diverse e conferisce stabilita all'insieme ecollegato un braccio che porta il tubo del microscopio, aIlecui estremita vengono posti I'obiettivo (vicino all' "objectum") e l' oculare (vicino all' "oculus"); collegato al braccio vi epoi un tavolino che serve come supporto

per il materiale da osservare, e sotto di esso, vi el'alloggiamento per il condensatore. Lo stativo non e un semplice supporto meccanico per l' ottica del microscopio, rna

e

dotato di meccanismi di messa a fuoco estremamente precisi (- 1 urn, micrometro) che tramite cremagliere, pignoni e viti senza fine permettono all'operatore di avvicinare od allontanare opportunamente le parti ottiche al campione per facilitarne la visione e la corretta messa a fuoco . Nella Figura Sa viene riportato 10 spaccato di un microscopio che mostra i fini det-

•

MICROCRISTALLI MACROEMOZIO I tagli di tipo meccanico delle parti che 10 compongono [16]. La Figura 5b esemplifica 10 schema ottico del microscopio [16]. I raggi provenienti da una sorgente luminosa (lampadina, sole) vengono riflessi da uno specchio verso il condensatore che e un sistema di lenti che ha la funzione di concentrare i raggi luminosi sull'oggetto da esaminare. 1 raggi che colpiscono il campione sono raccolti dalle lenti dell' obiettivo, che

e costituito da un sistema di lenti convergenti a corta

focale che esegue un primo ingrandimento e proietta l'immagine verso l'oculare. L'oculare

e un secondo sistema di lenti che raccoglie l'immagine dell'obiettivo e la

ingrandisce ulteriormente proiettandola poi verso l'occhio che viene avvicinato all'oculare per l'osservazione. _ , mV

b ·..- --

- 1

·'- - - -1

·' - - - H

" -

_1_ -

-=---,

.. -r- ~~~r-----,

L

Fig. 5. a Vista in sezione di un microscopic ottico e delle relative componenti ottiche e meccaniche; b percorso dei raggi luminosi lunge Ie componenti ottiche di un microscopic [15)

La funzione del microscopio

e quella di ingrandire oggetti estremamente piccoli,

dell'ordine di 1 urn (micrometro). Un micrometro (0 micron, come abitualmente viene detto) el'unita di misura utilizzata in microscopia ed indica la millesima parte del millimetro, cioe 1 urn

= 0,001

e la millesima parte urn = 10-6 m, cioe un micron ela milionesima

mm. Poiche un millimetro

del metro (I mm = 0,001 m), allora 1

parte di un metro. Si puo quindi avere una idea delle prestigiose prestazioni tecniche che attualmente i microscopi ottici permettono di ottenere.

•

Pier Carlo Braga Capi tolo 4. II microscop io

L'ingrandimento finale di un oggetto visto al microscopio ottico

e dato dal valore

dell'ingrandimento proprio dell' obiettivo usato moltiplicato per quello dell' oculare accoppiato: ad esempio impiegando un obiettivo 40x con un oculare l Ox l'ingrandimento finale sara 40x10 = 400x . Le possibilita di ingrandimento per il microscopio ottico possono arrivare ad un massimo di 1000x poiche esiste un limite di tipo fisico, che econnesso all'impiego della luce. La luce e formata da on de elettromagnetiche ed illoro insieme presenta una lunghezza d'onda con un potere di risoluzione di circa 0,001 mm e questa significa una possibilita di ingrandimento di circa 1000 volte. Le immagini dei microcristalli riportate in questa libro sono state ottenute utilizzando un microscopio Olympus, modello BH-2, equipaggiato con una lampada alogena 12V/l00W BHS-LSH, un condensatore BH2-SC (swing-out), NA 0.9-0 .16, obiettivi S Plan Achromat -lx, lOx, 20x, 40x, oculari WHK lux, e tubo trioculare BH2-TR30 con oculare fotografico NFK 2,5x (Figura 6, Tabella 1).

Fig. 6. a Vista di un microscopic ottico Olympus BH-2; b spaccato di un microscopio Olympus BH2 che permette di osservare il cammino ottico delia luce generata da una lampada alogena (per gentile concessione Olympus Italia)

•

MICROCRISTALLI MACROEMOZIO I Tabella 1. Le date fondamentali della microscopia fda 17]

Gli antichi abitanti della Mesopotamia conoscevano I'usodella lente diingrandimento,come dimostra la scoperta di una lente piano-convessa in cristallo dirocca negIiscavi dell 'antica Ninive ad opera diLayard ne11850. Anchegli antichi Romani conoscevano la lente diingrandimento. Allo scopo utilizzavano globi divetro riempiti d'acqua (Seneca, 53 d.C.). IVichinghi utilizzavano lenti di ingrandimento incristalli dirocca, probabilmente per Ie fini incisioni dei monili W -8° secolo d.C.). Della lente diingrandimento parlano I'arabo Abu-Ali-Hassan , Ruggero Bacone eLeonardo da Vinci. 1590 Hans Janssen, ottico di Middelbourg (Olanda) esuo figlio Zacharias, inventano il "cannocchialeolandese", che

arrivava ad un ingrandimento di50x, combinando due lenti semplici. 1610 Galileo Galilei inventa I"'occhiale", strumento derivato dal camoccbiale , 1614 II greco Desmesianos,membro dell'Accademia dei Lincei, da aquesta nuovo strumento diingrandimento il nome

di "Microscopium", nome che vienediffuso soprattutto per merito del fisico tedesco Johann Faber. 1624 Galileo Galilei mostra che completando I'occhiale con ocularedivergente

trasparenza. Tale strumento vienedefinito "perspicillum" 0 "Occhialino".

epossibile I'esame dipiccoli oggetti per

1637 Cartesio descrive un microscopio semplice che definisce "Perspicillum pulicarium ex unico vitro". 1658 Ya Swammerdam ,olandese,scopre con I'aiuto del microscopio inventato da Galilei i globuli rossi nel sangue della rana.

Intomo aquesta periodo Athanasius Kircher, disceplolo di Van Leeuwenhoek, studia diversi oggetti microscopici eafferma di avere osservato nel sangue di persone malate "vermiculi', che considera degli agenti patogeni delle malattie. 1661 Marcello Malpighi , il fondatore dell'anatomia microscopica, osserva i capillari mesenteriali della rana. Negli anni successivi ccrrpra importanti osservazioni su mlza,rene, pelle,in cui sccona strutture che tutt'ora portano iIsuo nome. 1665 Robert Hooke, fisico inglese, disegna un microscopio composto provvisto di messa a fuoco grossolana e di

precisione. Con tale strumentoosserva piccole cavita in lamine disughero, aile quali da il nome di"cellule". 1670 Huygens perfeziona il microscopio adattando ad esso un oculare che aveva realizzato per I'uso in astronomia. 1675 AntonyVan Leeuwenhoek diDelft,per mezzo dei suoi microscopi semplici dibrevissima lunghezza focale, compie

importanti osservazioni naturalistiche sugli infusori. 1677 Padre Cherubino, un frate di Orleans,costruisce il primo microscopio binoculare prowisto di montatura arevolver

per pili obiettivi. 1679 Newton propone dieliminare I'aberrazione cromatica sostituendo Ie lenti con uno specchio che fomisce un'immagine

ingrandita, poi ripresa dall'oculare. Viene realizzata lacremagliera per 10 scorrimento verticaledel tuba porta-ottica. 1712 Hertel inventa 10 specchio per I'illuminazione. 1722 L'inglese Charles M. Hall scopre che il vetro "flint" ha un potere di dispersione maggiore del vetro "crown" eche

I'associazionedi lenti dei due tipi divetro eutile per la correzione di alcune aberrazioni.

1752 Albrecht Van Hallercompie osservazioni sulle cellule eafferma chetutti gil organismi presentano cellule. 1758 Dollond, francese emlgrato a Londra, migliora la correzione cromatica associando una lente convergente divetro

ordinario, ad una divergente dicristallo. 1762 Plencicz afferma che agenti patogeni delle malattie sono i "batteri" piccolissimi organismi osservabili solo al

microscopio.Tale teoria verra ripresa un secolo dopo da Henle. 1783 Jesse Ramsden disegna un oculare con correzione planare da utilizzare per lavori micrometrici. 1802 Davy eWedgwood tentano di "fotografare" I'immagine microscopica (rna lafotografia non era stata ancora

inventata) utilizzando lastrine al nitrato d'argento ecome sorgente di luce il sole. Ma non esisteva neppure il fissaggio etali "impressioni" erano del tutto fuggevoli. 1811 Joseph de Fraunhofer migliora ulteriormente la resa cromatica degli obiettivi mediante la combinazione di tre lenti, non

ancora incollate. 1822 Charles Louis Chevallier realizza il "microscopio aricalco", ripreso poi da Lerebours col nome di "megagrafo": al

•

(Continua~)

Pier Carlo Braga Capi tolo 4. II m icroscopio di sopra dell 'oculare il microscopio alloggiava un vetro smerigliato, regolabile in altezza. su cui veniva messa a fuoco I'immagine. Questa era poi disegnata a ricalco sopra un foglio di carta sottile appoggiato sui vetro. 1824 Chevallier riesce arealizzare il primo sistema ottico acromatico eaplanatico associando lenti divetro "crown" e

lenti divetro "flint", dietro commissione dell'ottico emeccanico parigino Selligue. Nello stesso anno Fresnel dimostra che se Ie nuove lenti sono superiori aile lenti semplici ad ingrandimenti inferiOli ai200x, diventano ad esse del tutto equivalenti ad ingrandimenti maggiori, se Ie lenti semplici sono utilizzate con un diaframma di apertura. 1827 Giovan Battista Amici prosegue gli studi di Selligue sui sistemi ottici atre lenti realizzando acromatici sempre piu

perfezionati. 1831 William Nicol prepara laprima sezione sottile dilegno fossile dando vitaalia micropaleontologia. 1834 Talbot realizza un microscopio polarizzatore diuso pratico.

Chevallier presenta il "microscopio universale",provvisto di funzionamento sia verticale che orizzontale, con la possibilita di esame per trasmissione eper riflessione, adatta alia polarizzazione, provvisto ditavolino mobile,con obiettivi che possono essere sistemati aldisotto 0 aldi sopra del campione (microscopio invertito). 1839 Arago presenta all 'Accademia delle Scienze il "Dagguerreotype". 1840 A. Donne sostituisce una lastra diDaguerre inargenta alvetro smerigliato del "megagrafo" eottiene laprima

immagine fotomicrografica della storia.verra presentata il17 febbraio all'Accademia delle Scienze.Una seconda seguira il 24febbraio. 1845 A. Donne pubblica il primo atlante dimicroscopia illustrato da riproduzioni dei suoi daggherrotipi. 1847 G.B.Amici applica per laprima volta il metoda diimmersione inacqua che migliora sensibilmente il potere di

risoluzione dell 'obiettivo. 1849 Ernst Leitz fonda la sua istituzione aWetzlar. 1850 Verso la meta del secolo Carl Zeiss,rneccanico,patrocinato da Scheleiden,inizia aJena la sua attivita di costruttore di

rnicroscopi. Ben presto,con l'aluto di E.Abbe, la Fabbrica assurne notorieta mondiale. 1856 Wehnhan costruisce il prirno condensatore paraboloide per carnpo oscuro. 1863 Henry C. Sorby rende possibile I'analisi microscopica dei rnetalli. 1870 Tolles sostituisce all 'acqua I'olio di cedro nel rnetodo di osservazione ad irnrnersione. 1871 JA Nachet costruisce il prirno illurninatore verticalecon obiettivo per osservazioni in luce incidente, adatto all 'irnpiego

incrirninologia. 1872 A,Abbe sViluppa il rnetodo di illurninazione che porta ilsuo norne, utilizzando un condensatorefocalizzabile provvisto

di diaframrna ad iride. 1876 Carl Reichert apre la sua prirna officina rneccanica eottica.

Harry Rosenbusch disegna il prirno vero rnicroscopio rnineralogico-petrografico. 1876 Ernst Abbe migliora ulteriormente laquallta delle ottiche realizzando gli obiettivi apocromatici calcolatl aJena nel

laboratorio diOtto Schott. 1903 H.F.W. Siedentopf eRA Zsigrnondy realizzano I'ultrarnicroscopio, che perrnette direndere percepibili all'occhio

particelle al disotto del potere di risoluzione del rnicroscopio in carnpo chiaro. 1905 A. Kohler realizza il rnicroscopio utilizzante laradiazione ultravioletta. 1911 C. Reichert presenta alia Socleta Tedesca di Scienze naturali e Medicina il prirno rnicroscopio afluorescenza. 1912 Viene realizzato il primo dispositivo per larnicro cinernatografia. 1932 Frits Zernike pone Ie basi del rnetodo del contrasto difase (Premio Nobel neI1953). 1933 W. Linnik descrive il prirno rnicrointerferornetro,II predecessore del rnoderno rnicroscopio interferenziale, utilizzando

I'interferornetro diMichelson. 1948 Paul Kirkpatrick eA.V.Baez perfezionano il rnicroscopio a raggi X. 1952 J.Dyson eF.H.Smith progettano un rnicroscopio ad interferenza difase che pub leggere differenze di 1/399 di

lunghezza d'onda. 1957 Viene realizzato evenduto il microscopio a raggi Xper i laboratori di ricerca.

•

MICROCRISTALLI MACROEMOZIO I

La luce polarizzata

u

raggio di Iuce ecostituito da un insieme di tante onde elettromagnetiche che oscillano in varie direzioni dello spazio; se Iungo il cammino ottico di un raggio di Iuce si interpone un filtro detto "polarizzatore" (ad es.,

una Iente di un occhiale Polaroid) quest'ultimo, date le sue particolarita ottiche, Iascera passare Ie onde Iuminose in una sola direzione e Ia Iuce che passa viene pertanto detta "luce polarizzata". Concettualmente un filtro polaroid 10 si puo immaginare come una griglia di fessure Iongitudinali e quindi solo le onde Iuminose che hanno un piano di oscillazione Iongitudinale, cioe parallelo aIle fessure, possono passare attraverso di esse, mentre quelle con Ie altre direzioni di oscillazione vengono bloccate (Figura 7) [17].

PIANO 0 1VIBRAZ IONE DELLA LUGE POLARIZZATA FILTRO POLAR IZZAZIONE

L Fig. 7. Sehematizzazione di come un filtro polaroid polarizza la luee ehe 10 attraversa [modifieato da 17)

Un normale microscopio puo essere trasformato in un microscopio polarizzatore inserendo semplicemente un primo filtro polaroid tra Ia sorgente di Iuce ed il condensatore, mentre un secondo filtro polaroid, uguale al primo, e detto "analizzatore" andra posizionato tra l' obiettivo e I'oculare (pili raramente sopra I'oculare), avendo

•

Pier Carlo Braga Capitola 5. La luce polarizzata

I'accortezza che almeno uno dei due filtri si possa ruotare. Si potra COS! osservare che quando si ruota uno dei filtri in una certa posizione la luce puo passare, mentre ruotandolo a 900 da questa posizione la luce non passa pili e si vedra un campo nero. Questo fenomeno ottico dipende dall' orientamento delle fessure dei filtri: se il primo filtro ha 10 stesso orientamento di quello del secondo filtro (sono paralleli) la luce potra passare, se invece i filtri sono posti a 900 (posizione incrociata) le onde luminose verranno bloccate (estinzione) (Figura 8) [17].

LUGE

FILTRO ANALIZZATORE A parallelo FILTRO POLARIZZATORE

,

BUIO

FILTRO POLARIZZATORE

L

Fig. 8. Schematizzazione dell'azione sulla luce di due filtri polaroid con orientamento parallelo e con orientamento incrociato a 90° [modificato da 171

Molte sostanze possono generare microcristalli e tra questi ve ne sono alcuni che quando vengono attraversati dalla luce ne modificano 10 stato di polarizzazione; il raggio di luce che attraversa il microcristallo viene suddiviso in due raggi che oscillano su piani perpendicolari tra loro (sostanze birifrangenti) . Senza affrontare complesse spiegazioni di carattere fisico, si puo osservare come un cristallo di una sostanza bi-

•

MICROCRISTALLI MACROEMOZIO I rifrangente (anisotropa) osservato in un microscopio polarizzatore con i filtri incrociati a 90° (non passa la luce) sia in grado di fare ruotare la direzione del piano di oscillazione della luce, pertanto una certa parte della luce sara ora in grado di passare attraverso il filtro analizzatore ed il cristallo verra visto come luminoso e/o colorato su un fondo scuro (Figura 9) [18 - 21].

L

Fig. 9. Diagramma che mostra come la luce polarizzata venga modificata quando passa attraverso un corpo birifrangente [modificato da 18)

Un cristallo che in microscopia a luce trasmessa appare trasparente (Figura 10), se e birifrangente e viene osservato in luce polarizzata presentera una serie di colori diversi che dipenderanno dal suo spessore: spessori diversi daranno colori diversi in dipendenza dei diversi ritardi subiti dalla luce nell'attraversamento del cristallo (Figura 10). Altri fattori che intervengono sulla genesi dei colori sono: 1'orientamento cri-

a Fig. 10. Esempio di un cristalio osservato: a in luce trasmessa; b luce polarizzata; c luce polarizzata con lamina compensatrice

stallografico e l' angolo di incrocio tra i filtri polarizzatori [15]. Esiste anche la possibilita di inserire tra i filtri polaroid una "lamina compensatrice" (mica, selenio, cellophane) in grado di introdurre altri tipi di "ritardi" cosl che si formeranno ulteriori colorazioni che possono

0

diminuire

0

rafforzare Ie colorazioni

di base, aggiungendo cosl sfumature intermedie (Figura 10).

•

Pier Carlo Braga Capitolo 6. II campo oscuro

II campo oscuro

T

alvolta i campioni che si possono osservare al microscopio presentano un basso contrasto, cioe Ie loro strutture appaiono trasparenti 0 scarsamente colorate e quindi non risaltano bene rispetto al fondo; con l'ausilio di opportuni

accorgimenti, quali metodiche dette di contrasto di fase, di contrasto interferenziale 0 di illuminazione obliqua si puo migliorare il contrasto tra il campione ed il fondo. Un sistema semplice, rna che puo generare suggestivi effetti visivi ela microscopia in campo oscuro. Questo tipo di microscopia si puo facilmente ottenere inserendo nell' alloggiamento del portafiltri posto sotto il condensatore una mascherina (diaframma) come quella illustrata in Figura 11.

L Fig. 11. Forma dei diaframmi utilizzati per produrre I'illuminazione in campo oscuro

II condensatore ecostituito da un sistema di lenti il cui scopo equello di fare convergere i raggi luminosi suI campione da esaminare; i raggi che entrano nella zona centrale delle lenti del condensatore transitano in modo rettilineo, mentre quelli che entrano nella porzione pili periferica vengono deviati obliquamente per concentrarli suI campione. La forma della mascherina etale per cui la parte centrale interrompera il passaggio dei raggi centrali, cost che essi non potranno illuminare il campione e quindi non entreranno nell 'obiettivo; e quindi si avra, pertanto, un fondo scuro

0

nero. La corona periferica trasparente lascera passare i raggi luminosi che pero illumineranno il campione in modo obliquo (Figura 12). Data la direzione molto incli-

•

MICROCRISTALLI MACROEMOZIO [

Obiettivo

Raggi dal campione

Raggi obliqui Blocco dei raggi - - - da diaframma di campo oscuro Passaggio dei raggi luminosi

Diaframma del campo oscuro

L Fig. 12. Percorso ottico dei raggi luminosi utilizzando un diaframma per campo oscuro [modificato da 22]

a Fig. 13. Esempio di un cristallo osservato: a in campo chiaro; b in campo oscuro

nata questi raggi tenderanno ad illuminare i bordi 0 le parti pili elevate del campione e questa provochera dei fenomeni di rifrazione con produzione di raggi rit1essi che sono in grado di entrare nell'obiettivo generando cosi immagini (contorni) molto brillanti su un fondo scuro

0

nero.

La Figura 13 mostra le differenze di contrasto tra un cristallo osservato in microscopia in campo chiaro ed in campo oscuro.

•

Pier Ca rlo Braga Capi tola 7. L'illurn in azion e di Rheinb erg

L'illuminazione di Rheinberg

N

el 1896 Julius Rheinberg, durante una dimostrazione alla Royal Microscopical Society,presento un nuovo metodo di illuminazione che permetteva di "colorate" in modo ottico i campioni trasparenti da osservare al

microscopio [22]. L'illuminazione di Rheinberg si presenta come una variante dell'illuminazione in

campo oscuro. Nella Figura 14 si possono osservare come sono strutturati filtri proposti da Rheinberg da collocare nel portafiltri del condensatore. Come si nota questi filtri presentano un disco centrale che, a differenza di quello utilizzato per il campo oscuro, si presenta colorato; attorno ad esso vi e un anello periferico di un colore diverso, in genere un colore complementare a quello del disco centrale. II tragitto dei raggi luminosi e10 stesso di quello del campo oscuro, per cui il disco

' r - - - - - Raggi obl iqui che

colorano il campione

_ +-__ Raggi centrali che

colorano 10sfondo

1---

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Filtro di Rheinberg

L Fig. 14. Cammino attica dei raggi luminosi secondo il metoda di Rheinberg [modificato da 22]

•

MICROCRISTALLI MACROEMOZIO I centrale que sta volta non blocchera i raggi rna Ii lascera passare colorandoli a seconda del colore del filtro usato, apparira cosi uno sfondo colorato; alIo stesso tempo il campione ricevera i raggi dell'anelIo periferico colorandosi con i vari colori prescelti (Figura 14). Utilizzando filtri fotografici di gelatina oppure fogli di acetato di vari colori e ritagliandoli in modo opportuno suI modello delle combinazioni di colori proposte in Figura 15 ciascuno puo costruirsi i filtri che preferisce ; epero necessario fare alcune

Fig. 15. Esempi di combinazioni di forme e colori utilizzate nei filtri di Rheinberg

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•

Fig. 16. Esemplificazione delle colorazioni ottiche dei microcristalli che si possono ottenere utilizzando il metoda di Rheinberg

prove empiriche per selezionare i diametri del disco centrale che danno i migliori effetti poiche a seconda del tipo di obiettivo (lOx, 20x, 40X) essi possono variare da 14 a 17 mm di diametro ed attorno ai 20-22 mm per l'obiettivo da 4x. La Figura 16 riporta un esempio degli effetti che si possono ottenere.

•

Pier Carlo Braga Capi tolo 8. Come fotografare i microcristalli

Come fotografare i microcristalli

L

'

immagine fotografica eil sistema piu immediato e maggiormente efficace per il trasferimento di informazioni. La ricerca scientifica in genere e la microscopia in particolare, hanno tratto immensi vantaggi dalla possibi-

lita offerte dalla tecnica fotografica. Inizialmente la fotomicrografia estata un dominio esclusivo dei ricercatori scientifici rna, con la progressiva diffusione ed ottimizzazione di queste tecniche, si

e assistito

ad una ampia diffusione delle immagini fotomicrografiche anche a livello divulgativo. L'interesse destato da queste immagini nasce dal fatto che esse spesso mostrano aspetti insospettati del mondo e della natura che ci circonda. La ricerca di temi e soggetti inediti, e sempre piu originali, e un desiderio che sorge in ogni fotografo dilettante 0 professionista desideroso di esprimere in modi sempre diversi la propria creativita, II microscopio eil mezzo che risponde a questa desiderio e che trasforma il fotografo in un esploratore di un microcosmo ricco di affascinanti sorprese. La bellezza delle immagini che si possono osservare nei cristalli in luce polarizzata, in campo oscuro 0 con I'illuminazione di Rheinberg etale da suscitare istintivamente il desiderio di fotografarli. La tecnica di fotografare oggetti ingranditi dal microscopio

e detta correttamente

"fotomicrografia" ed ha seguito di pari passo la storia del-

l' evoluzione tecnica delle macchine fotografiche e dei vari materiali sensibili [23 -

e un termine entrato nell'uso comune per indicare Ie foto al microscopio, rna il suo significato letterale e quello di rendere molto piccole cioe

26]. "Microfotografia"

miniaturizzare Ie immagini fotografiche di oggetti relativamente grandi. Le finalita della fotomicrografia sono di tipo scientifico, rna Ie immagini al microscopio sono cOSI affascinanti che spesso I'aspetto estetico supera quello scientifico e ne aumenta l'interesse. Inizialmente, vennero utilizzati sistemi di proiezione ottica che permettevano di disegnare Ie immagini viste al microscopio. Con l'avvento della fotografia vennero usate camere a soffietto con messa a Fuoco su vetro smerigliato e pellicola in lastra; successivamente si poterono utilizzare apparecchi reflex con pellicole in rullo. In seguito,

•

MICRoCRISTALLI MACROEMOZIO I seguendo Ie migliorie della messa a Fuoco con pentaprisma e mirino a pozzetto ed i sistemi di esposizione automatica, si

e potuto semplificare una procedura tecnica

spesso complessa. La documentazione delle immagini raccolte dal microscopio

e sempre stata consi-

derata un aspetto altrettanto importante quanta la osservazione stessa e Ie ditte produttrici di microscopi hanno commercializzato una serie di adattatori per macchine fotografiche ed anche dei fotomicroscopi, cioe microscopi progettati appositamente per la ripresa fotografica

0

cinematografica [27-32].

Un apparecchio fotografico normale puo essere usato per la fotomicrografia, rna l'obiettivo deve essere tolto perche la messa a Fuoco avviene tramite il microscopio e per cimentarsi nella fotografia dei cristalli enecessario procurarsi un adattatore, cioe un tubo di raccordo a ten uta di luce, che connetta I'oculare del microscopio al sistema fotografico prescelto (macchina fotografica reflex, digitalica, cinepresa) cost da mantenere un preciso allineamento degli assi ottici (Figura 17). Attualmente con I'avvento delle macchine fotografiche digitali ed i sistemi di memo-

Macchina fotogra fica

t

I

rizzazione ed elaborazione delle immagini al computer

e possibile

anche per i neofiti ottenere

ottime immagini a colori, anche senza possedere competenze specifiche nel campo delle tecniche fotografiche, della gestione dei materiali sensibili e dei metodi di analisi microscopica. Nella Figura 18 sono riportati alcuni tra i molteplici sistemi fotomicrografici che evidenziano

l' evoluzione delle tecniche di ripresa. Le immagini dei microcristalli di questa libro sono state riprese utilizzando una testata microfotografia OP 72 della Olympus, con sensore CCO 2/3" a 12,8 megapixel raffreddato (Peltier), e ge-

stita mediante software dedicato.

E utile ricordare che, mentre una macchina reflex

L

Tubo portaocula re del microscopic

Fig. 17. Esempio di un adattatore che collega la macchina fotografica e il microscopio per poter fare totomicrografie [modificato da 311

0

digitale richiede per la connessione al mi-

croscopio un anello adattatore, i sistemi fotomicrografici prodotti dalle case costruttrici dei microscopi spesso richiedono un attacco passo C. Con l'avvento di Internet una enorme quantita di

•

Pier Carlo Braga Capitolo 8. Corne fotografarc i microcristalli

a da [32]; b plate 4 da [27]; c plat e 2 da [27]; d p. 216 da [29]

.

e p. 182 da [3D]; f p. 181 da [3D]; 9 da Leitz ; h da Olympus

i da Leitz; I-n da Olym pus Fig. 18. Varitipi di sistemi fotomicrografici utilizzati nel corso dell'evoluzione della tecnica fotomicrografica

informazioni libro

estata resa disponibile e per quanta riguarda gli argomenti di questa

e possibile

trovare su Internet molte informazioni, alcune poco interessanti,

rna altre molto esplicative ed utili. Alcune case costruttrici di microscopi hanno i loro siti con vari "tutorials", per si cui consiglia di esplorare i siti di Olympus, Nikon, Zeiss, Leitz, ecc. Altre informazioni si possono ottenere inserendo nei motori di ricerca Ie parole-chiave: microscope, microscopy, crystals, microcrystals,polarized light,

photomicrography, ecc. Ricchi di informazioni e di fotomicrografie sono anche questi siti: www.microscoy-uk.org.uk; www.micro.magnet.fsu.edu.; www. microscopyu.com; www.Imscope.com.

•

Pier Carlo Braga Indice anaIitico

Indice analitico

Ada ttatore 2 I Alcool isopropilico 6 Apparecchio fotografico 2 I - reOex 21 - d igitale 2 I Attacco passo C 2 I Ca mpooscuro 16, 17, 18, 20 - d iaframma per 16 Co ndensatore 9, 16,18 Crista llizzazio ne 1,6

- velocita 4 Cristallo 1,15,17 - m od ello trid imen sio nale 1 Crista llografia I Filt ro 13 - analizzatore 13 - po larizza tore 13 Fotografare cristalli 20,2 I Fotomicrografia 20 Illuminazio ne di Rheinberg 18,20 - fiItr i per 18, 19 - colo razione di 19 Lam ina compensatrice 15 Luce polarizzata 13 - colo razione 15 M icrocristalli 1, 4, 7, 10, 14, 2 I - accrescimento 3, 5 - p rod uzione 4

•

Microfotografia 20 Microscopia 7 - ottica 7 - e1ett ronica 7 - a forza ato mic a 7 Microscopio 1, 7, 8, 20, 2 1 - ingrand im ento 9, 10 - po lar izzatore 13, IS Motori di ricerca 22 Obiett ivo 8, 9 , I 0 Ocu lare 8, 9, 10 Onde elettrornagnetiche 13 Polaroid 13 Potere di risoluz ione 10 Raggi lu m in osi 18 Siti Internet 22 Solvente 5,6 Sostanze 6, 14 - b ir ifrangc n ti 14 - ch imic he 6 Stativo 8 Struttura crista llina I Tutorials 22 Vetr ino 5 - coprioggetto 6 - portaoggetto 5

MICROCRISTALLI MACROEMOZIO 'I

Indice delle figure

Acetilciste ina 10, 19 Acetoam inopiri na 24,35,49,107, lSI, 164 Acido bor ico 30 Acido di etilba rbi tu rico 27,95,109 Acido epsilon-arninocap roico 29,4 1,48, 104,1 23,1 41,1 44,1 68, Acido gam rna-aminobut irrico ISO, 179 Acido glutam mico 11, 44, 88 Acido idrocin nam ico 92, 128 Acido ippurico 2,3, 13, 18, 2 1, 42, 52, 65, 67,70,80,84, 9 !, 93, 97, 113, 114, 119, 126,1 38,1 46,1 52,1 53, ISS, 157, 159, 161,1 70,1 73,1 76,1 77,1 82,1 85 Acido malo n ico 66, 125, 192 Acido pa ran itrobenzo ico 165 Acido tar tar ico 1,20,22,37,50, 172, 189 Ami nop rop ilon 12,43, 100, 103, 181 Antipirina 4, 14,62, 117 Atropina 7,108,120,137 Bicloridrato di b ismetile 6 1,77, 169, 171 Bu flomedi I 15, 76, 102,1 05, 11 2,1 42, 156, 158,1 74, 180, 193, 194 Butiram ide 106,110,129,148,186

Cantabilin 94,99,134, 136 Clorato di potassio 32 Cloridra to di potassio 183 Clo ruro d'argen to 26,135 Clo ruro d i potassio 17, 47,1 01,1 21,1 31 Cloruro d i so d io 45,89 Din itrofeni lidrazina 83 Do th iepi n 64

Glicilglicina 69 Ibuprofen lisinato 57 Idrossich ino Jon e 23 Iel rossich ino ne 55, 122 Ielrossicobalamina cloridrato 9,34,87,90, 124,130,139,143, 154, 163, 175 Inositolo 40, 178 Istam ina 86

Meprobrarna to 79 Me ta prololo tart rate 96 inielri na 5,53,59,

u s, 116, 147, 190

Pefloxac in 33

Penta rnetilentetrazolo 6,39,68, 133, 166, 167,188 Potassio bro m ato III Potassio bromuro 31,60 Seaprose 36 Sodio ben zoato 8 1, 191 Sodio citrato + AgCI7 !, 72, 73, 74, 75 Sodio citrate 38,46,132,149 Solfato el i allu m ina 184 Solfato d i allu mi n io 8,54, 118

Teofillina 98 Urea 16, 56, 187 Vitamina B6 28 Vitamina C 5 1,63, 78, 82, 127, 162 Vitamina PP 25, 58,140,145,160

Feno tiaz ina+imecromone+ nit ro fur a ntoi na 85

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