Apresentação
O objetivo desse livro é fornecer os princípios físicos e operacionais dos métodos
mais comumente utilizados na caracterização microestrutural e química de materiais, que
utilizam a interação da radiação com a matéria. Ele foi confeccionado para suprir a
carência existente, em nível nacional, de livros que atendessem às necessidades de
estudantes, pesquisadores e profissionais da área de ciência e engenharia de materiais,
fornecendo assim uma conexão entre os materiais de engenharia e suas características
microestruturais, através da apresentação de um elenco de técnicas baseadas em
radiações eletromagnéticas, de elétrons, de prótons, de íons e de nêutrons.
Para um melhor aproveitamento do presente livro, um conhecimento das relações
entre propriedade, estrutura e processamento dos materiais se torna indispensável.
Somente a partir do conhecimento da estrutura dos materiais é que o pesquisador poderá
entender como se processa a interação da radiação com a matéria, fundamental para as
técnicas de caracterização aqui abordadas.
Para a confecção desse livro foi necessário a colaboração de uma equipe
multidisciplinar, formada por estudantes de Pós-graduação de diferentes áreas do
conhecimento como odontologia, biologia, ciência e engenharia dos materiais, química e
física, que forneceu detalhes de adaptações muitas vezes necessárias e próprias para
cada área.
Colaboradores
Juliana Carvalho Sá
Kleber José Barros Ribeiro
Marcio Willians Duarte Mendes
Marina de Oliveira Cardoso Macêdo
Michelle Cequeira Feitor
Nierlly Karinni de A. Maribondo Galvão
Roseane Aparecida de Brito
Thércio Henrique de Carvalho Costa
CAPÍTULO 1
FORMAÇÃO DE UM SÓLIDO A PARTIR DO VAPOR
1.1 - O ESTADO LIGADO
Se imaginarmos um conjunto de átomos livres começando a interagir, ou seja, quando eles
começam a interagir para formar moléculas, dependendo da configuração eletrônica, raio atômico e
da afinidade química entre eles, surgirão às diversas combinações que originarão os diferentes
materiais.
Inicialmente, tomemos dois átomos livres quaisquer. Aproximando-os, existirá uma força
atrativa originada pela nuvem eletrônica de um átomo com o núcleo do outro e também, uma força
repulsiva originada principalmente, pela interação dos dois núcleos, que evita o seu colapso. A
posição mais estável para os átomos é determinada considerando a variação da energia potencial de
um par de átomos em função de sua distância de separação. A força repulsiva aumenta para uma
energia potencial positiva (ER), a qual resulta do trabalho em juntar os átomos. Esta energia varia
com A/rn, enquanto a força atrativa dá um potencial negativo (EA) da forma B/rm, o qual tende a
zero quando os átomos estão muito distantes e aumenta negativamente quando eles se aproximam.
Energia
A curva da soma ET = A/rn – B/rm em função da distância interatômica é mostrada na figura 1.3.
0
ro
E2
E1
Estado não-ligado
r
Estado ligado
r1
r1
’
Figura 1.3 – Energias de ligação em função da separação interatômica de átomos isolados.
De acordo com a figura 1.3, percebe-se que existe uma distância de equilíbrio, ro, em torno
da qual os dois átomos oscilarão. Se for fornecido ao par de átomos uma energia igual a -E1, estes
vibrarão confinados entre as duas distância interatômicas r1 e r1’. Para uma energia -E2 os átomos
estarão na iminência de perder a ligação. Assim, fica possível prever algumas propriedades dos
materiais a partir do conhecimento da curva de energia dos pares atômicos formadores do sólido.
Em princípio, as propriedades mecânicas e físicas dos materiais são uma conseqüência direta de
sua força interatômica. Um poço de potencial profundo, por exemplo, significa que os átomos
precisam de uma alta energia para separar-se, ou seja, o sólido deve ter alto ponto de fusão, alta
resistência à ruptura e alta dureza. Um poço largo implica num sólido com alta elasticidade,
resistência a choque térmico, alta expansão térmica, baixa elasticidade, etc.
A forma dessas curvas de potencial depende do caráter das ligações, as quais são
governadas pelas afinidades químicas dos diversos átomos que participam da formação do sólido.
A tabela 1.3 mostra algumas propriedades mecânicas e físicas associadas às ligações
interatômicas e que norteiam as propriedades dos materiais. Embora nos materiais não se encontre
um caráter puro de ligações, um dos seguintes tipos é preponderante: (i) iônica, (ii) covalente, (iii)
metálica, (iv) molecular e (v) ponte de hidrogênio.
No caso da ligação iônica, os átomos ganham ou perdem elétrons, de forma a completar sua
camada externa. Como conseqüência, os átomos estão eletricamente carregados, atraindo portanto
átomos de cargas opostas. Para a ligação covalente, pares de átomos compartilham os elétrons
externos para completar a camada externa. Isto difere da ligação metálica porque nesta todos os
átomos compartilham os elétrons de valência. A ligação molecular (forças de Van der Waals) surge
do deslocamento de cargas em átomos ou moléculas eletricamente neutros, produzindo uma fraca
força atrativa entre eles. Finalmente, a ligação por ponte de hidrogênio, que é também uma ligação
fraca e intermediada pelo átomo de hidrogênio, surge porque o hidrogênio é um átomo pequeno e
sua carga é facilmente deslocada.
Tabela 1.3 – Relações entre ligações atômicas e propriedades mecânicas e físicas dos materiais.
TIPOS DE LIGAÇÕES
PROPRIEDADES
Da Ligação
Mecânicas
Térmicas
METÁLICA
VAN DER
IÔNICA
COVALENTE
Não
Direcional;
direcional;
estrutura de
estruturas de
baixa
alta
coordenação e
coordenação
baixa densidade
Resistentes,
Resistentes,
Cristais
Pouco resistente,
Cristais duros
Cristais duros
variáveis
cristais moles
Alto ponto de
Alto ponto de
Baixo ponto de
fusão, baixo
fusão, baixo
fusão, alto
coeficiente de
coeficiente de
expansão
expansão
expansão
térmica
térmica
térmica
WAALS
Não-direcional;
estrutura de alta
Análogo à
coordenação e
ligação metálica
alta densidade
Variável
coeficiente de
Isolante,
Elétrica
condutor por
Isolante nos
transporte
estados sólido e
iônico quando
líquido
Condutor
Isolante
líquido
Absorção e
outras
Óptica
propriedades
principalment
e dos íons
individuais
Alto índice de
refração e
diferentes
absorções em
sólidos e gases
Opaco, com
propriedades
semelhantes no
estado líquido
Propriedades de
moléculas
individuais
1.2 - A ESTRUTURA CRISTALINA
Entretanto, apenas a ligação química entre os átomos não serão suficientes para definir as
suas propriedades. Outros níveis microestruturais existem e que interferem entre si, dando muitas
vezes aos sólidos, propriedades não preditas pela simples análise da energia potencial. Mesmo
porque, normalmente, essa energia é idealizada. Um dos fatores que contribui para essa mudança
de propriedade é seu arranjo cristalino, ou seja, a forma como os átomos são arranjados nos
sólidos. Se a solidificação ocorrer num tempo suficientemente longo para garantir o equilíbrio, o
arranjo acontecerá de maneira periódica, que dependerá do seu raio atômico, afinidade química e
configuração eletrônica. Nesse caso os arranjos obedecerão a uma regularidade que poderá ser
descrita por elementos de simetria que definem os 14 sistemas cristalinos (redes de Bravais) como
ilustrados na figura 1.4. O tamanho e a forma de uma célula unitária (menor unidade que se repete
no cristal) podem ser descritos por três vetores, a, b e c, que definem os eixos cristalográficos,
figura 1.5. O módulo dos vetores consiste nos parâmetros da rede. A posição de qualquer ponto da
rede numa célula pode ser dada em termos de suas coordenadas. Se o vetor que liga a origem de
uma célula unitária até um dado ponto possui componentes ua, vb, wc, onde u, v, w são frações,
então as coordenadas desse ponto serão u, v, w.
Muitas vezes as propriedades de um material são dependentes de sua direção
cristalográfica. Isto pode ser conseguido com relativa facilidade se usarmos as coordenadas
descritas anteriormente. Contudo, por convenção, os valores de u, v, w serão convertidos sempre
no menor inteiro através de divisão ou multiplicação.
Figura 1.4 – Os sistemas cristalinos que definem o arranjo de todos os sólidos cristalinos.
Figura 1.5 – A célula unitária e os vetores que a descrevem (constantes de rede a, b e c e ,  e ).
Para descrever uma direção qualquer numa rede, tomam-se as suas coordenadas, converteas no menor inteiro e expressa por [uvw]. Por exemplo, se o vetor que define uma determinada
direção for ½ a + ½ b + c, suas coordenadas será ½, ½, 1 e sua direção será representada por [112].
Dependendo da forma geométrica que os sólidos se cristalizam, haverá planos
cristalográficos com maior densidade de átomos, densidade de elétrons ou afinidade química que
darão maior contribuição para as propriedades do sólido que as estruturas atômicas. Por exemplo, o
caso do grafite e do diamante. Apesar de terem em sua composição química um mesmo elemento,
o carbono, suas estruturas cristalinas diferentes originam propriedades completamente diferentes,
figura 1.6. No caso do diamante, figura. 1.6a, sua estrutura cristalina é covalente, ou seja, cada
átomo de C se liga covalentemente aos seus vizinhos, resultando em altos valores de dureza. Para o
caso do grafite, figura 1.6b, os átomos de carbono são arranjados em camadas de hexágonos
regulares, onde cada átomo se liga a outros três com ângulo de ligação de 1200 e uma ligação C-C
distante de 1,42 Å. As camadas são arranjadas paralelas uma às outras, de modo que a seqüência de
empilhamento seja ABAB..., com simetria hexagonal. De uma maneira macroscópica, a estrutura
pode ser representada como a de moléculas bidimensionais gigantes em cada camada ligadas por
forte força de Van der Waals, o que explica sua aplicação como lubrificante.
(a)
(b)
Figura 1.6 – Formas polimórficas do carbono. (a) Estrutura do diamante e (b) Estrutura do grafite.
1.3 - A ESTRUTURA DE DEFEITOS
A estrutura perfeitamente cristalina em sólidos é uma situação idealizada. Se imaginarmos a
formação de um sólido a partir dos seus átomos livres, compreenderemos que uma estrutura desta é
impossível. Discutimos anteriormente a energia de ligação entre dois átomos. Aprendemos que eles
vibram dentro de faixas de distâncias interatômicas permitidas e dependentes da energia dos
mesmos.
Imaginando um conjunto de átomos iniciando o seu estado ligado (passagem do líquido para
o sólido) como esferas se prendendo entre si por molas, aumentando sua ligação à medida que o
sistema aproxima-se do ponto de fusão, como ilustrado na figura 1.7. Teremos uma série de
possibilidades de ocorrer essas ligações.
Figura 1.7 – Modelo de solidificação a partir da fase líquida.
Uma dessas possibilidades é a existência de vacâncias, ou seja, sítios da rede vazios devido
a um desequilíbrio térmico local ou falta de sincronismo de vibrações. O número de sítios vazios
para um sólido que foi resfriado em condições de equilíbrio é dado por (eq. 1.1):
N v  N exp( 
(1.1)
Qv
)
kT
Onde N é o número total de sítios atômicos; Qv é a energia de ativação para formação de vacância;
k é a constante de Boltzman e T a temperatura em kelvin.
Chamamos de sítios intersticiais os espaços vazios existentes entre átomos, como mostrado
na figura 1.8.
Impureza intersticial
Átomos
substitucionais
Sítios
intersticiais
Impureza
substitucional
Defeito intersticial
Figura 1.8 – Tipos de defeitos pontuais encontradas em sólidos.
Quando átomos substitucionais são empurrados para ocuparem esses sítios, dizemos que o
defeito gerado é intersticial. Em metais, grandes distorções na rede são produzidas quando isso
acontece. Elementos químicos presentes de forma não uniforme no sólido são impurezas
consideradas como defeitos. Quando a impureza trata de um elemento com tamanho atômico muito
pequeno, como nitrogênio, hidrogênio, carbono e oxigênio, por exemplo, capaz de ser introduzido
nos sítios intersticiais sem gerar grandes deformações, dizemos que é uma impureza intersticial.
Quando os átomos são maiores dizemos que a impureza é substitucional.
Estes defeitos, ditos pontuais, tem grande influência sobre as propriedades dos materiais.
No caso de propriedades elétricas e eletrônicas, principalmente, onde pequenas concentrações
desses elementos podem provocar transformações do estado de condução elétrica.
Outra classe de defeitos são aqueles produzidos quando planos de átomos nos sólidos são
colocados a se movimentarem relativamente a outros. Quando isso acontece, as distâncias
interatômicas mudam, fazendo com que os planos movidos se liguem àqueles anteriormente
ligados. A linha que separa o plano superior do inferior é denominada discordância.
1.4 - ESTRUTURA DE GRÃOS – Materiais policristalino
Quando um material é solidificado, isto não ocorre simultaneamente em todo corpo. Algumas
partes heterogêneas como a superfície, as vizinhanças das paredes, etc, irão iniciar a nucleação. O
crescimento destes núcleos é competitivo. Quando o núcleo vizinho possui uma orientação
cristalográfica diferente dos demais vizinhos, o crescimento destes é dificultado e mais energia será
necessária para vencer esta barreira. Quando isto acontece, um contorno é formado entre estes
grãos de maneira a atender uma orientação cristalográfica correspondente à energia mínima. Os
átomos no contorno de grão estão sujeitos aos mesmos tipos de forças existentes no cristal.
Entretanto, muitos átomos nesses contornos estão localizados em posições extremamente
distorcidas e deformadas. Desta forma, sua energia é maior que no caso de átomos em posições
regulares. A energia interfacial de um contorno de grão é geralmente menor que aquela da
superfície livre de um sólido porque os átomos no contorno de grãos estão cercados em todos os
lados por átomos. O contorno de grão é uma interface onde dois cristais de diferentes estruturas se
juntam. A forma como o contorno de grão acomoda essas diferenças de orientação pode ser através
de arranjos simples ou complexos de discordâncias. No caso de um bom ajuste entre cristais, o
contorno pode ter uma largura de um diâmetro atômico. Para contornos menos coerentes este valor
pode chegar até três diâmetros atômicos. Na figura 2.2 está ilustrado este processo de acomodação
Modificar para pequenas células hexagonais se formando!!
(a)
(c)
(b)
(d)
Figura 1.9 – Etapas de crescimento de grãos a partir dos núcleos originais. (a) Surgem os primeiros
núcleos, com orientações diferentes. (b) Estes núcleos crescem e (c) entram no estágio competitivo
até formar os grãos, (d) podendo ser observados no microscópio óptico, através de ataque químico.
A maioria dos materiais de engenharia são policristalinos, consistindo de um agregado
tridimensional de grãos individuais. Se imaginarmos o agregado policristalino separado em seus
grãos individuais, podemos definir o tamanho de grão como a separação média de dois planos
tangentes paralelos que tocam as superfícies de um grão orientado randomicamente. Isto é
denominado diâmetro médio, Dc, e não é fácil de ser medido (figura 1.11 (a)).
(a)
(b)
(b)
(c)
L
Figura 1.10 – Definições de tamanho de grão. (a) Significado do diâmetro médio; (b) Diâmetro da
seção média em uma seção plana; (c) Comprimento interceptado médio em uma linha randômica.
CAPÍTULO 2
CLASSIFICAÇÃO DOS MATERIAIS
2.1 - INTRODUÇÃO
Materiais é um termo genérico utilizado para descrever uma matéria física que ocorre
naturalmente ou que é manufaturada para encontrar propriedades físicas e características
particulares. Ou seja, é a base a partir da qual todas as coisas são feitas, sejam elas utensílios
domésticos ou circuitos integrados sofisticados que direcionam tudo em nossa sociedade
tecnológica moderna. Eles são classificados de vários modos, entretanto as classificações mais
simples e completas são duas: a primeira baseia-se na natureza do material e a segunda em sua
aplicação, como ilustrado na tabela 1.1.
Tabela 2.1 – Classificação dos materiais baseada na natureza e aplicações (Bever, 1986).
NATUREZA
APLICAÇÕES
Cerâmicas
Materiais industriais
Vidros
Materiais elétricos
Metais e ligas
Materiais eletrônicos
Outros materiais inorgânicos
Materiais supercondutores
Polímeros
Materiais magnéticos
Elastômeros
Materiais nucleares
Fibras
Materiais para outras aplicações
Compósitos
energéticas
Madeira
Materiais ópticos
Papel
Materiais biomédicos
Outros materiais biológicos
Materiais dentários
Materiais de construção
A classificação pela aplicação é interessante sob o aspecto de seleção de materiais,
enquanto a classificação pela natureza é a desejável em pesquisa de materiais. Esta última
apresenta grupos que possuem microestruturas parecidas e, portanto, comportamentos físicos
semelhantes. Estas classificações possuem grande flexibilidade na acomodação de novos materiais
que venham a ser descobertos, não significando, porém, que outros itens não venham a ser
acrescentados.
2.2 MATERIAIS CERÂMICOS
Tradicionalmente, consideravam-se cerâmicas como sendo vidro, tijolo, argila da China e
porcelana, a maioria das quais constituídas de argila. Hoje, novas cerâmicas de alta tecnologia são
utilizadas em automóveis, aeronaves, componentes eletrônicos e para a exploração espacial. A
constituição destas cerâmicas é geralmente uma combinação entre um ou mais elementos metálicos
e um elemento não metálico (geralmente o oxigênio) e incluem compostos como óxidos, nitretos e
carbetos. Como resultado, os átomos num cristal cerâmico são ligados por uma combinação de
ligações iônicas e covalentes. A combinação de um átomo metálico com o oxigênio oferece uma
forte ligação iônica devido ao oxigênio, que possui duas vacâncias na camada externa,
necessitando de dois elétrons dos átomos vizinhos. A ionização associada com ambas as espécies
atômicas, uma negativamente carregada e outra positivamente, dá a este sistema uma forte
interação atrativa.
As propriedades características de uma cerâmica são alta dureza e resistência (em altas
temperaturas e ambientes extremamente agressivos), fragilidade, baixa condutividade térmica,
baixa condutividade elétrica e alta inércia química. As propriedades mecânicas e físicas são
controladas pela estrutura cristalina e composição química do material. As fraturas na cerâmica
normalmente estão relacionadas com um defeito microestrutural ou com uma combinação destes,
tais como poros, inclusões, vazios e distribuição irregular de tamanhos de grãos. Fraturas
mecânicas ocorrem a partir de falhas pré-existentes, quando altas tensões mecânicas que excedem a
resistência à tração local produzem trincas que se propagam até sua ruptura. Geralmente um defeito
é um ponto fraco para altas cargas mecânicas e/ou elétricas e ambientes agressivos.
2.3 VIDROS
Os vidros pertencem a uma classe de materiais que não se cristalizam quando resfriados a
partir do estado fundido e, portanto, não possuem periodicidade cristalina de longo alcance. Um
vidro de óxido puro consiste em uma rede tridimensional de átomos, onde cada átomo de oxigênio
é ligado a dois átomos metálicos. Eles possuem normalmente alto ponto de fusão, o qual
corresponde à temperatura em que os mesmos podem ser considerados líquidos (ver tabela 1.2).
Tabela 2.2 – Temperaturas características de vidros de acordo com a viscosidade.
TEMPERATURA
VISCOSIDADE
DEFINIÇÃO
(Pa.s)
Ponto de fusão
10
3
Considerado líquido
Ponto de trabalhabilidade
10
Facilmente deformado
Ponto de amolecimento
4x106
Manuseado sem causar alterações
dimensionais significativas
Ponto de recozimento
1012
Tensões residuais são removidas por
difusão
Ponto de deformação
3x1013
plástica
Abaixo desta temperatura, podem ocorrer
fraturas antes de iniciar a deformação
plástica
2.4 MATERIAIS METÁLICOS E LIGAS
Os materiais metálicos e suas ligas são produtos extraídos a partir de minerais que ocorrem
na natureza, geralmente combinações de elementos metálicos. Estes elementos, quando
combinados, comumente têm elétrons deslocalizados gerando, assim, tipos genéricos de
propriedades. Os metais têm boa resistência mecânica, apesar de maleáveis, e altas condutividades
elétrica e térmica. Tendem a apresentar um aspecto lustroso quando polidos, são relativamente
pesados, opacos e facilmente usinados e conformados mecanicamente. Todas essas propriedades
são conseqüências do tipo de ligação atômica, a ligação metálica, onde a perda de elétrons ocorre
com relativa facilidade. Possuem estrutura cúbica ou hexagonal compacta. Devido a essas
estruturas, eles possuem alta ductilidade pela sua alta resistência à tração e baixa resistência ao
cisalhamento.
A maioria das propriedades mecânicas é controlada pelos defeitos de rede, tais como
discordâncias e vacâncias. As propriedades mecânicas e químicas podem ser modificadas pela
adição de elementos de liga. As ligas podem ser homogêneas ou heterogêneas. Nas ligas
homogêneas, átomos de elementos diferentes estão distribuídos uniformemente. Exemplos incluem
latão, bronze e ligas de cunhagem. As ligas heterogêneas, como a solda estanho-chumbo e o
amálgama de mercúrio usado em restaurações dentárias, são constituídos de uma mistura de fases
cristalinas com composições diferentes.
2.5 MATERIAIS POLIMÉRICOS
Por definição, os polímeros são materiais compostos de moléculas de cadeias longas,
tipicamente 10 a 20 nm, que foram desenvolvidas como conseqüência da ligação de pequenas
unidades (monômeros) compostas principalmente por átomos de carbono e hidrogênio. As forças
entre moléculas poliméricas são fracas do tipo Van der Waals.
Os materiais poliméricos podem ser naturais ou sintéticos e possuem uma larga faixa de
propriedades físicas características, tais como resistência à ruptura, flexibilidade e coalescência.
Entretanto, a combinação de resistência à tração e flexibilidade é que torna estes materiais
atrativos. Se a cadeia molecular for empacotada lado a lado, as moléculas formarão um arranjo
com uma estrutura cristalina. Contudo, estes materiais possuem naturalmente uma microestrutura
complexa, compreendendo uma mistura de materiais cristalinos e amorfos.
Geralmente, se a estrutura cristalina predomina, o material é relativamente rígido com uma
maior resistência à tração e maior resistência térmica, quando comparado aos de maior proporção
de materiais amorfos. Isto ocorre porque as moléculas ficam próximas ao longo de distâncias
relativamente grandes, de modo que a contribuição da força intermolecular tem o efeito de produzir
um material mais rígido. A produção de uma estrutura cristalina é um dos dois métodos utilizados
para produzir polímeros mais resistentes e mais rígidos, tais como o polietileno e o nylon; outro
modo é através da formação de uma forte ligação covalente entre as cadeias moleculares por
ligação cruzada. Na figura 1.1 estão ilustradas as estruturas dos polímeros.
Figura 1.1 – Estruturas poliméricas. (a) Cadeias regulares ou cristalinas, (b) Cadeias ramificadas e
(c) Cadeias com ligações cruzadas.
2.6
COMPÓSITOS
De um modo geral, os compósitos são produzidos associando-se materiais que possuem
uma alta resistência mecânica (cerâmicas e vidros), com uma matriz de alta plasticidade, alta
aderência e propriedades elásticas e de fratura apropriadas (polímeros). Assim como os polímeros
sintéticos, eles são manufaturados para produzirem réplicas de materiais que ocorrem na natureza.
Por exemplo, a madeira é um compósito consistindo de celulose e lignina. As fibras de celulose
possuem uma alta resistência à tração e flexibilidade, enquanto a lignina fornece uma matriz que
liga essas fibras e aumenta a rigidez.
CAPÍTULO 3
INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO COM A MATÉRIA
Capítulo 3 – Interação da Radiação com a Matéria
21
3.1 INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO COM A MATÉRIA
Para caracterizar um material é necessário perturbá-lo de modo a receber informações do
mesmo. Para analisar uma superfície, por exemplo, podemos bombardeá-la com fótons de
comprimentos de onda na faixa do visível e, a própria radiação, alterá-la. Um exemplo típico de
danos causados por fótons é a resposta de um filme fotográfico. Para encontrar maior resolução
será necessário um equipamento que dê ampliação, por exemplo, o microscópio eletrônico de
varredura, onde fótons são substituídos por elétrons com energia entre 10 e 30 keV. Esses causam
mais danos que os fótons, uma vez que eles penetram distâncias maiores que os fótons. Vários
instrumentos analíticos modernos requerem alta resolução espacial e, simultaneamente, alta
sensibilidade para detecção dos elementos presentes no material. Isto poderá ser feito, por exemplo,
com bombardeamento da superfície com átomos ionizados de alta energia que, embora produzindo
muitos danos à superfície, é justificado pela informação microestrutural que o mesmo fornece.
De um modo geral, qualquer caracterização de material tem como objetivo obter o máximo
de informação com o mínimo de dano no material. Assim, em geral, exames iniciais de uma
superfície devem ser feitos usando feixes de baixa intensidade de fótons de baixa energia. Para
obter mais informações a energia deve ser aumentada, por exemplo, usando raios-X inicialmente e,
progressivamente, passando para elétrons e finalmente chegando a prótons. Obviamente que esta
ordem nem sempre acontece. Na técnica de espectroscopia de espalhamento iônico (ISS), os íons
refletem da superfície e não a perturbam tanto como no caso de fótons de alta energia ou elétrons.
Assim, é importante para o analista ter noção da ordem de grandeza de penetração, danos,
processos de perda, etc., que as radiações causam sobre o material.
3.2 PROCESSOS DE ESPALHAMENTO
Quando uma fonte de radiação interage com a amostra, o sinal espalhado é coletado e
processado de forma que ele possa ser interpretado qualitativamente e/ou quantitativamente. Então,
em microscopia, uma imagem bidimensional do espécime é obtida, enquanto em microanálise um
espectro é coletado, no qual a intensidade do sinal é mostrada em função de sua energia ou de seu
comprimento de onda. Em todos os métodos de caracterização discutidos aqui, duas formas de
interação (elástica e inelástica) entre a fonte de radiação e o espécime precisam ser consideradas,
como ilustra a figura 3.1.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 3 – Interação da Radiação com a Matéria
22
Espectro de Perda de Energia
(absorção de energia)
Espalhamento Inelástico
Sinais Secundários
(processos de excitação)
Figura 3.1 – Tipos de interação entre a fonte de radiação e a amostra. (MUDAR A FIGURA PARA
ONDA PEQUENA REFLETINDO (ESPALHAMENTO ELÁSTICO) E ONDA DE
COMPRIMENTO DIFERENTE (ESPALHAMENTO INELÁSTICO)
Inicialmente, serão discutidos os processos de espalhamento elásticos. Esse processo se
caracteriza pelo fato de que a radiação não perde energia após a interação. Fenômenos como
reflexão, refração e difração são resultantes de interação elástica. A difração de raios-X na
superfície de um sólido é um exemplo de espalhamento elástico. Também o contraste produzido
por difração de elétrons na microscopia eletrônica de transmissão, que está diretamente relacionada
à natureza das discordâncias presentes nos cristais (contornos de grão, defeitos e outras
características microestruturais) é outro exemplo de espalhamento elástico. Na microscopia óptica,
algumas características microestruturais podem ser reveladas porque elas diferem na capacidade
que elas têm de refletir o espectro de comprimentos de onda que compreende a luz visível utilizada
para iluminar o espécime. Ouro e cobre, por exemplo, absorvem em diferentes graus os
comprimentos de onda visíveis mais curtos (luz azul e verde) e refletem os comprimentos de onda
mais longos (vermelho e laranja). Superfícies planas refletem em ângulos diferentes de superfícies
curvas. Reflexão é um processo elástico, enquanto absorção é um processo inelástico.
Em microscopia eletrônica, os elétrons de alta energia geralmente interagem com a matéria
perdendo energia. Estas perdas de energia inelásticas são características dos níveis de energia
eletrônicos dos átomos que compreendem a amostra, e o espectro dessa perda pode ser analisado
para identificar a composição química da amostra que interagiu com o feixe de elétrons. Certas
perdas de energia são acompanhadas pela emissão de raios-X característicos. Estes raios-X também
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 3 – Interação da Radiação com a Matéria
23
podem ser analisados por energia dispersiva ou comprimento de onda de espectroscopia dispersiva,
para gerar informação altamente precisa sobre a distribuição dos elementos químicos na amostra.
Processos de espalhamento elástico são característicos de sistemas ópticos ou eletro-ópticos
que formam uma imagem no espaço real (ou seja, nas três dimensões nas quais nós vivemos). Mas
este tipo de espalhamento também é característico do fenômeno de difração, que é normalmente
analisado no espaço recíproco. No espaço real, estamos preocupados primariamente com o
tamanho e a forma das características observadas e as distâncias entre elas; já no espaço recíproco,
os ângulos através dos quais o sinal é espalhado pela amostra é que são significativos. Estes
ângulos estão inversamente relacionados ao tamanho ou separação das características responsáveis
pelos picos de intensidade característicos, observados no padrão de difração ou no espectro de
difração. Os sinais espalhados elasticamente que são gerados por imagem óptica e difração são
comparados na figura 3.2.
Processos de espalhamento inelástico dominam o contraste em sistemas de imagem
eletrônico de varredura (como no microscópio eletrônico de varredura – SEM). Também é possível
detectar o espectro de perda (a distribuição de energia no feixe original após este interagir com a
amostra), ou o sinal secundário (as partículas excitadas ou fótons gerados pelo feixe incidente
como resultado desta interação inelástica).
Grandes números de elétrons secundários também são emitidos quando um feixe de
elétrons energéticos atinge uma amostra sólida. A detecção deste sinal eletrônico secundário forma
a base de imagens de alta resolução de superfícies rugosas que são uma característica comum de
microscopia eletrônica de varredura.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 3 – Interação da Radiação com a Matéria
24
Objeto
Imagem
focada
Sistema
ótico
Radiação
incidente
Radiação
espalhada
Ângulo espalhado
Objeto
Radiação
de difração
Figura 3.2 – Representações esquemáticas de uma imagem óptica (a) e um padrão de difração (b).
3.3 PROFUNDIDADE DE PENETRAÇÃO
A profundidade ou livre caminho médio do feixe incidente determina a profundidade e
volume do material que pode ser analisado. Em muitos casos a sondagem é realizada por um tipo
de radiação, mas um segundo tipo é detectado. Geralmente a partícula ou radiação que possui o
menor livre caminho médio no material é o que determina o volume analisado. Quando um feixe
incide em um material, é importante que se saiba o que será emitido e como é a interação com o
material. Somente assim é que se pode fazer um bom uso do sinal emitido e ter um melhor
entendimento do material que está sendo examinado.
3.3.1 – Fótons
Os fótons são quantas discretos da radiação eletromagnética. Eles são identificados por um
comprimento de onda , energia E e freqüência , os quais estão relacionados pela equação (3.1):
E  h  h
Clodomiro Alves Júnior

c

(3.1)
Capítulo 3 – Interação da Radiação com a Matéria
25
Onde “h” é a constante de Planck e “c” é a velocidade da luz. O espectro eletromagnético varia, em
comprimento de onda, desde 106 m até 10-14 m. Se a radiação eletromagnética é utilizada para a
caracterização microestrutural dos materiais um fóton de comprimento de onda comparável ao
tamanho do objeto estudado será necessário. Isto significa que tanto comprimentos de onda
superiores a 10-4 m, como também comprimentos inferiores a 10-10 m, são inadequados em termos
de resolução espacial de microestruturas.
A profundidade de penetração de fótons varia consideravelmente com o tipo de material,
energia e comprimento de onda. Para fótons de alta energia como os raios-X, por exemplo, esta
profundidade possui uma menor variação com o material que fótons da luz visível. Além disso, é
mais fácil predizer. A profundidade de penetração varia com o comprimento de onda e com o
material e possui valores tipicamente iguais a alguns mícrons. O coeficiente de absorção, , que
aumenta com o número atômico, determina a profundidade de penetração. A intensidade da
radiação transmitida, I, através de uma camada de material de espessura t, é dada pela equação
(3.2):
I  I0 e t
(3.2)
Onde I0 é a intensidade do feixe incidente.
3.3.2 – Elétrons

A profundidade de penetração dos elétrons varia drasticamente com a energia do elétron e
com o número atômico do material que está sendo examinado. A figura 3.3 (a) reproduz o livre
caminho médio de elétrons em um aço inoxidável como função da energia do feixe incidente. O
livre caminho médio cresce em frações de mícrons, para energias em torno de 10 keV até 2 m em
30 keV. Na figura 3.3 (b), o livre caminho médio dos elétrons é apresentado em função do número
atômico para três valores de energia do feixe incidente, 10, 20 e 30 keV. Como observado, as
mudanças mais dramáticas ocorrem em elementos de baixo número atômico. Como na
caracterização microestrutural, o material normalmente é composto de elementos com diferentes
números atômicos. Por exemplo, a existência de precipitados como carbetos, nitretos, etc., com
baixo número atômico, numa matriz com alto número atômico, terá como resultado um contraste
na imagem produzida pelo feixe incidente.
Clodomiro Alves Júnior
26
Distância de penetração dos elétrons, r.(m)
Distância de penetração dos elétrons, r.(m)
Capítulo 3 – Interação da Radiação com a Matéria
Energia dos elétrons incidentes (KeV)
Número atômico (Z)
Figura 3.3 – Variação do livre caminho médio dos elétrons em materiais. (a) Para diferentes
energias do feixe incidente, em aço inoxidável. (b) Como função do número atômico dos materiais.
Até o momento foi considerado apenas a profundidade de penetração de elétrons de alta
energia, superiores a 10 keV. Contudo, muitas técnicas detectam elétrons em faixas de energias
muito baixas, como 0 a 2 keV, onde a influência do tipo de material sobre o livre caminho médio é
muito pequeno. Na figura 3.4 está mostrado este caso. A curva representa o livre caminho médio
em função da energia do elétron, para diferentes elementos químicos. Observa-se que a variação da
profundidade para diferentes elementos é muito pequena. Em uma primeira aproximação, o livre
caminho médio aumenta com a raiz quadrada da energia do elétron.
Quando elétrons de alta energia incidem sobre uma superfície, elétrons são espalhados à
medida que penetram no material, conforme ilustrado na figura 3.5. A resolução pode ser
influenciada pela dispersão dos elétrons em torno do feixe incidente. A figura 3.6 representa bem
esta situação. Ela mostra a intensidade dos elétrons secundários em função da distância do centro
do feixe, para comprimentos de onda de 5 nm e 50 nm incidindo sobre superfícies de alumínio e
ouro, respectivamente. A maioria dos elétrons vem da área do feixe incidente, mas uma fração
emana de áreas em torno do feixe incidente. Isso resulta de processos de perda (interações) no
material; elétrons secundários espalhados são detectados até uma distância de 2 m do centro do
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 3 – Interação da Radiação com a Matéria
27
feixe para o Al mas somente 0,2 m para o Au. Entretanto, a intensidade desses feixes é menor no
Al do que no Au. Em geral os elétrons secundários espalhados não devem degradar
significativamente a imagem, exceto onde a sua contribuição seja representativa na intensidade
total, como é o caso do Au em feixes incidentes de 50 nm.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 3 – Interação da Radiação com a Matéria
28
Monocamadas, 
Elementos
Energia, eV
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 3 – Interação da Radiação com a Matéria
29
Figura 3.4 – Dependência da profundidade de penetração com a energia do elétrons para elétrons
de baixa energia.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 3 – Interação da Radiação com a Matéria
30
Figura 3.5 – Diferentes mecanismos de espalhamento de elétron quando o feixe incide sobre a
superfície de um material
Feixe
Feixe
Distância. µm
Figura 3.6 – A função de distribuição de elétrons espalhados para bombardeamento por feixes de 5
e 50nm de diâmetro, em superfícies de ouro e de alumínio.
Esse é apenas um aspecto observado na figura 3.4. Além disso, um grande número de
elétrons é produzido com energias relativamente baixas como resultado do átomo sendo ionizado
pela remoção de elétrons da banda de valência. Também uma pequena fração de átomos é ionizada
pela ejeção de elétrons internos e estes átomos podem rearranjar-se de modo a ejetar outro fóton
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 3 – Interação da Radiação com a Matéria
31
(raios-X) ou elétrons Auger. Finalmente, um número de elétrons incidentes pode ser retroespalhado para a superfície da amostra sem perder uma quantidade significativa de energia. Os
elétrons Auger são geralmente confinados para energias na faixa de 0 a 2 keV e escapam da
superfície apenas se vierem das primeiras camadas atômicas. Os elétrons secundários também
possuem energias relativamente baixas e, embora sejam produzidos por quase todos os elétrons que
atravessam o volume subsuperficial, os que escapam estão restritos ao volume superficial e as
regiões em torno do feixe incidente. Os elétrons retro-espalhados possuem alta energia, livre
caminho médio grande e podem originar-se de uma maior profundidade do material. Finalmente,
os raios-X produzidos podem penetrar distâncias muito maiores que os elétrons e, potencialmente,
todos os raios-X produzidos podem atravessar para a superfície e escapar.
3.3.3 Nêutrons
Embora o nêutron possua em torno de mil vezes a massa de um elétron e,
conseqüentemente, deva ser tratado mais como partícula que como onda, ele ainda possui
características ondulatórias suficientes para ser difratado pelos materiais. Contudo, uma vez que ele
não possui carga elétrica, ele não é afetado pela nuvem de elétrons que revestem os átomos e, dessa
forma, interagirá apenas com o núcleo dos átomos. Como conseqüência, a profundidade de
penetração é muito maior que para elétrons ou mesmo para raios-X. A profundidade de penetração
depende da espécie atômica examinada, chegando a distâncias de vários milímetros, justificando o
seu uso para estudo da microestrutura no volume dos materiais.
3.3.4 Prótons
A interação de um feixe de prótons com um material possui muitas semelhanças com o de
elétrons, mas algumas diferenças existem. O próton, possuindo carga elétrica, é influenciado pelas
forças eletrostáticas no material. Devido a sua massa ser 1836 vezes maior que a do elétron, um
próton de alguns keV de energia possui um momento muito maior que o de elétrons com 50 keV,
por exemplo. O próton perde uma pequena fração de momento em cada colisão atômica e não é
desviado significativamente da direção do feixe incidente. Assim, os prótons atravessam distâncias
superiores às atravessadas pelos elétrons com energia equivalente. O poder de penetração (stopping
power) S é o termo que define a profundidade que os prótons penetram no material. Ele decresce
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 3 – Interação da Radiação com a Matéria
32
com a energia do próton e com o número atômico. Os prótons são freqüentemente utilizados para
excitar raios-X numa técnica conhecida como Particle Induced X-ray Emission (PIXE).
3.3.5 Íons/átomos
Quando íons penetram num material, ocorrem vários tipos de danos, assim é mais adequado
utilizarmos o termo “distância de amortecimento” que distância de penetração. É instrutivo
descrever o que acontece quando um átomo ou um íon penetra na superfície. Para energias de
poucos eV, um átomo é simplesmente refletido da superfície. Quando um íon primário de massa
M1 e energia E1 toca uma superfície de átomos com massa M2, ele pode ser refletido com uma
energia cinética E2, determinada pelas massas relativas dos átomos do feixe incidente e do alvo,
assim como o ângulo entre estes dois. A energia cinética é transferida para o átomo do alvo, mas o
átomo incidente não penetra na superfície. Para maiores energias, os átomos incidentes penetram
no material, causando ejeção de átomos, íons e clusters dessas espécies (sputtering), enquanto
átomos colidem em outra parte do material. Neste caso, o íon incidente colide com átomos
superficiais e não com o material em si. Este mecanismo dá origem a um processo de cascata onde
átomos colidem uns com os outros e átomos se movem para dentro e para fora. Alguns átomos ou
clusters de átomos podem ser ejetados no estado neutro ou ionizados, juntamente com alguns
elétrons. O íon original poderá ficar em repouso no material ou mesmo ser ejetado como parte do
processo de espalhamento. A distância ao longo da direção de incidência é definida como a
distância projetada Rp. Esta pode variar com o íon incidente e com o alvo, mas para íons com
energia entre 0,002 e 0,1 keV, Rp é dado pela equação (3.3):
2/3
Z 2 / 3  Z 2 / 3  
2
Rp  C1()M 2 1
E 
Z
Z

 

1 2
(3.3)
Onde M2 é a massa atômica do material, E a energia em keV, Z o número atômico e C 1() é obtido
experimentalmente. Para íons com energia entre 0,5 e 10 keV, Rp é dado por (3.4):

2/3
 Z 2 / 3  Z 2 / 3 1/ 2  

1
2 
E 
Rp  C1()M 2

 
Z
Z

1 2
 


Clodomiro Alves Júnior
(3.4)
CAPÍTULO 4
PRINCÍPIOS FÍSICOS DAS TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
34
4.1 PROCESSOS DE INTERAÇÃO E PRINCÍPIOS FÍSICOS DAS TÉCNICAS
Na seção anterior, foram enfocados os processos que descrevem como fótons, elétrons,
prótons, neutrons, átomos e íons penetram no material e os danos que os mesmos podem causar.
Essa informação é importante para se avaliar o volume do material que pode ser examinado, assim
como a técnica mais adequada para conciliação entre a definição e o dano superficial causado.
Nesta seção será discutido como é a interação dessas partículas com o material e qual o processo de
transferência de energia para o material investigado. É desses diferentes processos que surgem as
diferentes técnicas de caracterização microestrutural dos materiais.
4.1.1. – Fótons
4.1.1.1.
Comprimentos de ondas muito longos (  1 mm)
Uma molécula que possua um núcleo magnético ou um par de elétrons com spins
desemparelhados terá níveis de energia nuclear ou níveis eletrônicos que podem ser influenciados
por campos magnéticos. O campo magnético, B, coloca o elétron num novo estado quantizado
(1/2)(h/2) acima ou abaixo do nível original. A separação desses níveis de energia é 0B, onde
0 é o momento de dipolo magnético. Combinando um campo magnético com uma radiação
eletromagnética apropriada, transições entre os dois níveis de energia podem ser induzidas. Em
campos magnéticos, que podem ser aplicados rotineiramente aos materiais, é necessário usar rádio
freqüência para excitar os núcleos (NMR) e micro-ondas para excitar elétrons (electron spin
resonance – ESR e (electron paramagnetic resonance –EPR). Essas técnicas são utilizadas
extensivamente para estudar a cinética de reações em materiais orgânicos e acompanhar reações
catalíticas. A técnica de ressonância magnética nuclear (NMR) também é usada para determinar a
estrutura de materiais orgânicos e degradação da microestrutura de resinas, borrachas e outros
hidrocarbonetos sob certas condições.
4.1.1.1.1. Técnica de ressonância magnética nuclear (NMR)
A espectrometria de Ressonância Magnética Nuclear é uma técnica de grande importância
que permite identificar átomos dos elementos pelo spin de seu núcleo, assim como caracterizar as
vizinhanças destes núcleos, servindo para determinadas análises químicas. A espectrometria de
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
35
ressonância magnética nuclear é basicamente uma outra forma de espectrometria de absorção,
semelhante à espectrometria no infravermelho e no ultravioleta, só que baseada na absorção de
radiação eletromagnética na região de radiofreqüência de cerca de 4 a 900 MHz.
O fundamento desta técnica consite em criar, através de um imã gigante, um desnível entre
os spins nucleares da amostra para, em seguida, aumentar a energia de todos os spins usando uma
onda de rádio e, finalmente, observar como os spins retornam ao estado energético natural, criado
pelo campo magnético do imã.
Nesta técnica utiliza-se espectrômetro de NMR de alta resolução é um aparelho disponível
em muitos laboratórios e fabricado comercialmente. Os instrumentos comerciais são fornecidos
com imãs permanentes com campo aproximadamente 14.000 Gauss e produzem espectro de próton
a 60 MHz. Os eletroímãs permitem maior flexibilidade e o espectro pode ser obtido em várias
freqüências até 100 MHz (23.500 Gauss). O uso mais recente de ímãs supercondutores permite
freqüências de até 220 e 300 MHz, porém a instrumentação é de difícil manuseio e dispendiosa.
Estes espectrômetros permitem o exame dos núcleos
19
F, 11B, 13C, 2H, 15N e 31P nas combinações
apropriadas de freqüência e força do campo magnético
O espectrfotômetro de ressonância magnética é constituindo das seguintes partes:
1. Um forte ímã cujo campo homogêneo possa ser variado de forma contínua e precisa sobre uma
faixa relativamente estreita. Isto é obtido por meio de um gerador de varredura.
2. Um oscilador de radiofreqüência
3. Um receptor de radiofreqüência
4. Um registrador, calibrador e integrador
5. Um compartimento de amostra que permite seu posicionamento em relação ao campo
magnético principal, á espiral do transmissor e á espiral do receptor. O compartimento da amostra
permite mante-la em rotação de modo a aumentar a homogeneidade aparente do campo magnético.
Existem compartimentos de amostra com temperatura variável
Ao utilizar o equipamento é necessário selecionar uma freqüência e a força do campo
então campo magnético é varrido dentro de uma faixa de força de campo selecionada. O espectro
de próton é usualmente obtido a 60 ou a 100 MHz, sendo que a região usual de varredura alcança
1.000Hz a 60MHz ou 1.700 Hz a 100 MHz. O registro é apresentado como uma série de picos
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
36
cujas as áreas são proporcionais ao número de prótons que representam. As áreas dos picos são
medidas por um integrador eletrônico que traça uma linha em diversos níveis. A diferença entre os
níveis é proporcional à área dos picos. (Figura 4.1)
A amostra, um líquido ou solução em solvente adequado, é acondicionada em um tubo de
vidro de 5 mm de diâmetro externo. Usa-se habitualmente, cerca de 0,4 ml de um líquido puro ou
uma quantidade entre 10 e 50 mg de um líquido ou sólido dissolvido em 0,4 ml de um solvente. O
solvente ideal não deve conter prótons em sua estrutura, deve ter baixo ponto de ebulição, ser
barato, apolar e inerte.
Figura 4.1 - Imagem do equipamento de ressonância magnética nuclear e desenho
esquemático do mesmo.
Uma evolução importante na detecção de sinais fracos é a RMN com Transformadas de
Fourier(FT). Uma série de pulsos curtos de radiofreqüência são usados em vez de um sinal
contínuo de modo a cobrir a cada pulso toda a região de freqüência na qual o núcleo absorve
energia. Nessas condições, todos os núcleos capazes de absorver são excitados. Após a passagem
do pulso de energia os núcleos retornam ao estado fundamental através dos processos normais de
relaxação produzindo o sinal da Transformada de Fourier. O sinal de saída não se assemelha ao
sinal convencional da RMN. Os sinais de saída são armazenados em um computador e convertidos
em um espectro convencional RMN por um segundo computador. Pode-se obter desta forma
espectros de amostras de até 10 µg
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
37
No Brasil há uma sociedade científica que se dedica somente ao uso da RMN, a
Associação de Usuários de RMN - AUREMN (http://www.auremn. org.br) - e existem dois centros
que trabalham com ressonância magnética nuclear de proteínas em solução: o centro Nacional de
Ressonância Magnética Nuclear - CNRMN (http:// cnrmn.bioqmed.ufrj.br) e o Laboratório
Nacional de Luz Síncroton – LNLS (http://www.lnls.br).
4.1.1.2
- Comprimentos de ondas longos (1000 a 1m)
Os materiais iônicos são compostos de átomos interligados, onde a distância de separação
entre os íons é determinada por um balanço entre as interações atrativas de longo alcance dos íons
com carga +q e as interações repulsivas de curto alcance entre os caroços iônicos. Se for fornecida
energia suficiente, os átomos vibrarão e esse processo poderá ser visualizado imaginando os
átomos como esferas rígidas conectadas por molas. O caso mais simples a considerar é o de dois
átomos ligados e, aplicando-se a lei de Hooke para expansão elástica, a freqüência de vibração dos
dois átomos será dada por (4.1):
v
1
1  Fc 2
 
2c M 0 
(4.1)
Onde c é a velocidade da luz, Fc é a força constante atuando entre os átomos ligados e M0 a massa
reduzida do sistema.

Quando um material é iluminado, os comprimentos de onda que correspondem às
freqüências de vibração dos átomos são absorvidos. Essa aproximação simplista produz um ótimo
acordo entre a teoria e a prática, de modo que as freqüências de vibração para o átomo de
hidrogênio ligado a átomos de carbono são completamente preditas. A complexidade das
moléculas aumenta à medida que aumentam os seus modos de vibração. Uma molécula não linear
contendo “n” átomos possui “3n” graus de liberdade e (3n-6) modos de vibração, cada qual com
uma banda de freqüência característica. As vibrações na direção da ligação são conhecidas como
vibrações longitudinais ou de tração e as vibrações normais como vibrações de dobramento ou
deformação. Essas vibrações podem ser determinadas observando ou a transmissão ou a reflexão
de radiação no infravermelho. As técnicas de espectroscopia de infravermelho usam radiação com
comprimentos de onda entre 1000 a 1 m.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
38
4.1.2.1 - Espectroscopia de Absorção no Infravermelho
A espectroscopia no infravermelho é uma espectroscopia de absorção. Como as demais
técnicas espectroscópicas, ela pode ser usada para identificar um composto ou investigar a
composição de uma amostra.
O objetivo da espectroscopia de absorção no infravermelho (IV) é a determinação dos
grupos funcionais de um dado material. Cada grupo absorve em uma freqüência característica de
radiação na região do IV. Assim, um gráfico de intensidade de radiação versus freqüência, o
espectrograma de IV, permite caracterizar os grupos funcionais de um padrão ou de um material
desconhecido. A espectroscopia no infravermelho é largamente usada tanto na indústria quanto na
pesquisa científica, pois se trata de uma técnica rápida e confiável para medidas, controle da
qualidade e análises dinâmicas, fornecendo informações quantitativas e qualitativas.
Esta técnica de espectroscopia baseia-se na Lei de Hooke,(equação 4.1), tal lei pode ser
aplicada a frequência de vibração de dois átomos, que é a base da espectroscopia no infravermelho.
A espectroscopia no infravermelho se baseia no fato de que as ligações químicas das
substâncias possuem freqüências de vibração específicas, as quais correspondem a níveis de
energia da molécula (chamados nesse caso de níveis vibracionais). Tais freqüências dependem da
forma da superfície de energia potencial da molécula, da geometria molecular, das massas dos
átomos e eventualmente do acoplamento vibrônico.
Se a molécula receber luz com 'exatamente' a mesma energia de uma dessas vibrações,
então a luz será absorvida desde que sejam atendidos a determinadas condições. Para que uma
vibração apareça no espectro IV, a molécula precisa sofrer uma variação no seu momento dipolar
durante essa vibração. Em particular, na aproximação de Born-Oppenheimer e aproximações
harmônicas, isto é, quando o hamiltoniano molecular correspondente ao estado padrão eletrônico
pode ser aproximado por um oscilador harmônico quântico nas vizinhanças da geometria molecular
de equilíbrio, as freqüências vibracionais de ressonância são determinadas pelos modos normais
correspondentes à superfície de energia potencial do estado eletrônico padrão. Não obstante, as
freqüências de ressonância podem ser em uma primeira aproximação relacionadas ao comprimento
da ligação e às massas dos átomos em cada ponta dela. As ligações podem vibrar de seis modos:
estiramento simétrico, estiramento assimétrico, tesoura, rotação, wag e twist.
O instrumentro utilizado nessa técnica é denominado espectrofotômetro de infravemelho
(figura 4.2) e quando se deseja realizar uma análise deve-se primeiro realizar a preparação da
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
39
amostra. No caso das amotras líquidas estas devem podem ser prensadas entre duas placas de um
sal de alta pureza (como o cloreto de sódio). Essas placas têm de ser transparente à luz
infravermelha e, dessa forma, não introduzirem nenhuma linha no espectro da amostra. Essas
placas obviamente são bem solúveis em água, então a amostra, os reagentes de lavagem e o meio
precisam ser anídros (isto é, sem água).
A
C
B
D
Figura 4.2 – (A) Vista frontal do espectofotômetro de infravermelho (B) Porta amostra
(C) inserção do porta amostra no equipamento (D)Porta amostra ja inserido no equipamento no
local irá passar o feixe de luz.
As amostras sólidas normalmente são preparadas misturando-se uma certa quantidade da
amostra com um sal altamente purificado (geralmente brometo de potássio). Essa mistura é
triturada e prensada a fim de se formar uma pastilha pela qual a luz pode passar. Essa pastilha
precisa ser prensada a altas pressões a fim de garantir de que ela seja translúcida, mas isso não
pode ser alcançado sem um equipamento apropriado (como uma prensa hidráulica). Da mesma
forma que o cloreto de sódio, o brometo de potássio não absorve radiação infravermelha, então as
únicas linhas espectrais a aparecer virão do analito.
No momento da análise das amostras um raio monocromático de luz infravermelha é
produzido e dividido em dois raios separados. Um passa pela amostra, e o outro passa por uma
referância que é normalmente a substância na qual a amostra está dissolvida ou misturada. Ambos
os feixes são refletidos de volta ao detector, porém primeiro eles passam por um divisor que
rapidamente alterna qual dos dois raios entra no detector. Os dois sinais são comparados e então os
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
40
dados saõ coletados (Figura 4.3). Olhando para o gráfico de uma substância, um usuário experiente
pode identificar informações dessa substância nele.
Figura 4.3 - Esquema ótico do espectrofotômetro de infravermelho.
A técnica de espectroscopia por infravermelho também pode ser auxiliada pela
transformada de Fourier(FTIV) que nada mais é do que técnica de análise para colher o espectro
infravermelho mais rapidamente. Em vez de se coletar os dados variando-se a freqüência da luz
infravermelha monocromática, a luz IV (com todos os comprimentos de onda da faixa usada) é
guiada através de um interferômetro. Depois de passar pele amostra o sinal medido é o
interferograma. Realizando-se uma transformada de Fourier no sinal resulta-seem um espectro
idêntico ao da espectroscopia IV convencional (dispersiva).
Os espectrofotômetros FTIV são mais baratos do que os convencionais porque é mais
simples construir um interferômetro do que um monocromador. Em adição, a medida de um único
espectro é bem mais rápida nessa técnica porque as informações de todas as freqüências são
colhidas simultaneamente. Isso permite que se façam múltiplas leituras de uma mesma amostra e se
tire a média delas, aumentando assim a sensibilidade da análise. Devido às suas várias vantagens,
virtualmente todos os espectrofotômetros de infravermelho modernos são de FTIV.
Uma das aplicações mais importantes da espectroscopia na região do infravermelho é a
identificação de grupos funcionais característicos. Podendo ser usada, por exemplo, no controle de
qualidade dos medicamentos, na modificação química de materiais, nas propriedades de solos
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
41
florestais e na caracterização de materiais, sendo também utilizado para se obter uma composição
específica de um determinado produto.
4.1.1.3
- Comprimentos de ondas intermediários (luz visível e ultravioleta)
À medida que o comprimento de onda da radiação diminui, aumenta a probabilidade de
excitar um átomo, ou seja, retirar um elétron do seu estado fundamental e enviá-lo para um estado
de maior energia. A energia de ligação dos elétrons nos átomos é específica para um elemento
particular. Assim, conhecendo-se a diferença entre dois níveis eletrônicos, através da medição da
linha de absorção é possível identificar o tipo de átomo.
Quando um feixe de luz branca passa através de um gás ou de sólido, uma série de raias de
diferentes comprimentos de onda, correspondente às energias de ligação eletrônica dos átomos,
ocorrerá. Medindo o comprimento de onda da banda de absorção, o tipo de átomo poderá ser
identificado. Os átomos que foram excitados poderão, subseqüentemente, terem seus elétrons
decaídos para o estado fundamental, emitindo luz. O decaimento poderá ser uma transição direta ou
uma série de transições. Na prática, radiação visível e ultra-violeta são usadas para estudar os
níveis de energia dos elétrons da camada externa e os níveis vibracionais entre os átomos, porque
esse tipo de radiação não é suficiente para excitar elétrons mais internos da maioria dos elementos.
Quando a luz possui um comprimento de onda que não é suficiente para excitar os atomos
da superfcie do material, alguns fenômenos fisicos importantes podem acontecer nessa interação, a
saber: reflexão, interferência e polarização.
Reflexão - A lei fundamental sobre a reflexão afirma que os ângulos de incidência e
reflexão medidos a partir de uma normal à superfície refletora são iguais e situam-se no mesmo
plano (ou seja são coplanares) denominado plano de incidência. Admitindo-se um meio como
sendo isotrópico e aplicando-se o Princípio de Huygens, pode-se determinar a frente de onda dos
raios refletidos, traçando-se uma linha tangente às superfícies de onda dos raios de luz incidentes.
Desta forma, os raios de luz refletidos serão perpendiculares à frente de onda.
Interferência - representa a superposição de duas ou mais ondas num mesmo ponto. Esta
superposição pode ter um caráter de aniquilação, quando as fases não são as mesmas (interferência
destrutiva) ou pode ter um caráter de reforço quando as fases combinam (interferência construtiva).
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
42
Polarização - é um fenômeno que acontece somente com as ondas transversais. Consiste na
seleção de um plano de vibração frente aos outros por um objeto, ou seja, se incidir ondas com
todos os planos de vibração num certo objeto, este acaba deixando passar apenas aquelas
perturbações que ocorrem num determinado plano. Existem na natureza processos que permitem
separar determinados planos de vibração do feixe de ondas não polarizadas. Isto é conseguido com
um dispositivo denominado POLARIZADOR, que só deixa passar as componentes paralelas ao seu
eixo óptico dos planos de vibração das ondas incidentes.
4.1.1.4
Microscopia Óptica
Os fenômenos ópticos anteriormente descritos são utilizados tanto na observação a olho nu,
como também através de um microscópio óptico. A figura 4.4 representa um microscópio óptico
com uma ilustração esquemática do caminho óptico efetuado por luz refletida e por luz transmitida.
No modo de luz refletida, a luz cuja fonte situa-se na parte superior direita, percorre um banco de
lentes até encontrar um espelho semi-transparente. Este espelho reflete uma parte da luz para a
amostra e outra parte deixa passar para a ocular. Quando a luz atinge a amostra é refletida e vai
para a ocular onde a imagem formada é observada pelo operador. Na parte intermediária entre a
ocular e a amostra estão as objetivas, responsáveis pela ampliação da imagem.
Figura 4.4 – Microscópio óptico com ilustração esquemática do percurso óptico para os modos de
luz refletida e transmitida.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
43
Observe que existe um tambor com várias objetivas, onde cada uma possui um aumento
diferente. Girando o tambor teremos os diferentes aumentos de imagens, cujos focos podem ser
ajustados através de um giro do botão de focalização, o qual aproxima ou afasta a distância entre
objetiva e a platina (mesa onde é apoiada a amostra). A imagem por luz transmitida segue a mesma
linha de raciocínio do caso anterior, com a diferença que a fonte de luz encontra-se na parte inferior
direita do microscópio. A luz, após incidir sobre a amostra, terá uma trajetória que obedecerá a lei
da reflexão, conforme ilustrado na figura 4.5.
Figura 4.5 – Luz refletida após incidência numa amostra com contraste topográfico na superfície.
Se a superfície possuir contraste topográfico, ou seja, existir planos, vales e depressões, a
luz terá diferentes ângulos de reflexão, que resultarão em diferentes valores de intensidade de
brilho dirigidos para a ocular. Nos grãos, como os contornos consistem de depressões estes
aparecerão escuros contrastando com os grãos que aparecerão claros. Esses contrastes topográficos
foram obtidos com auxílio de ataques ácidos, os quais serão mais detalhados no capítulo de
preparação de amostras. Outras regiões serão também diferentemente atacadas como é o caso dos
precipitados e grãos com orientações cristalográficas diferentes. A figura 4.6 ilustra alguns
exemplos de contrastes topográficos que ficam realçados quando observados ao microscópio.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
(a)
44
(b)
Figura 4.6 – Micrografia de uma camada nitretada de uma liga Fe-5% Cr. (a) Amostra muito
atacada, dificultando a visualização de detalhes nos grãos. (b) Ataque ideal, mostrando precipitados
nos grãos.
Contrastes Ópticos
4.2
Estes contrastes são realizados sem necessidade de modificação da
superfície preparada. Eles utilizam efeitos de interferência, polarização e reflexão da
luz.
a) Contraste por Iluminação de Campo Escuro
Este contraste existe quando a luz incide obliquamente na amostra. A figura 4.7 mostra um
sistema óptico com uma configuração que atende esta necessidade. Observe que o feixe de luz após
sair da fonte (9) é bloqueado por um dispositivo chamado de interruptor de campo escuro (5),
deixando somente uma fenda radialmente periférica para continuar sua trajetória. Esta abertura
periférica é denominada de abertura de campo (6). A luz, após ser refletida no espelho semitransparente, sofre nova reflexão no espelho (3), fazendo uma incidência oblíqua na superfície da
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
45
amostra. Esta incidência oblíqua realçará apenas regiões não planas como fendas, poros, inclusões,
etc.
Figura 4.7 – Sistema óptico usado na iluminação de campo escuro. (1) amostra; (2) objetiva; (3)
refletor; (4) plano óptico; (5) interruptor de campo escuro; (6) diafragma de campo; (7) diafragma
de abertura; (8) condensador; (9) iluminador.
b) Contraste por Iluminação com Luz Polarizada
Indicado para observação de cristais anisotrópicos. Elementos com estruturas oticamente
anisotrópicas evidenciam suas características de cor quando observados por este método. Quando
um feixe de luz plano polarizado incide sobre uma superfície de uma amostra policristalina, cujas
estruturas cristalinas nos diferentes grãos são anisotrópicas, ela será refletida diferentemente.
Alguns grãos refletirão luz de certo comprimento de onda com maior intensidade que outros. A
figura 4.8 ilustra melhor esta situação. Suponhamos que a luz de uma determinada freqüência
incide sobre uma superfície cuja estrutura cristalina polariza a mesma na direção indicada. Se
analisarmos a luz transmitida ou refletida dessa amostra, utilizando um outro cristal polarizador,
veremos que os grãos respondem com intensidades diferentes para cada direção de polarização que
estiver o cristal. As figuras 4.9 e 4.10 ilustram esta situação final. A figura 35 consiste num
substrato de aço inoxidável (parte inferior) com uma camada nitretada (parte superior). Sobre esta
amostra foi realizado um ataque químico e o que realmente está se observando é o filme decorrente
da reação do reagente com a amostra. Observa-se que o filme depositado sobre a camada não
possui propriedades anisotrópicas como àquele depositado sobre a matriz. Nesta última, embora os
grãos possuam uma mesma fase microestrutural (fase austenítica), aparecem com cores diferentes
devido a mudança de orientação cristalográfica.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
46
Filtro
Luz
polarizada
transmitida
Luz incidente
aleatoriamente
polarizada
Figura 4.8 – Esquema da polarização da luz ao passar por um cristal polarizador.
Figura 4.9 – Amostra de aço SAE 316 nitretada ionicamente, atacada quimicamente e observada
opticamente com luz polarizada.
Figura 4.10 – Polímeros cristalinos visualizados por transmissão de luz polarizada, revelando
detalhes relativos ao processo de cristalização.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
47
c) Contraste por Interferência de Fase
Este processo é indicado para observação de detalhes como maclas, contornos de grãos e
fenômenos de precipitação. Ele se baseia no realce de imagens que sofreram interferências devido
a diferenças topográficas. Quando um feixe luminoso incide sobre uma superfície com depressão
ou relevo, haverá uma diferença de fase 4d/ entre o sinal vindo de um ponto e outro a uma
profundidade d, onde  é o comprimento de onda da luz refletida. O sistema óptico utilizado para
fazer o contraste de fase em microscópio de luz refletida é ilustrado esquematicamente na figura
4.11.
Observe que a luz ao atravessar a lente condensadora é bloqueada pela parte central do anel
1, passando pela lente e finalmente refletindo no espelho. Dois raios de feixes que chegam na
amostra em pontos diferentes, refletirão com trajetórias que podem ser diferentes. Uma delas passa
pelo anel de fase na parte com maior espessura e o outro na parte de menor espessura. Deste modo
haverá um atraso de um em relação ao outro que dependerá da diferença de espessura dessas
partes. O que normalmente se adota é uma diferença de espessura de 1/4 do comprimento de onda.
Outra forma de se obter um sistema de interferência de fases é ilustrada na figura 4.12. Esse
sistema emprega duas lentes objetivas iguais para que não sejam introduzidas diferenças de
caminho no sistema óptico. Controlando-se a posição e inclinação da superfície de referência,
ajusta-se a separação e orientação das franjas de interferência.
Outra técnica muito utilizada em microscopia de contraste de fase é a de interferência de
fase. Ela foi descrita por Normarski e Weill. Esta técnica permite revelar e identificar imperfeições
ou irregularidades na superfície de amostras metalúrgicas ou cristalográficas, invisíveis em
microscopia diferencial.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
48
8
3
4
2
7
1
5
9
Figura 4.11 – Ilustração esquemática do sistema de contraste de fase do microscópio óptico de
reflexão. 1- anel; 2-lente; 3-anel de fase; 4-fonte luminosa; 5-condensador; 6-diafragma; 7objetiva; 8-ocular; 9-amostra.
ocular
espelho separador
fonte
superfície de
referência
objetivas
gêmeas
amostra
Figura 4.12 – Esquema do sistema óptico utilizado em um microinterferômetro Linnik.
4.1.3.2 - Microscopia de Fluorescência
Microscópio de fluorescência
O microscópio de fluorescência é um microscópio de luz incidente (epi-iluminação), como
o microscópio de reflexão. O feixe luminoso tem, no entanto, um comprimento de onda apropriado
(habitualmente na região azul ou ultravioleta) para excitar substâncias fluorescentes (fluorocromos)
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
49
que se encontram na amostra. Estas substâncias podem fazer parte da composição natural da
amostra ou ser introduzidas pelo processamento técnico como corantes. A luz emitida pelos
fluorocromos excitados pelo feixe luminoso, entra na objetiva para formar a imagem.
Mecanismo da fluorescência
A fluorescência data de 1904, com Kohler, e foi usada mais freqüentemente com Coons que
introduziu a técnica dos anticorpos fluorescentes em 1941. A fluorescência é um fenômeno óptico
no qual a luz é absorvida por uma substância chamada fluoróforo e quase instantaneamente reemitida com luz em um λ maior. Como resultado da absorção da luz, as moléculas de fluoróforo
tornam-se excitadas, quer dizer, absorvem a energia da luz e o seu estado eletrônico é mudado para
um estado excitado no qual a energia de cada molécula é maior do que o seu estado normal. A
energia excedente é dissipada em calor, emitida em fluorescência, ou usada numa reação
fotoquímica. No primeiro caso, a luz é meramente absorvida sem fluorescência. No segundo, a
fluorescência ocorre. No terceiro, a reação fotoquímica induzida pela luz se apagará. Esta técnica é
utilizada quando se pretende detectar substâncias em concentrações mínimas e para observações
posteriores a tratamentos químicos. Quando surgem mudanças de excitação ou emissão do espectro
de substâncias fluorescentes devido à sua união ao substrato, também pode-se obter informações a
respeito da conformação das moléculas do substrato.
Quando certas substâncias como o vidro, gotas de gordura e diversos corantes são expostos
às radiações UV, modificam o comprimento de onda destas radiações e tornam-se luminosas, isto
é, são fluorescentes. Se tratarmos tecidos, células, bactérias com um corante fluorescente e as
examinarmos ao microscópio com luz UV, elas tornam-se luminosas e aparecem como corpos
brilhantes num fundo escuro. A microscopia de fluorescência é, provavelmente, a mais versátil e
poderosa técnica para localizar proteínas dentro da célula pela microscopia de luz.
O microscópio de fluorescência utiliza um sistema óptico que interage pouco com a luz.
Utiliza-se uma luz de mercúrio de alta pressão, cujos picos variam entre 312 e 579 nm. Nessa
microscopia também há filtros especiais chamados de filtros de excitação e filtros de barragem. Os
filtros de excitação localizam-se logo após a saída de luz antes do condensador, selecionando o
comprimento de onda desejado. Os filtros de barragem localizam-se entre a objetiva e a ocular,
após o objeto, deixando passar somente a luz fluorescente. O material, então, fluoresce contra um
fundo escuro, figura 4.13.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
50
Figura 4.13 – Modelo esquemático do microscópio de fluorescência.
As técnicas de fluorescência podem ser aplicadas a todas as espécies de material biológico.
O microscópio de fluorescência tem grande sensibilidade tornando possível detectar pequenas
quantidades de substância ou partículas de tamanhos abaixo da resolução do microscópio de luz.
Podem ser visualizadas as mesmas preparações que no MO de luz e tem a vantagem de observar os
corantes que absorvem na região do UV fluorescendo no visível. Na figura 4.14 pode-se observar
uma imagem obtida através da microscopia de fluorescência.
Figura 4.14 - Imagem de células musculares da aorta de ratos obtidas através de um microscópio de
fluorescência.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
51
Na tabela 4.1, pode-se ver os tipos de fluorescência e os materiais a observar no
microscópio de fluorescência.
Tabela 4.1 - Tipos de fluorescência do material biológico.
Tipos de fluorescência
Locais e Técnicas
Fluorescência natural de substância(s) no tecido
Autofluorescência
Drogas fluorescentes
Fluorescência induzida
Substância no tecido convertida a fluoróforo
A.Técnica de coloração simples sem pré tratamento
Fluorescência do corante
Químico
B. Reação química seguida de coloração. Ex. Feulgen
Imunofluorescência
Fluorescência produzida
Enzimaticamente
Fluorocromia indireta
Método Fluorescente
Autofluorescência
A autofluorescência é predominante nos tecidos vegetais. Nos tecidos animais, podemos
encontrá-la nas fibras do tecido conjuntivo (colágeno e elastina) e nas lipofucsinas. No interior
celular, a maior parte da autofluorescência é devido à presença do NADH unido a uma
dehidrogenase mitocondrial. Todas as proteínas fluorescem quando são excitadas a 250-280 nm
(UV), devido à presença do triptofano, tirosina e fenilalanina. As gotas lipídicas também podem ser
observadas no microscópio de fluorescência.
Fluorescência induzida
Algumas substâncias podem ser convertidas a fluorescentes por tratamento químico. Ex: o
formol reage com as ariletilaminas por reações de condensação levando à formação de
isoquinolinas e outros compostos fluorescentes.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
52
Fluorocromia
Os corantes fluorescentes são conhecidos por fluorocromos em contraste com os que são
visualizados no microscópio de luz que são chamados diacromos. Muitos corantes podem ser
usados como diacromos e fluorcromos: Vermelho Congo, Vermelho neutro, Eosina e Fucsina
Básica. A maioria dos corantes amarelos, laranja, e vermelhos são de fato, fluorescentes sendo que
o laranja de acridina e a quinacrina, estão entre eles. A coloração do DNA com fluorocromos é
importante, principalmente, devido aos estudos fluorimétricos. Primeiro, foi usada para o estudo da
conformação do DNA, mas agora é utilizada para a quantificação do conteúdo em DNA. Usam-se
Laranja de Acridina, reação de Feulgen, Brometo de etídio, etc.
Fluorescência Metacromática
Alguns fluorocromos são metacromáticos, isto é, fluorescem com mais de uma cor. Com os
fluorocromos metacromáticos, assim como os diacromos, a mudança da ortocromasia para
metacromasia envolve um aumento no pico de excitação (absorção) em direção a curtos
comprimentos de onda, e um decréscimo na absorção máxima. Adicionalmente, existe um
correspondente aumento do espectro de emissão em direção a grandes λ. Resumindo, a cor emitida
pela fluorescência muda para uma de λ maior, e o brilho da fluorescência diminui. A fluorescência
metacromática é devido à formação de dímeros e polímeros como resultado de uma agregação das
moléculas do corante. Dos corantes fluorescentes metacromáticos, o mais conhecido é a Laranja de
Acridina, verde na sua forma ortocromática, cora o DNA, e vermelho na forma metacromática,
cora o RNA, DNA desnaturado e polissacáridos.
Imunofluorescência
Certos corantes fluorescentes podem utilizar-se para marcar os anticorpos do soro. Eles são
adicionados às gamaglobulinas à custa de determinados radicais e tornam fluorescente o conjugado
resultante.
Fluorescência produzida enzimaticamente
A atividade enzimática nas células (vivas ou fixadas) pode ser estudada em sistemas onde a
enzima produz uma mudança de fluorescência pela ação num substrato ou co-enzima.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
53
4.1.3.3 - Microscopia Confocal de Fluorescência
Essa técnica microscópica levou à grande avanço na pesquisa de organismos vivos,
tornando possível a visualização, de forma não evasiva, de cultivos celulares além de medir
fenômenos biológicos em tempo e espaços reais, com um aumento que até então não tinha sido
alcançado por um microscópio de luz convencional. A técnica de microscopia confocal tem sido
amplamente usada no ramo da biologia, farmacologia, fisiologia, ciências de materiais e outras.
A combinação da técnica confocal com a técnica de fluorescência deu origem ao
“microscópio confocal de fluorescência a laser”. No entanto, a técnica fluorescente aplicada aos
microscópios confocais é muito mais sofisticada que as empregadas no microscópio fluorescente
convencional, embora cumpra com os mesmos requerimentos fundamentais: condições de
iluminação especialmente adequadas às condições desejadas; a óptica com melhor correção de
erros disponíveis; alta sensibilidade de detecção para os baixos níveis de iluminação dados pela a
amostra.
Principio de funcionamento
A técnica de microscopia confocal por fluorescência a laser, utiliza uma combinação de
recursos de microscopia óptica aliadas a princípios de mecânica quântica, físico-química e
computação para a aquisição e processamento de imagens.
O princípio básico de um microscópio confocal de fluorescência a laser é ilustrado na figura
4.15.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
54
Figura 4.15 - Modelo esquemático do microscópio confocal de fluorescência a laser.
Esse sistema utiliza uma fonte de laser para promover a excitação dos fluoróforos. Nesta
configuração todas as estruturas que estão fora de foco são suprimidas na formação da imagem.
Isso é obtido por um arranjo de diafragmas (pinholes) localizados em pontos conjugados do
caminho ótico, que agem como fonte de luz pontual e detector pontual. Os raios de luz que estão
fora de foco são eliminados pelo pinhole de detecção. Para obter uma imagem completa, o ponto de
luz ilumina a amostra num movimento de varredura, controlado por espelhos defletores. A luz
emitida ou refletida pela amostra que passa pelo pinhole de detecção é transformada em sinais
elétricos por uma fotomultiplicadora e mostrada no monitor do computador. Alterando passo-apasso o plano de foco, obtém-se uma pilha de imagens que pode ser reconstruída eletronicamente,
formando uma imagem 3D.
As principais vantagens da microscopia confocal em relação à microscopia de luz
convencional estão no fato deste apresentar imagens multidimensionais, seccionamento óptico,
melhor contraste e melhor resolução.
Nas figuras 4.16 e 4.17 são representados dois exemplos do uso da microcopia confocal,
para duas finalidades diferentes. Na figura 4.16 a técnica está sendo usada com a finalidade de
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
55
gerar imagens que permitam o estudo tridimensionais de larvas. Na figura 4.17 a microscopia
confocal está sendo aplicação no acompanhamento celular em tempo real.
Figura 4.16 – Vista ventral da larva de Clypeaster subdepressus sob microscopia confocal.
Depois da captura da seqüência de imagens (no eixo z) no confocal, a informação de
profundidade foi codificada em cores de modo que estruturas que têm a mesma cor estão no
mesmo plano focal. Em seguida foi feita a projeção que junta todos os planos focais numa única
foto. A seqüência de imagens foi tirada por A.S. de Souza no Instituto Butantan
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
Glu 10
5 min após Glu
30 min após Glu
60 min após Glu
AIDA
Vehicle
Vehicle
Inicial
56
Figura 4.17 – Diferenciação do comportamento dos cultivos segundo a idade das células: Resposta
Ca 2+ em cultivos jovens e velhos de neurônios do hipocampo. (Attucci S. et al. -2002)
Quando a luz incide num material, certas freqüências são absorvidas, colocando as
moléculas num estado excitado. Quando as moléculas decaem, estas mesmas freqüências podem
ser re-emitidas numa direção aleatória e não necessariamente na direção do feixe incidente. Isso é
conhecido por espalhamento de Raleigh. Assim, o material iluminado poderá conter níveis de
energia superiores e inferiores aos níveis dos estados inicialmente excitados. Essas linhas de
menores freqüências são conhecidas como linhas de Stokes e linhas anti-Stokes para àquelas com
maior freqüência. Esse efeito combinado de emissão da freqüência incidente juntamente com as
linhas de Stokes e anti-Stokes denomima-se efeito Raman. Lasers são normalmente usados como
fonte e a técnica é conhecida como LRS – Laser Raman Spectroscopy.
4.1.3.4 - Espectroscopia de absorção no ultravioleta (UV-Visível)
Outra técnica que também usa comprimentos de onda intermediários é a espectroscopia no
ultravioleta visível (UV-visível). A espectroscopia no UV-visível envolve espectroscopia de fótons,
utilizando a luz na faixa do visível, do ultravioleta próximo e do infravermelho próximo. Nessas
faixas de energia as moléculas sofrem transições eletrônicas moleculares. Devido correlacionar a
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
57
quantidade de energia absorvida em função do comprimento de onda da radiação incidente esta
técnica é dita como espectroscopia de absorção.
Esta técnica de espectroscopia baseia-se no método utilizado para determinar de um modo
quantitativo a concentração de substâncias em solução que absorvem radiação usando a LEI DE
BEER- LAMBERT, Equação 4.2:
A= ε.c.L
(4.2)
onde A é a absorvância medida, ε é uma constante conhecida como absorbtividade molar (a qual
varia de substância para substância), e c é a concentração da substância. , L é o caminho óptico pela
amostra (distância que a luz percorreu por ela)
A lei de Beer-Lambert é rigorosamente obedecida quando uma espécie única dá origem à
absorção observada. A lei pode não ser obedecida, entretanto, quando formas diferentes das
moléculas absorventes estiverem em equilíbrio, quando soluto e solvente formarem complexos
através de algum tipo de associação, quando existir equilíbrio térmico entre o estado eletrônico
fundamental e um dos estados excitados, ou quando estiverem presentes na amostra compostos
fluorescentes ou compostos alterados por irradiação.
O instrumento utilizado na espesctroscopia UV/VIS é chamado de espectrofotômetro
(figura 4.18). Um espectrofotômetro típico consiste de uma fonte de luz, um monocromador, e um
detector. A fonte de luz é geralmente uma lâmpada de Deutério ou Xenônio, que emitem radiação
eletromagnética na região UV do espectro. Uma segunda fonte de luz, geralmente uma lâmpada de
Tungstênio, é usada para comprimentos de onda na região visível do espectro. O monocromador é
uma rede de difração; sua função é separar o feixe de luz em seus comprimentos de onda
constituintes. Um sistema de fendas focaliza o comprimento de onda desejado sobre a amostra. A
radiação atravessa a amostra e atinge o detector, que registra a intensidade da luz transmitida. O
detector é geralmente uma fotomultiplicadora, embora em instrumentos mais modernos estejam
sendo usados fotodiodos (figura 4.19).
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
58
Figura 4.18 – Equipamento de Ultravioleta UV-Vísive, do lado esquerdo encontra-se o display
onde é plotado os gráfico e dados referente a análise e o teclado com o qual pode-se alterar os
parâmetros.
Figura 4.19 – Esquema ótico de espectrofotômetro UV-Visível.
Apesar das amostras podem ser sólidas, gasosas ou líquidas. Uma porta amostra (cubetas ou
cuvetes) transparente é enchida com a amostra e inserida no espectrofotómetro. Espectrofotómetros
mais simples (econômicos) usam cubetas com a forma cilíndrica (tubos de ensaio), porém, os mais
sofisticados usam cuvetes retangulares, geralmente com uma largura de 1 cm. Para espectroscopia
apenas no visível, simples cuvetes de vidro podem ser usadas, porém a espectroscopia no
ultravioleta requer cuvetes especiais feitas de um material que (ao contrário do vidro) não absorva
luz UV, como o quartzo.
Como resultado da espectrosocospia temos um espectro que é essencialmente um gráfico da
absorbância versus o comprimento de onda na faixa do ultravioleta e/ou visível. Tal espectro é
produzido pelo espectrofotômetros mais sofisticados, Figura 4.20.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
59
Figura 4.20 – Espectros de absorção de íons lantanídeos.
Através da espectroscopia de UV- visível é possivel : selecionar o comprimento de onda (λ)
da radiação adequado á análise de um determinado componente, determinar a concentração de uma
espécie em solução, medir a intensidade do (I) feixe emergente correspondente a um feixe
incidente.
Medidas de absorção baseadas em radiação ultravioleta encontram vasta aplicação para
identificação e determinação de uma miríade de espécies inorgânicas e orgânicas. A espectroscopia
UV-visível também poder ser usada na liberação controlada de fármacos, monitoramento da
qualidade de águas residuais industriais, quantificar DNA, RNA e proteínas.
4.1.1.4-
Comprimentos de ondas curtos (10-12 a 10-9m, raios-X e ultravioleta)
Para comprimentos de onda nessa faixa de valores, o número de níveis disponíveis para
excitação aumenta e elétrons mais internos podem ser excitados. Se o material é bombardeado com
raios-X, elétrons internos podem ser excitados e, em alguns casos, ser ejetados dos átomos.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
60
Os raios-X são gerados quando uma partícula de alta energia cinética é rapidamente
desacelerada. O método mais utilizado para produzir raios-X é fazendo com que um elétron de alta
energia (gerado no cátodo do tubo catódico) colida com um alvo metálico (ânodo). Na figura 4.21,
analisamos o fenômeno a nível atômico. Quando esse elétron atinge o alvo (I), um elétron da
camada K de um átomo do material é liberado na forma de fotoelétron (II), fazendo com que haja
uma vacância nessa camada. Para ocupar o espaço deixado por esse elétron, um outro elétron de
uma camada mais externa passa à camada K (III), liberando energia na forma de um fóton de
Raios-X (IV). A energia desse fóton corresponde à diferença de energia entre as duas camadas.
Figura 4.21 – A produção de raios-X a nível atômico.
A maneira como se comporta o espectro de raios-X emitido dessa interação é explicado
através dessas transições de níveis atômicos de energia e da desaceleração contínua dos elétrons
colidentes. Na figura 4.22 é mostrado um espectro típico de raios-X emitido por um ânodo de cobre
bombardeado por elétrons de diferentes energias.
Clodomiro Alves Júnior
61
Intensidade de raios-x (u.a.)
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
Comprimento de onda (angstrons)
Figura 4.22 – Espectro de raios-X emitidos do bombardeamento de elétrons numa superfície de
cobre, acelerados com diferentes energias.
Observa-se que para energias inferiores a 25 keV, apenas um espectro contínuo é revelado.
Para voltagem igual a 25 keV surgem dois picos, denominados de radiação característica, que são
devido à ionização dos átomos de cobre e conseqüente ocupação do respectivo nível por elétrons
de nível superior de energia, conforme ilustrado na figura 4.23.
Para cada diferente transição de níveis de energia, um comprimento de onda diferente é
emitido. A radiação K , mostrada na figura 49, é produzida quando um elétron transita da camada
L para a camada K, enquanto que a radiação K é gerada quando o elétron transita da camada M
para K.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
62
Figura 4.23 – Os níveis atômicos de energia e as emissões de radiação referentes a cada transição.
Como a energia para cada nível varia com o elemento atômico, cada tipo de alvo produz
radiações características em diferentes comprimentos de onda. Na tabela 4.2 são mostrados os
comprimentos de onda para os materiais mais utilizados em tubos de raios-X.
Tabela 4.2 – Radiações características dos principais materiais utilizados em tubos de raios-X.
ELEMENTO
K (Å)
K (Å)
Cu
1,54056
1,39221
Mo
0,70930
0,63228
Cr
2,28970
2,08487
Co
1,78896
1,62079
W
0,20901
0,18437
Ni
1,65791
1,50013
Fé
1,93604
1,75661
4.1.4.1 - Difração de Raios-X
Observou-se da figura 48 que o espectro de raios-X é composto por uma radiação contínua
e outra característica. Para o estudo do fenômeno de difração de raios-X faz-se importante a
existência de apenas uma radiação monocramática. Para tanto, utilizam-se filtros absorvedores de
radiação, os quais consistem em materiais cuja absorção da radiação é função do comprimento de
onda da radiação incidente. Na figura 4.24 é ilustrado esse fenômeno.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
63
Figura 4.24 – Filtragem do espectro de Mo por um filtro de Zr.
Para uma radiação emitida por elétrons colidindo num alvo de Mo foi usado um
filtro de Zr cuja linha de absorção (absorption edge) acontece imediatamente antes de kα. Assim, a
radiação depois de filtrada pelo Zr e amplificada consistirá de apenas um pico (radiação
monocromática) cujo comprimento de onda fica em torno de kα. A tabela 4.3 fornece valores de
comprimentos de onda característicos de diferentes materiais utilizados como alvo em difração de
raios-x assim como os filtros apropriados para as respectivas radiações.
Essa radiação monocromática, ao incidir sobre a superfície de um material, prodizirá os
mesmos fenômenos observados em qualquer radiação eletromagnética quando passa através de um
meio espalhador.
Assim, considerando os átomos presentes na superfície do material como centros
espalhadores da radiação, pode-se avaliar uma situação como a ilustrada na figura 4.25.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
64
Imaginemos planos cristalinos distantes um do outro por um valor d e uma radiação
monocromática incidindo sobre os mesmos com ângulo . Sabe-se que para a radiação espalhada
por cada átomo, a interferência será construtiva se a diferença de caminho entre os raios espalhados
for um múltiplo inteiro do comprimento de onda, equação 4.2:
n   2d sen 
(4.2)
Essa equação é conhecida como a Lei de Bragg, onde n representa os diferentes máximos
de difração,  o comprimento de onda da radiação incidente, d a distância interplanar dos planos
cristalinos difratores e  o ângulo de espalhamento. É interessante notar que, como é impossível
saber se os elétrons do átomo estarão na conformação mostrada na figura 4.25, determinar como
um átomo irá difratar um feixe de raios-X é um processo probabilístico.
Tabela 4.3 – Valores de comprimentos de onda característicos para diferentes materiais e filtros
usados para as respectivas radiações.
Z
Cr
Fe
Cu
Mo
24
26
29
42

,Å
2.2896
1.9360
1.5405
0.70926

,Å
2.2935
1.9399
1.5443
0.71354
 ,Å
2.2909
1.9373
1.5418
0.71069
1 , Å
2.0848
1.7565
1.3922
0.63225
 , filt.
V, 0.4mil
Mn, 0.4mil
Ni,
Nb,
 , filt.
Ti
Cr
0.6Co
mil
3 mils
Y
Resolution, Å
1.15
0.95
0.75
0.35
1
2
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
65
d
Figura 4.25 – Verificação da interferência construtiva de feixe de raios-X espalhados por átomos
do plano hkl, numa superfície de um material.
Intensidade do feixe difratado
a) Espalhamento de raios-X por um elétron
A equação de Bragg fornece a condição para o que a interferência seja construtiva.
Entretanto, ela não fornece qual a intensidade desse feixe difratado. Para se entender o que
determina
essa
intensidade,
é
necessário
examinar
alguns
fenômenos
independentes.
Primeiramente é importante examinar como um único elétron poderá espalhar coerentemente.
Depois pode-se estender esse conceito de espalhamento para verificar as interferências causadas
pelos demais elétrons ao redor do átomo espalhador, assim como do fato que os átomos não estão
em repouso na rede, mas vibram de uma maneira anisotrópica. Finalmente, o efeito de interferência
causada pelos átomos em diferentes posições da célula unitária deve ser considerado.
Como o feixe de raios-X é uma radiação eletromagnética e como tal pode ser vista como
um campo elétrico oscilante. Esse campo pode também fazer um elétron oscilar e assim re-irradiar
a energia fornecida de uma maneira esfericamente distribuída. Sabe-se da eletrodinâmica, que um
elétron submetido a uma radiação I0, espalhará essa radiação coerentemente em todas as direções
com um valor dado pela equação 4.3:
I
I  02
r
Clodomiro Alves Júnior
2
 e 2  1  cos 2 (2 )

2 
2
 me c 
(4.3)
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
66
Onde e é a carga do elétron; me a massa do elétron; c a velocidade da luz e r a distância do
elétron espalhador para o detetor. O termo final envolvendo a função cosseno resulta do fato que o
feixe de raios-X incidente é polarizado pelo processo de espalhamento. Esse termo é chamado de
fator de polarização.
b) Espalhamento de raios-X por um átomo
Para o espalhamento de um átomo, devem-se considerar efeitos de interferência que cada
elétron ao redor do átomo produz. O fato de um átomo possuir um tamanho da ordem do
comprimento de onda usado em experimentos de difração, dá origem a efeitos de interferência
devido ao espalhamento de diferentes regiões da nuvem eletrônica. Assim, o efeito resultante dos
espalhamentos individuais dos elétrons posicionados em diferentes regiões do átomo iniciam
interferências que dependerão do ângulo de detecção. Esse fenômeno é descrito pela quantidade f0,
que é chamado de fator de espalhamento atômico. A função f0, é normalizada para a quantidade de
espalhamento ocorrendo em um único elétron (eq. 22), ou seja, amplitude da onda espalhada por
um átomo pela amplitude da onda espalhada por um elétron. Para um átomo em repouso (T= 0 K),
f0 será igual ao número de elétrons em torno do átomo para  = 0, diminuindo em função de
sen/. Como mostrado anteriormente, essa amplitude está associada apenas ao espalhamento
coerente. Por outro lado, espalhamento incoerente produzido pela interação com elétrons
fracamente ligados, também deve ser considerado, principalmente quando esse número for grande.
Assim, quando um feixe monocromático de raios-X incide num átomo, dois processos de
espalhamento ocorrem: um deles devido aos elétrons fortemente ligados e outro devido aos
elétrons fracamente ligados. Ambos os tipos ocorrem simultaneamente e em todas as direções. Se o
átomo é uma parte de um grande grupo de átomos arranjados no espaço de uma forma regular
como num cristal, então outro efeito deve ser considerado. A radiação coerentemente espalhada de
todos os átomos é construtiva em certas direções e nula em outras.
c) Espalhamento de raios-X por uma célula unitária
Finalmente, para chegar à expressão da intensidade difratada por um cristal, devemos
considerar a contribuição não apenas de um átomo, mas de todos os átomos no cristal. Como os
átomos são arranjados de maneira periódica no espaço, significa que a radiação espalhada é agora
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
67
fortemente limitada para certas direções restringindo-a para um determinado conjunto de feixe
difratado. Isso significa que se a lei de Bragg não for satisfeita nenhum feixe difratado pode
ocorrer. Entretanto, a lei de Bragg pode satisfazer um determinado conjunto de planos atômicos e
mesmo assim nenhuma difração poderá ocorrer.
Assumindo então que a lei de Bragg seja satisfeita, nós desejamos encontrar a intensidade
do feixe difratado por um cristal como função de sua posição. Como o cristal é uma repetição da
célula unitária, determinando o modo como esse arranjo da célula unitária afeta a intensidade do
feixe difratado, será suficiente para determinar a contribuição do cristal. Qualitativamente o efeito
é semelhante ao espalhamento de um átomo, discutido anteriormente.
Foi mostrado que efeitos de interferências ocorrem nas ondas espalhadas pelos elétrons
individuais. Da mesma forma, ondas espalhadas pelos átomos individuais de um cristal ou célula
unitária também esperimentam os efeitos de interferência.
A resultante das ondas espalhadas pelos átomos na célula unitária é chamada de fator de
estrutura e é designada pelo símbolo F. Ela é obtida pelo somatório das contribuições dos
espalhamentos dos átomos individuais. Se uma célula unitária contém 1, 2, 3, ... N, átomos com
coordenadas fracionais u1 v1 w1, u2 v2 w2, u3 v3 w3 e fatores de espalhamento f1, f2, f3, ..., então o
fator de estrutura para a reflexão hkl é dado pela equação 4.4:
F  f1e2i ( hu1kv1l1 )  f1e2i ( hu2 kv2 l2 )  f1e2i ( hu3 kv3 l3 )  ...
(4.4)
Escrevendo de uma maneira mais compacta através da equação 4.5:
N
Fhkl   f n e 2i ( hun kvn ln )
(4.5)
1
Assim como o fator de espalhamento atômico, F é definido como a razão entre amplitudes,
equação 4.6:
F 
Amplitude da onda espalhada pelos átomos da célula unitária
Amplitude da onda espalhada por um elétron
(4.6)
A intensidade do feixe difratado por todos os átomos da célula unitária numa direção
predita pela lei de Bragg é simplesmente proporcional a F2.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
68
Para facilitar a compreensão do cálculo do fator de estrutura, será dado um exemplo
simples de uma célula unitária ortorrômbica de base centrada como mostrada na figura 4.26.
Observe que ela possui dois átomos do mesmo tipo localizados em 0 0 0 e ½ ½ 0, equação 4.7.
F  fe 2i ( 0)  fe
h k
2i (  )
2 2

 f 1  ei ( h k )

(4.7)
Uma vez que a soma h+k é sempre inteiro e que eni = (-1)n, a expressão para F é sempre
real. Se h e k são ambos impares ou ambos pares, isto é, não mistos, então sua soma é sempre par e
a expressão exponencial será 1. Portanto, nesse caso teremos:
F=2f ou F2=4f2 para h e k não mistos.
Por outro lado, se h e k são mistos, ou seja, um impar e outro par, a soma será impar e a
expressão exponencial resultará em -1, isto é,
F= 0, para h e k mistos.
Note que para qualquer caso, o valor de l não possui nenhum efeito sobre a estrutura. Por
exemplo, as reflexões para 111, 112, 113 todos possuem o mesmo valor para F.
Figura 4.26 – Célula unitária ortorrômbica de base centrada.
d) Intensidade do feixe difratado usando o método de pó
O cálculo da intensidade do feixe difratado deve sempre começar com o fator de estrutura.
Entretanto, fatores adicionais devem ser considerados dependendo do método utilizado para
difração. Para o método de Laue, o cálculo da intensidade é tão difícil que raramente é realizado,
uma vez que cada feixe difratado possui diferentes comprimentos de onda, dificultando a
observação. Os fatores governando a intensidade difratada pelo método do pó e pelo método do
cristal rotativo são aproximadamente semelhantes porque eles utilizam radiação monocromática.
Como o propósito desse livro é fornecer subsídios para a área de materiais e nesse caso o método
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
69
de pó é sem sombra de dúvida o de caráter mais geral, será dedicado especial atenção para o
cálculo do feixe difratado por esse método.
Existem seis fatores que afetam a intensidade relativa do feixe difratado, que estão citados
logo a seguir, sendo que os dois primeiros fatores já foram descritos anteriormentenas no item (a) e
(c) respectivamente. Portanto, secções serão discutidos os demais fatores :
1. Fator de polarização
2. Fator de estrutura
3. Fator de multiplicidade: definido pela contribuição no feixe difratado por planos hkl com a
mesma distância interplanar “d”.
4. Fator de Lorentz: reúne a aleatoriedade de distribuições dos planos de um grande número de
partículas que podem estar orientados de forma ligeiramente diferente da condição de difração com
o número de partículas que contribuem com a difração nestas condições, ou seja, define a difração
que acontece em ângulos de incidência ligeiramente diferentes ao ângulo de Bragg. É dada pela
equação 4.8:
L
1
(4.8)
4Sen Cos
2
5. Fator de absorção: mede a razão entre a amplitude da radiação de raios X emitida pelo átomo,
numa dada direção, e a amplitude da radiação que o elétron livre emitiria nas mesmas condições.
Esse fator depende da direção do feixe difratado e do comprimento de onda da radiação utilizada. É
expressa pela seguinte equação 4.9:
E
Aátomo
Aelétron
(4.9)
Onde Aátomo é a amplitude da onda espalhada por um átomo e Aelétrom á a amplitude espalhada por
um elétron.
6. Fator de temperatura: a temperatura influencia a intensidade de difração. Pela teoria cinética de
materiais no estado sólido, os átomos vibram em torno de suas posições de equilíbrio. Com o
aumento da temperatura essa amplitude de vibração também aumenta, diminuindo a intensidade do
feixe difratado. O fator de temperatura é dado pela equação 4.10:
FT  e
Clodomiro Alves Júnior
2 M
onde M 
B( Sen 2 )
2
(4.10)
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
70
Princípios de Funcionamento Aplicações da Difração de Raios X
A difração de raios X baseia-se na dispersão de um feixe de raios X pelos átomos que
constituem a rede cristalina dos materiais, sendo que cada material possui um padrão
difratométrico, equivalente a uma impressão digital, que é uma característica única e específica. A
principal aplicação da DRX refere-se à identificação fases de desses materiais sejam eles orgânicos
ou inorgânicos.
Portanto, a técnica consiste na incidência da radiação em uma amostra e na detecção dos
fótons difratados, que constituem o feixe difratado. Em um material onde os átomos estão
arranjados no espaço de maneira periódica, característica das estruturas cristalinas, o fenômeno da
difração de raios X ocorre nas direções de espalhamento que satisfazem a Lei de Bragg. A
configuração mais utilizada papa a análise de amostras por DRX é o arranjo geométrico
denominado de geometria Bragg-Brentano.
Com essa geometria um feixe de radiação monocromática incide em uma amostra na forma
de pó, rotacionada de um ângulo θ, enquanto os dados são coletados por um detector que se move
de 2θ. O difratômetro é constituído por um tubo de raios X, um porta-amostra onde incide a
radiação e um detector móvel, geralmente de cintilação. A Figura 4.27 mostra um esquema do
funcionamento de um difratômetro.
Figura 4.27 – Esquema de um difratômetro de raios X com geometria Bragg-Brentano.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
71
A fonte “A” gera um feixe de raios X. Este feixe após passar pelo colimador de placas
paralelas “B” (fendas Soller) e pela fenda de divergência “D”, incide na amostra “E” . A amostra
sofre uma rotação sobre o eixo F, perpendicular ao plano da figura.
A função da fenda “B” é limitar a divergência lateral do feixe de raios X, de modo que a
superfície da amostra receba o máximo possível da irradiação colimada lateralmente limitando
também a irradiação do porta-amostra. Os suportes da amostra e do goniômetro estão acoplados
mecanicamente de modo que o movimento de 2θ graus do detector é acompanhado pela rotação de
θ graus da amostra. Este acoplamento, denominado de condição de parafoco, assegura que o
ângulo de incidência e o de reflexão sejam iguais a metade do ângulo de difração.
O feixe difratado passa pela fenda “H”, pelo colimador “I” em seguida pela fenda de
recepção “J” e incide no detector “K”. Os colimadores de placas paralelas limitam a divergência
axial do feixe, controlando parcialmente a forma do perfil da linha difratada (Figura 4.28).
Figura 4.28 – Esquema do funcionamento dos colimadoes.
Os raios X são detectados pelo detector de radiação “K”. A superfície da amostra
permanece tangenciando o círculo focal “C”.
O centro da superfície da amostra deve estar no eixo do goniômetro. O eixo do goniômetro
deve estar paralelo ao eixo do foco linear, fenda de divergência e fenda de recepção. Os eixos do
foco linear e da fenda de recepção estão a distâncias iguais do eixo do goniômetro. A intensidade
do feixe difratado, variável em função do ângulo 2θ é normalmente expressa através de picos que
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
72
se destacam da linha de base (background) registrados num espectro de intensidade pelo ângulo 2θ
distância interatômica d, constituindo o padrão difratométrico ou difratograma.
As intensidades obtidas em ângulos 2θ representadas através dos picos nos difratogramas,
correspondem à difração do feixe incidente por um determinado conjunto de planos do cristal, que
possuem mesma distância interplanar, cada qual com índices de Miller hkl.
Desta forma, o padrão difratométrico representa uma coleção de picos, reflexões
individuais, cada qual com sua altura, área integrada, posição angular, largura e caudas que decaem
gradualmente à medida que se distanciam da posição de altura máxima do pico.
Para a identificação das fases cristalinas faz-se uso de um banco de dados contendo
informações cristalográficas básicas e algumas propriedades físicas de compostos cristalinos que é
mantido continuamente e atualizada pelo ICDD, International Center for Diffraction Data, com
sede nos EUA. Atualmente são disponíveis informações referentes a mais de 70.000 compostos
cristalinos, sendo que as informações mais importantes, para fins de identificação de um composto
cristalino, são as distâncias interplanares, que podem ser convertidos em posições angulares, e os
planos (hkl) que difratam construtivamente os raios X.
Nas figuras 4.29 e 4.30 estão representados exemplos do banco de dados cristalográficos,
Al e Fe respectivamente, que estão à disposição da comunidade científica juntamente com
algumas informações básicas como: grupo espacial e planos cristalográficos.
Figura 4.29 – Dados cristalográficos para o Al.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
73
Figura 4.30 – Dados cristalográficos para o Fe.
Existem duas estratégias básicas para a identificação das fases cristalinas, sendo que a
dificuldade de identificação aumenta progressivamente com a elevação do número de fases
cristalinas presentes na amostra. Os procedimentos de identificação manuaais mais comuns
referem-se à busca por compostos presumivelmente presentes em uma amostra e o método de
Hanawalt, este último aplicado para situações nas quais se desconhecem os compostos cristalinos
presentes. Estas duas estratégias são apresentadas esquematicamente na Figura 4.31 apresentada
logo a seguir.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
74
Figura 4.31 – Fluxograma para identificação das fases cristalinas.
Método de Rietveld
Outra importante aplicação da DRX é a quantificação das fases cristalinas. Para isso tornase necessário aplicar o método de Rietveld (MR). Este método tem como objetivo produzir o
refinamento, ou o ajuste, dos parâmetros de uma estrutura cristalina a partir de dados obtidos pela
difratometria da amostra obtendo-se a informação quantitativa de fases através dos fatores de
escala para cada fase da mistura.
A estrutura cristalina é refinada, através de mínimos quadrados, de forma a fazer com que o
difratograma calculado com base na estrutura cristalina, se aproxime “o melhor possível” do
difratograma observado. O “o melhor possível”, significa que os valores obtidos para o conjunto
dos parâmetros refinados representam a melhor solução para o refinamento, ou seja, os valores
atingidos no final do refinamento representam à estrutura cristalina real (ou o melhor possível).
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
75
Apenas na década de 60 é que foi possível utilizar este método de maneira eficiente, pois
através de algoritmos e programas de computador específicos se podia dar mais rapidez e
confiabilidade na grande quantidade de cálculos.
Como dito anteriormente, o refinamento dos parâmetros estruturais e instrumentais é obtido
basicamente a partir da minimização da soma de quadrados da diferença entre a intensidade
calculada e a observada para cada ponto do padrão de difração do pó. Este método precisa
previamente da estrutura cristalina para toda a fase envolvida na mistura. A quantidade a ser
minimizada é dada pela equação 4.11:
S   wi ( I obs  I cal ) 2
(4.11)
i
Onde onde Iobs e Icalc são as intensidades observada (ou experimental) e calculada para cada
passo, respectivamente, e wi é o peso para cada ponto medido que reflete os erros estatísticos de
contagem para as intensidades observadas e não considera os erros nas intensidades calculadas. Se
o modelo estrutural não é adequado ou a forma do pico não estiver bem definida as intensidades
calculadas estarão erradas.
A intensidade calculada para cada ponto i no padrão de difração tem a seguinte equação
4.12:
I calc  S  Lk Fk  (2 i  2 k ) Pk  I iback
2
(4.12)
k
Onde:
S é o fator de escala que uma constante que ajusta a intensidade em relação a altura dos
picos.
k representa os índices de Miller hkl para cada reflexão Bragg
LK contém os fatores de Lorentz, o de polarização e o de multiplicidade
 1  Cos 2 2 
1


Lk  
P
2
2

 Sen Cos 
(4.13)
Fk fator de estrutura para a K-ésima reflexão de Bragg
Pk – função orientação preferencial
Iiback – intensidade do “background”, ou radiação de fundo, para o i-ésimo ponto. É conseqüência
de vários fatores, como fluorescência da amostra, ruído do detector, espalhamento por difusão
térmica na amostra, fases amorfas na amostra, espalhamento incoerente, espalhamento dos raios X
no ar, fendas do difratômetro e espalhamento no porta amostra. A forma pela qual a radiação de
fundo é incluída no refinamento depende do intervalo angular da região investigada.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
76
Φ(2θi – 2θK) – função (matemática) perfil da reflexão.
A identificação da melhor função perfil de reflexão que defina adequadamente a forma,
largura e posições das reflexões de Bragg é uma etapa fundamental na obtenção do padrão
calculado. A partir do ajuste do perfil das reflexões de Bragg são obtidas as informações mais
importantes contidas em um padrão de difração: altura dos picos de reflexão, posições dos picos,
largura, forma do decaimento das curvas dos perfis de reflexão e a área integrada. As funções de
perfil existente que podem ser utilizadas pelo MR são:
Função Gaussiana:
 X2
A1 exp   2 
 K1 
Função Lorentziana:

A2 1  K 22 X 2
(4.14)

1
(4.15)
Função mod 1 Lorentziana :




A3 1  K 32 X 2
2
(4.16)
Função mod 2 Lorentziana :
A4 1  K 42 X 2
3 / 2
(4.17)
Função Person VII:
1
m
2 m 2 1
1

   m  K 5
2

 4X 2
1  2
K5


 m1

 2  1




m




(4.18)
Função Voigt:

A6  L( X ' )G( X  X ' )dX '
(4.19)
L( X )  (1   )G( X )
(4.20)

X
1  
Q

(4.21)

Função Pseudo-Voigt:
Função Polinomial:
A7
P0
A função que melhor se ajusta aos padrões de difração de raios X é um produto de
convolução das funções gaussiana e lorentziana, que resulta nas funções Voigt e pseudo - Voigt.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
77
Durante o processo de refinamento os parâmetros envolvidos na equação da intensidade,
são ajustadas até que o erro residual seja minimizado. Entretanto, para determinarmos se um
mínimo é global ou local necessitamos de vários critérios. Os critérios quantitativos para avaliar
um bom ajuste são feitos pelo acompanhamento dos R´s, chamados de fatores de confiança. Esses
fatores são definidos a seguir:
R-fator de estrutura:
RF 
 (F
i ( obs)
i
)1 / 2  ( Fi ( calc) )1 / 2
 (F
i ( obs)
(4.22)
)1 / 2
i
R-fator de Bragg:
RB 
 (I
i
i ( obs)
)  ( I i ( calc) )
I
(4.23)
i ( obs)
i
R-padrão:
RP 
 (I
i
i ( obs)
)  ( I i ( calc) )
I
(4.24)
i ( obs)
i
R-peso padrão:
R  WP 
 w (I  I
 w (I )
i
i ( obs)
i ( calc)
)2
i
i
2
(4.25)
i ( obs)
i
R-esperado:
R  EXP 
NP
 wi ( I i (obs) ) 2
(4.26)
i
Onde Ii é a intensidade para cada ponto do padrão de difração, Fi é o fator de estrutura para
cada reflexão, N é o número de pontos experimentais e P é o número de parâmetros ajustados. È
bom salientar que nos dois primeiros R-fatores a soma se estende por todas as reflexões enquanto
que nos três últimos a soma se estende por todos os pontos do padrão de difração.
O R-WP é o fator estatisticamente mais significativo de todos os cinco fatores mostrados e
reflete melhor o progresso do refinamento, pois nele é usada a técnica de minimização da diferença
de quadrados. Alguns fatores que não estão relacionados com a qualidade do modelo usado podem
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
78
aumentar ou diminuir o valor do R-WP, por exemplo: a presença de outras fases no material
aumenta o valor do R-WP, enquanto que um alto background o diminui. Os valores para R-WP
para bons resultados é de 2-10%, enquanto que os valores típicos obtidos variam de 10-20%. Para
avaliar a qualidade do ajuste compara-se o valor final de R-WP com o valor do erro esperado.
Definimos o índice de qualidade de refinamento ou “Goodness of fit” – GOF ou “S”somo
sendo a razão entre R-WP e R-EXP, equação 4.27:
GOF  S 
R  WP
R  EXP
(4.27)
O valor de S deve estar próximo de 1.0 ao final do refinamento, significando que nada mais
pode ser melhorado, pois o R-WP já atingiu o limite que se pode esperar para aqueles dados de
difração medidos.
A seguir está apresentado um refinamento executado em amostras de Ta2O5 reduzidas por
ignição a plasma por aluminotérmica (figura 4.32).
Figura 4.32 – Refinamento de amostra de óxido de tantalo reduzida aluminotermicamente.
Na tabela 4.4 são apresentados os valores obtidos após o refinamento:
Tabela 4.4 – Valores estatísticos para o refinamento do óxido de tântalo.
R-WP
R-EXP
S
13.89
7.51
1.83
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
79
Outra forma de apresentar o gráfico de refinamento é mostrada a seguir, figura 4.33. Note a
linha verde, que representa a diferença entre Iexp e Icalc.
Figura 4.33 - Refinamente onde notase o valor de Iexp – Ical.
Após o refinamento de estrutura, o método Rietveld nos fornecerá parâmetros estruturais
como: parâmetros de rede, fator de ocupação, concentração e a largura do pico a meia altura
(FWHM) mesmo que eles apareçam convolucionados com outros picos.
O MR permite também realizar: (a) o refinamento de cela unitária, (b) determinação de
orientação preferencial (textura), (c) determinação de tamanho de cristalito estrutura cristalina, etc.
Serão discutidos a seguir alguns desses resultados.
a) refinamento de cela unitária
Considerando-se que o padrão do difratograma de um material cristalino é função da sua
estrutura cristalina, é possível se determinar os parâmetros do seu retículo (a, b, c e α, β e γ da cela
unitária) desde que se disponha de informações referentes aos sistemas cristalinos, grupo espacial,
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
80
índices de Miller (hkl) e respectivas distâncias interplanares dos picos difratados. Este
procedimento pode ser efetuado tanto por métodos manuais para cristais de elevada simetria
(sistemas cúbico, hexagonal e tetragonal), como mais facilmente a partir de diversos programas de
computador, que permitem um rápido processamento para cristais de qualquer sistema cristalino,
independentemente de sua complexidade.
b) Orientação preferencial – textura
A orientação preferencial de cristalitos em materiais sólidos policristalinos é de vital
importância para vários materiais industriais. Materiais extrudados e pós prensados, dentre outros,
são materiais que tipicamente apresentam orientação preferencial; alguns materiais cerâmicos e
semicondutores têm suas propriedades relacionadas a uma dada direção cristalográfica, sendo de
extrema importância o controle da orientação preferencial nos processos de fabricação e controle
de qualidade. Uma das formas mais comuns para se avaliar a orientação preferencial consiste na
determinação da figura de polo referente a uma dada direção cristalográfica, ou seja, as medidas de
intensidade de uma linha particular de difração plotadas em função da orientação tridimensional da
amostra.
c) tamanho de cristalito
O cálculo do tamanho de cristalito pelo método de Rietveld é apresentado no fluxograma da
figura 4.34.
Figura 4.34 – Fluxograma para o calculo do tamanho de cristalito.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
81
Onde βe e βp são a largura a meia altura da amostra experimental e padrão respectivamente.
K é uma constante com valor igual a 0,9. λ é o comprimento de onda da radiação utilizada. FWHM
“full width at half maximum” corresponde à largura a meia altura (β1/2) do pico como mostrado na
figura 4.35.
Figura 4.35 – Forma de um pico de difração com sua largura a meia altura.
O tamanho do cristalito está relacionado com o grau de cristalinidade, portanto, quanto
maior o tamanho do cristalito, maior o número de planos cristalográficos nas direções hkl e,
portanto maior o grau de cristalinidade.
Sabe-se que fótons nessa faixa de comprimento de onda (10-12 a 10-9 m) também podem
excitar átomos, liberando energia como um fóton ou como um elétron Auger. A energia deste fóton
é determinada pela diferença dos níveis energéticos dos elétrons, E1 e E2, pela expressão h = E1E2. Este é o princípio básico da técnica de espectroscopia por fluorescência de raios-X (XRF), onde
o material é bombardeado com raios-X e a energia emitida é medida ou por análise do
comprimento de onda (wavelength dispersive X-ray analyses – WDX ou por análise de energia
(energy dispersive X-ray analyses – EDX)).
Quando a energia do fóton for suficiente, da ordem de 13,6 eV, elétrons podem ganhar
energia para vencer a função trabalho e serem ejetados do material. Este efeito é conhecido por
efeito fotoelétrico. A energia do fotoelétron é dada por (equação 4.28):
E  hv  E B  
Clodomiro Alves Júnior

(4.28)
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
82
onde EB é a energia de ligação do fotoelétron ejetado e  a função trabalho do material. Se a
energia do fóton incidente é conhecida, a energia do fotoelétron é medida, então, o conhecimento
da função trabalho do material permitirá a determinação da energia de ligação do elétron no átomo.
Isto é a base em que se fundamentam as técnicas de espectroscopia fotoelétrica do ultravioleta e
raios-X (ultra-violet photoelectron spectroscopy – UPS e (X-ray photoelectron spectroscopy –
XPS). Após este evento, ou seja, a ionização do átomo poderá haver um decaimento para o estado
fundamental ou pela emissão de um fóton ou pela ejeção de um elétron. No primeiro caso, um
elétron em um nível superior poderá preencher o vazio deixado pelo fotoelétron, resultando na
emissão de um fóton de comprimento de onda determinado pela diferença entre estes dois níveis de
energia. No segundo caso, um elétron Auger é ejetado. Os processos nos quais raios-X ionizam o
átomo e fótons de raios-X são emitidos é conhecido por fluorescência de raios-X (XRF).
4.1.4.2 - XPS ( X-ray photoelectron spectroscopy)
A técnica de XPS citada anteriormente é também conhecida como ESCA (electron
spectroscopy for chemical analysis) e é usualmente usada para estudar e medir a composição
química das camadas superficiais, por causa de mudanças químicas e estruturais dos elementos
presentes na superfície do material a ser estudado. Esta técnica também é usada para fornecer
dados sobre a identificação elementar e o número de coordenação dos átomos locados próximos à
superfície da amostra.
O princípio básico da técnica XPS é o efeito fotoelétrico explicado pela lei fotoelétrica de
Einsten (equação 4.28). A análise da superfície do material realizada pelo XPS é feita através da
análise de energia de elétrons emitidos de uma amostra atingida por raios – X monoenégeticos, eles
interagem com os átomos na região da superfíce, pelo efeito fotoelétrico, causando a emissão de
elétrons.
As análises por XPS necessitam que a superfície investigada esteja livre de gases
absorvidos, por isso o desenvolvimento de sistemas de ultra-alto vácuo (UHV) foi de grande
importância.
Basicamente um equipamento de XPS é composto de uma câmara de ultra-alto vácuo
(ultra high vacuum, UHV), uma fonte de raios-X, um canhão de íons, um manipulador de amostra,
um espectrômetro, um detector de elétrons e um computador para aquisição e tratamento de dados.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
83
Obviamente que dependendo do equipamento utilizado, a sua configuração pode mudar
dependendo dos diferentes acessórios que podem compô-lo. (Figura 4.36)
Figura 4.36 – Esquema de um equipamento de XPS do grupo de Física de Superfícies da Unicamp.
Como citada anteriormente a utilização da câmara de UHV se faz necessário para que a
superfície a ser analisada esteja livre de gases adsorvidos e de contaminantes. Isso se dá pelo fato
de que os elétrons podem colidir com moléculas de gases residuais, necessitando assim de um livre
caminho médio suficiente ≥ 10 cm para atingir a amostra ou o detector, sendo necessárias pressões
-5
menores que 10 Pa.
Para limpeza de superfície das amostras são utilizados vários métodos, citamos alguns
abaixo:
+
1. O bombardeamento sobre a superfície por íons de gases inertes, como, por exemplo, o de Ar
2. Fratura de materiais frágeis em UHV
3. Tratamentos químicos a temperaturas elevadas sob pressão parcial de O2 ou H2
4.1.1.5-
Comprimentos de ondas muito curtos (10-12 m, raios-)
Quando um átomo decai ou pela emissão de um fóton ou pela emissão de um elétron, o
momento linear é transferido para a partícula emitida. Para que haja conservação do momento do
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
84
sistema, o átomo emissor deve recuar em sentido oposto. No caso atômico (excitação eletrônica), o
recuo é tão pequeno que a absorção ressonante normalmente ocorre, o que não se verifica no caso
de excitação nuclear. Quando o núcleo é livre, não se observa absorção ressonante e quando o
núcleo está ligado à rede cristalina, a energia de recuo é transferida para os modos vibracionais da
rede. Contudo, uma fração de núcleos pode emitir sem excitar os fónons. Este efeito, denominado
de efeito Mössbauer é o princípio físico da técnica de mesmo nome, utilizada para análise de
superfícies que contenham elementos como Fe, Sn, Ta, W e Ir.
4.1.5.1 - Espectroscopia Mossbauer
A espectroscopia de Mossbauer é baseada no efetio Mossbauer relatado anteriormente.
Neste efeito estão envolvidas transições nucleares decorrentes da absorção de raios gama, sendo a
condição de ressonância entre a fonte e a amostra conseguida pelo efeito Doppler, ou seja, o efetio
Mossbauer está baseado na emissão e absorção ressonante de raios gama pelos núcleos de diversos
elementos ta tabela periódica.
Um núcleo emissor que se encontra no estado excitado efetua uma transição para seu estado
fundamental, emitindo um fóton (raio gama). Esse raio gama é absorvido em seguida pelo núcleo,
não excitado, do mesmo tipo que o primeiro que efetua uma transição para o estado excitado
idêntico aquele em que se encontra um núcleo emissor, figura 4.37.
Figua 4.37 – Esquema do efeito Mossbauer.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
85
Esta técnica constitui-se numa técnica bastante útil na caracterização de compostos
organometálicos de ferro, visto que dela são extraídas informações relevantes sobre a ligação
química e estrutura molécula.
A espectroscopia de Mossbauer uma amostra sólida é exposta à radiação gama, e um
detector mede a intensidade da radiação transmitida através da amostra. A energia da radiação
gama é variada variando a aceleração da fonte de radiação com um motor linear o movimento
relativo entre a fonte e a amostra resulta num desvio energético devido ao efeito Doppler.
Como resutado da Espectroscopia de Mosbauer temos um espectro. No espectro resultante,
a intensidade dos raios gama é representada graficamente em função da velocidade da fonte. A
velocidades correspondentes aos níveis de energia ressonantes da amostra, parte dos raios gama é
absorvida, resultando numa quebra da intensidade medida e uma correspondente depressão no
espectro (picos). O número, posição e intensidade dos picos providenciam informação sobre o
ambiente químico dos núcleos que absorvem a radiação gama, podendo esta ser utilizada para a
caracterização estrutural da amostra.
Um exemplo de aplicação da espectroscopia de Mössbauer é na caracterização estrutural de
proteínas contendo ferro na composição dos seus cofactores - os espectros providenciam
informação sobre o número de ligandos do(s) átomo(s) de ferro e a natureza química dos mesmos,
o que por sua vez ajuda a compreender a forma como esses cofactores actuam na actividade
biológica das proteínas que os contêm.
Para que ocorra a absorção de radiação gama e o efeito Mössbauer ocorrer, a radiação deve
ter a energia apropriada para as transições nucleares dos átomos a serem analisados. A energia da
radiação deve tambem ser relativamente baixa, de contrário o sistema terá uma pequena fracção
livre de retrocesso, um fenómeno que resulta numa fraca razão sinal/ruído. Apenas alguns isótopos
preenchem estes requisitos, pelo que a espectroscopia de Mössbauer pode ser aplicada somente a
um pequeno grupo de átomos, tais como:
57
Fe,
129
I,
119
Sn, e
121
Sb. O isótopo
57
Fe é o mais bem
estudado.
4.1.1 - Elétrons
O foco de um feixe de elétrons é possível por causa do caráter dual, ondapartícula, que os
elétrons exibem. Esta dualidade onda-partícula é expressa pela relação de Broglie para o
comprimento de onda de uma partícula, dada por (4.29):
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização

86
h
m
(4.29)
onde m é a massa da partícula, v é a sua velocidade e h é a constante de Planck. Assumindo que a
tensão de aceleração de um canhão de elétrons é V, então a energia do elétron é dada por (4.30):

m 2
(4.30)
 eV
2
onde e é a carga do elétron. Segue que  = h/(2meV)0,5, ou  = (1,5/V)0,5 nm quando V é dado em
volts. Este valor numérico é aproximado, já que é em voltagens de aceleração, comumente

utilizadas em microscopia eletrônica. A massa de repouso do elétron, m0, é apreciavelmente menor
que a massa relativística, m, e um termo de correlação deveria ser incluído gerando a equação
(4.31):

h


eV 
2m0eV 1

2 
 2m0c 

(4.31)
onde c é a velocidade da luz. As quantidades de correlação relativística são 5% a 100 kV, atingindo
30% a 1 MV. O comprimento de onda do elétron a 100 kV é 0,00370 nm, que é aproximadamente

duas ordens de magnitude menor que o espaçamento interatômico típico do estado sólido. A 10
keV, que é típica de muitas aplicações do microscópio eletrônico de varredura, o comprimento de
onda é apenas 0,012 nm, e ainda apreciavelmente menor que as distâncias interatômicas em
sólidos.
4.2.1 - Microscopia Eletrônica de Varredura
A evolução da ciência e tecnologia em materiais requer do cientista a observação, a análise
e a explicação de fenômenos ocorridos em escala submicrométrica ou nanométrica. O microscópio
eletrônico de varredura –MEV (em inglês, SEM – Scanning Electron Microscopy) e a microanálise
eletrônica – MAE (em inglês, EPMA – Electron Probe Microanalysis) têm ótimos recursos que
permitem a observação e a caracterização de materiais inorgânicos e orgânicos heterogêneos e
nestas escalas. Em ambos os instrumentos, a área ou o microvolume a serem analisados são
irradiados com um feixe eletrônico focalizado e que pode ser varrido sobre a superfície. A
interação do feixe eletrônico com a amostra produz elétrons secundários, elétrons retroespalhados,
elétrons Auger, raios-X e fótons de diversas energias. Estas partículas são aproveitadas para
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
87
examinar várias características das amostras, tais como: composição, topografia de superfície,
cristalografia, etc.
No MEV, os sinais de maior interesse são os elétrons secundários e retroespalhados. A
origem desses elétrons assim como sua dependência com as características do material serão
discutidas em detalhes neste capítulo.
Na microanálise eletrônica (MAE), a radiação de interesse são os raios-X característicos
emitidos pelo bombardeamento dos elétrons. A análise desta radiação permite obter informações
qualitativas e quantitativas sobre a composição de regiões da amostra da ordem de alguns
micrômetros de diâmetro.
Historicamente, ambos os instrumentos foram desenvolvidos separadamente, mas devido ao
fato de ambos utilizarem o elétron como fonte de radiação, eles podem ser hoje encontrados num
só equipamento. O primeiro MEV comercial foi desenvolvido pela Cambridge Scientific
Instruments em 1965, mas os primeiros desenvolvimentos ocorreram há cerca de 23 anos antes
(1942), quando Zworykin, Hiller e Snyder publicaram as bases destas técnicas. Desde esta época,
houve inúmeros avanços na geometria da óptica eletrônica, detectores, catodos de emissão e,
sobretudo, no tratamento eletrônico da imagem. A complementação do MEV para análise de raiosX foi realizada em 1968. A MAE é uma das técnicas mais potentes para a microanálise de
materiais inorgânicos e orgânicos. A amostra é analisada de maneira não destrutiva e a precisão da
análise pode ser da ordem de 1-2% da quantidade presente de um elemento dado. Um dos
desenvolvimentos posteriores mais interessantes foi a introdução de um espectrômetro de raios-X
sensível a energia de raios-X, o qual detector de estado sólido (Si)Li. Esta técnica é denominada de
espectrometria de energia dispersiva (EDS). Hoje este sistema de análise é o mais comum,
oferecendo uma análise elementar rápida e quantitativa dos constituintes dos materiais.
A potência (ampliação) do microscópio eletrônico de varredura deriva de uma faixa muito
larga de sinais que podem resultar da interação do feixe eletrônico com a superfície da amostra.
Estes incluem raios-X característicos, gerados pela excitação de elétrons em camadas mais
internas; catodoluminescência, na faixa da luz visível e associada à excitação do elétron de
valência; corrente do espécime, devido à absorção de rede da carga elétrica e elétrons
retroespalhados, espalhados elasticamente para fora da superfície. Entretanto, o sinal mais
comumente utilizado é aquele derivado de elétrons secundários de baixa energia emitidos da
superfície do alvo pela interação inelástica da amostra com o feixe primário. Os elétrons
secundários são emitidos em números grandes a partir de uma região altamente localizada no ponto
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
88
de impacto do feixe. Eles são, portanto, prontamente detectados e capazes de formar uma imagem
cuja resolução é limitada apenas pelo diâmetro do feixe incidente.
Neste capítulo, serão comparados os requerimentos para os microscópios eletrônicos de
varredura e de transmissão, discutindo-se em detalhe a origem e interpretação do contraste para
ambos os equipamentos. Precisamos, entretanto, distinguir claramente a diferença dos modos de
imagem nestes dois tipos de instrumento. Além disso, também abordaremos os princípios básicos
necessários para compreender como se faz o foco de um feixe de elétrons antes de discurtir os
fatores que limitam a resolução.
O Microscópio Eletrônico de Varredura
O microscópio eletrônico de varredura, figura 4.38, tem uma fonte de elétrons de alta
energia e um sistema condensador, mas emprega lentes colimadoras para focar o feixe de elétrons
em um feixe colimado que atinja o espécime. As lentes eletromagnéticas determinam a resolução
máxima atingível do microscópio. Entretanto, essa lente é disposta acima do espécime, e não
participa da coleta do sinal de imagem deste último. Na verdade, os elétrons espalhados
elasticamente não têm importância real na microscopia eletrônica de varredura. É a possível
variedade de processos de espalhamento inelástico que ocorrem quando o feixe eletrônico interage
com a amostra, que domina a informação coletada neste instrumento. A energia do feixe incidente
utilizado no microscópio eletrônico de varredura é apreciavelmente menor que o utilizado em
transmissão, sendo geralmente da ordem de 5–30 keV, embora energias muito menores (tão baixas
quanto 200 eV) sejam freqüentemente úteis.
Canhão de
elétrons
Lentes
condensadoras
Bobinas de
varredura
Colimador
Plataforma da
amostra
Figura 4.38 – Diagrama do microscópio eletrônico de varredura.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
89
A imagem no microscópio eletrônico de varredura é obtida pela varredura do feixe
eletrônico incidente sobre a superfície da amostra como em uma trilha de televisão (linha por
linha), então se coleta o sinal da imagem da superfície, mostrando-a depois de amplificação e
processamento apropriados, em um monitor com a mesma base de tempo que aquela utilizada para
varrer o feixe, ver figura 4.38. Este é muito similar ao princípio empregado em uma filmadora,
onde a imagem focalizada pela câmera é varrida por um feixe de elétrons e o sinal é modulado,
transmitido, gravado e finalmente exibido em um monitor – o monitor de televisão.
A figura 4.39 representa um esquema do microscópio modelo XL 40, da Philips, existente
no laboratório institucional da UFRN. Na parte superior direita está uma câmara que contém uma
coluna na parte superior, na qual está o canhão de elétrons e as lentes eletromagnéticas. Na parte
inferior dessa câmara estão alojados o porta-amostra e os detectores.
Cátodo (canhão de elétrons)
Cilindro de
Wehn elt
Anodo
Colimador
Lentes eletromagnéticas
Bobinas de
varreduras
Lentes objetivas
Colimador final
Detetores: 1. BSE; 2. R-X e 3. SE
1
Proce ssamento da
imagem
Amostra
Figura 4.39 – Diagrama completo de um microscópio eletrônico de varredura.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
90
A microscopia eletrônica de varredura fornece a aproximação mais precisa que o olho
espera ver, já que a profundidade de campo para detalhe resolvido é muito maior que a resolução
espacial. O caráter curiosamente plano dos detalhes topológico e morfológico observados no
microscópio de luz óptica ou no eletrônico de transmissão é substituído no microscópio eletrônico
de varredura por um jogo de luz e sombra sobre as montanhas e vales, cavidades e protusões de um
objeto tridimensional, figura 4.40. Apenas duas características estão ausentes de uma “ilusão
óptica” completa. Primeiro, uma avaliação verdadeira da profundidade da imagem (que pode ser
fornecida pela gravação de duas imagens a partir de pontos de vista ligeiramente diferentes). O
segundo ponto é a presença de cor (que é utilizada às vezes para melhorar o contraste ou comparar
imagens durante processamento de dados).
Figura 4.40 – Pozolana natural formada a partir de carapaças de algas diatomáceas
pseudomorfizadas. Imagem obtida por meio do detector de elétrons secundários.
O impacto visual das imagens do microscópio eletrônico de varredura e a habilidade para
observar detalhes dispostos ao longo do eixo óptico têm conduzido à rápida penetração da
microscopia eletrônica de varredura em todas as áreas de ciência e engenharia desde quando esta
técnica foi desenvolvida na década de 1960.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
91
Um elétron energético penetrando uma amostra sólida sofre espalhamentos elástico e
inelástico, mas é o espalhamento inelástico que eventualmente predomina, reduzindo a energia do
feixe de elétrons para a energia térmica kT. Os diversos processos que ocorrem são complexos, mas
são geralmente bem compreendidos, portanto há pouca ambigüidade na interpretação do contraste
de imagem no microscópio eletrônico.
Condições de Foco do Feixe
A lente utilizada para focar o feixe eletrônico sobre a superfície do espécime do
microscópio eletrônico de varredura, tem características similares às lentes objetivas utilizadas na
microscopia eletrônica de transmissão, com a melhor resolução que pode ser obtida sendo
determinada pelo tamanho do feixe focalizado. Uma consideração simples da geometria da fonte,
do sistema condensador e da lente demonstra que o caminho do elétron é, de fato, reverso na
microscopia eletrônica de varredura e o sistema que forma o feixe é exatamente o inverso do
sistema de imagem na transmissão. Em outras palavras, a fonte de elétrons (o canhão) é onde a
imagem poderia ser observada na geometria de transmissão. O sistema condensador reduz o
tamanho aparente da fonte (ao invés de ampliar a imagem) e a lente forma o feixe no local onde a
fonte estaria no microscópio de transmissão. Resumindo, o feixe incidente é uma imagem
miniaturizada da fonte.
Na prática, a limitação da corrente de feixe é o problema mais sério, uma vez que esta varia
aproximadamente em três vezes do diâmetro do feixe e, portanto, cai dramaticamente para um
feixe mais fino. A distância de trabalho entre o feixe incidente e o espécime também é um fator
importante.
A introdução comercial do canhão de emissão de campo tem reduzido drasticamente o
tamanho da fonte de elétrons primários e aumentado a densidade de corrente disponível no feixe
(em quatro ordens de magnitude), permitindo um feixe focalizado com tamanho muito mais
reduzido (melhorando a resolução deste) ou, freqüentemente mais importante, a utilização de
energias de feixe incidente mais baixas (elétrons com comprimento de onda maiores). Agora é
possível obter resoluções da ordem de 2 nm a energias de feixes inferiores a 200 V. A distribuição
e estabilidade da corrente de elétrons dentro do feixe também são fatores importante.
Também se faz necessário falar um pouco sobre o sistema de varredura. Uma vez que o
dado é adquirido pela varredura do feixe eletrônico ao longo da superfície do espécime e pela
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
92
coleta dos sinais gerados, a velocidade de coleta de dados não é limitada apenas pela intensidade
do feixe incidente e pela eficiência de coleta do sinal, mas também pela velocidade de varredura.
Um sinal fraco requererá uma velocidade de varredura mais lenta e na coleta de dados de raios-X
característicos (onde a seção cruzada de espalhamento inelástico e a eficiência de coleta são lentos)
a estatística da coleta de dados determina a resolução disponível, enquanto a estabilidade da
corrente de feixe freqüentemente afeta a precisão da análise.
Elétrons Retroespalhados (BSE)
Uma proporção de elétrons incidentes será espalhada em ângulos maiores que 180 e
podem escapar da superfície. A proporção desses elétrons retroespalhados, R, dependerá do
número atômico médio do espécime, mas é quase independente da energia do feixe incidente. Os
elétrons retroespalhados se originam em uma camada superficial correspondente a distância de
difusão e vêm de uma área abaixo do feixe incidente que também é proporcional a esta distância,
mas significativamente menor que o diâmetro do envelope dos elétrons espalhados inelasticamente.
A energia dos elétrons retroespalhados é menor que a do feixe incidente primário, porém da
mesma ordem de magnitude. Estes elétrons são geralmente detectados em uma região anular
próxima dos pólos da lente colimadora. A eficiência da coleta é alta, mas a corrente de elétrons
retroespalhados é apenas uma fração da corrente do feixe incidente.
O contraste em uma imagem eletrônica retroespalhada pode surgir de duas fontes:
a) Qualquer região da superfície do espécime que está inclinada na direção do detector de
elétrons retroespalhados fará surgir um sinal melhorado, enquanto que o sinal será reduzido se a
superfície é inclinada afastando-se do detector. Um detector anular segmentado pode, portanto, ser
utilizado para obter uma imagem topográfica da superfície, na qual os sinais coletados de
detectores opostos diametralmente são primeiro subtraídos e então amplificados, aumentando as
diferenças de contraste de regiões inclinadas em direções opostas.
b) Por outro lado, a coleta de uma imagem retroespalhada a partir de um detector cônico ao
redor dos pólos da lente colimadora efetivamente diminui o contraste associado às mudanças na
topografia da superfície. A maioria das características da imagem é devido ao contraste do número
atômico e reflete variações na densidade (geralmente de composição) da amostra.
A resolução na imagem de elétrons retroespalhados (BSE) é tipicamente uma ordem de
magnitude melhor que a obtida a partir de mapa elementar de raios-X, mas não tão boa quanto a
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
93
disponível em imagem de elétrons secundários. A imagem BSE pode dar informação muito útil
sobre a distribuição das fases presentes, fornecendo a informação de que elas diferem
suficientemente em densidade, figura 4.41, se a imagem de elétrons secundários está deficiente em
contraste.
Figura 4.41 – Imagem de elétrons retroespalhados – contraste de número atômico mostrando uma
fase intermetálica rica em nióbio (contraste claro) dispersa em uma matriz de alumínio (contraste
escuro).
Elétrons Secundários
A maior parte da corrente elétrica gerada em uma amostra devido ao impacto de um feixe
incidente de alta energia é devido à liberação de elétrons secundários da superfície. Quatro fatores
afetam a emissão secundária a partir da superfície.
a) A função trabalho da superfície, que é a energia que tem que ser fornecida para um
elétron do sólido escapar da superfície. A função trabalho é sensível à adsorção na superfície e
filmes de contaminação.
b) A energia e intensidade do feixe. À medida que a energia do feixe é aumentada, esperase que mais elétrons secundários sejam criados, mas um feixe de alta energia é espalhado
inelasticamente mais profundamente, fazendo com que a proporção de elétrons secundários que
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
94
escapam da superfície seja reduzida. Por outro lado, a corrente de elétrons secundários é
diretamente proporcional à corrente do feixe incidente.
c) A densidade da amostra tem uma influência relativamente limitada e é geralmente
mascarada pelo efeito de filmes superficiais ou contaminação da superfície. Uma vez que materiais
com números atômicos mais altos têm uma distância de difusão menor, o número de elétrons de
alta energia é maior na região superficial para qualquer intensidade de feixe dado, aumentando o
número de elétrons secundários. Este efeito é mais pronunciado a energias de feixe baixas, quando
a distância de difusão é comparável ao caminho livre médio dos elétrons secundários.
d) O efeito mais pronunciado é o da topografia da superfície, ou mais precisamente, a
curvatura local da superfície. Qualquer região protuberante da superfície (raio de curvatura
positivo) melhora as chances de escape de elétrons secundários, enquanto que qualquer região
côncava (raio de curvatura negativo) gerará uma corrente de elétrons secundários reduzida
(associada com o aprisionamento local de elétrons secundários). Os elétrons secundários são
coletados por uma tensão aplicada no coletor, mesmo se partes da amostra estiverem obscurecida,
figura 4.42. Portanto, a imagem de elétrons secundários deve ser superior para estudos de
superfícies rugosas a alta resolução e bom contraste, figura 4.43.
Coletor Ca+200V
Amostra
Figura 4.42 – Coleta de elétrons secundários provenientes de regiões obscurecidas da amostra.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
95
Figura 4.43 – Uma imagem de elétrons secundários de partículas nanométricas de TiCN.
Aplicações
Duas importantes áreas de aplicação da microscopia eletrônica de varredura são a
fractografia e análise de falha, não apenas para ligas e metais de engenharia, mas também para
plásticos e compósitos (matrizes poliméricas, cerâmicas e metálicas), além de cerâmicas de
engenharia e dispositivos semicondutores, figura 4.44. Muitas outras classes de materiais também
têm sido estudadas utilizando essas técnicas, figura 4.45.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
96
Figura 4.44 – Alguns exemplos de falha em materiais de engenharia visualizados por microscopia
eletrônica de varredura: (a) Falha por fadiga mecânica em aço, (b) Fratura frágil em TiCN poroso e
(c) Fratura em um compósito de matriz polimérica reforçado com fibra.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
97
Figura 4.45 – Alguns exemplos de vários materiais estudados por microscopia eletrônica de
varredura: (a) Papel, (b) Osso e (c) Madeira.
Microanálise em Microscopia Eletrônica
Os raios-X emitidos sob excitação eletrônica são característicos dos constituintes químicos
de uma amostra sólida. Estes raios-X característicos podem ser selecionados a partir de um
espectro de radiação eletromagnética emitida e sua distribuição mostrada em uma linha de
varredura ou uma imagem pontual para fornecer informação qualitativa da relação morfológica
entre a microestrutura e a composição química de uma amostra.
Microanálise de Raios-X
Na microanálise de raios-X, os raios-X característicos emitidos de uma amostra analisada
por microscopia eletrônica (mais freqüentemente de varredura, mas também na transmissão) são
analisados qualitativamente e quantitativamente para determinar a relação entre a composição
química local da amostra e as características morfológicas.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
98
A base física da emissão de raios-X utilizados para microanálise está na excitação por um
feixe de elétrons de alta energia que é incidente em um alvo sólido. O que interessa agora é
explicar os fatores que influenciam a sensitividade e a precisão da microanálise. Estes incluem o
sistema de detecção e o programa de computador utilizados para converter os dados brutos em uma
estimativa quantitativa da composição, como também os procedimentos de preparação do espécime
e a geometria da amostra em relação ao detector, junto com a composição e microestrutura da
amostra.
Para simplificar a discussão assumiremos que a amostra é suave e planar e consideraremos
apenas os parâmetros geométricos de interesse, que são o ângulo no qual o feixe de elétrons atinge
a superfície do espécime e o ângulo subentendido pelo detector em relação a esta superfície. Se a
rugosidade da superfície está em uma escala que é pequena comparada à profundidade de difusão
dos elétrons incidentes (tipicamente poucos décimos de mícrons), não há erro significativo em se
assumir que a superfície é planar. Superfícies fraturadas, por outro lado, e superfícies que foram
severamente corroídas certamente não são planares e o programa de computador existente para
microanálise quantitativa não foi desenvolvido para esses tipos de espécimes. O mesmo se aplica a
pós, fibras e areias e os resultados das análises desses materiais devem ser compreendidas apenas
como sendo qualitativas. De fato, todos os procedimentos de correção computacionais disponíveis
para microanálise quantitativa assumem que a composição é homogênea, uma vez que a
microanálise quantitativa é aplicável apenas para regiões distantes dos contornos de fase e na
ausência de gradientes de concentração fortes.
Excitação Eletrônica de Raios-X
Se a energia do elétron incidente excede a energia requerida para ejetar um elétron de um
átomo do espécime, então lá existe uma probabilidade finita de um evento de ionização ocorrer. A
ionização do átomo ocorre por um evento de espalhamento inelástico que aumenta a energia do
átomo acima do estado padrão por uma quantidade igual à energia de ionização. A energia do
átomo pode então decair através de uma transição eletrônica para dentro de um estado que agora
está vazio. Todas essas transições são acompanhadas pela emissão de um fóton, e se o estado
excitado do átomo corresponde à ejeção de um elétron de uma das camadas mais internas do
átomo, então este fóton terá uma energia na região de raios-X do espectro.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
99
Em geral, o decaimento de um átomo excitado causa a emissão de vários fótons de
diferentes comprimentos de onda, cada um correspondendo a um estágio da transição do átomo
excitado de volta para o estado padrão. Portanto, a energia perdida pelo elétron incidente deve
exceder o limiar de energia do estado de ionização, para que este seja atingido, enquanto a energia
do fóton mais energético que pode ser emitido será sempre menor que este limiar de excitação.
Além disso, se considerarmos uma camada particular mais interna de elétrons, por exemplo, a
camada K, então, como o número atômico aumenta, a energia de ionização para elétrons que
ocupam esta camada também deve aumentar. Uma representação aproximada dessa situação é
ilustrada na figura 4.46.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
100
Figura 4.46 – (a) Um evento de espalhamento eletrônico inelástico, envolvendo a ionização de um
elétron de uma camada interna, aumentando a energia do átomo para o estado de ionização
apropriado, com subseqüente decaimento para um nível energético mais baixo acompanhado pela
emissão de fóton. O fóton emitido é característico da diferença de energia entre dois estados
energéticos. (b) A energia de ionização requerida para ejetar um elétron de uma dada camada
interna aumenta com o número atômico.
Imagens de Raios-X Característicos
O sinal de raios-X gerado a partir de um feixe colimado vem de um elemento de volume
definido pelo envelope de energias eletrônicas que excedem a energia requerida para excitar a
radiação característica de interesse. À medida que a voltagem do feixe é reduzida, este elemento de
volume encolhe, melhorando a resolução espacial potencial, mas ao mesmo tempo reduzindo o
sinal de raios-X emitido.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
101
A eficiência da geração de raios-X característicos é muito baixa e os raios-X gerados são
emitidos a altos ângulos, de forma que uma alta proporção deles é absorvida pela amostra. A coleta
de raios-X também é ineficiente. A coleta é geralmente acompanhada por um detector de estado
sólido. A alternativa é um espectrômetro cristalino que emprega um cristal diferente para cada
faixa de comprimentos de onda de interesse. A vantagem do espectrômetro cristalino (um
espectrômetro de comprimento de onda dispersivo – WDS) é que a resolução espectral é excelente,
reduzindo consideravelmente as chances de qualquer ambigüidade na atribuição de um
comprimento de onda característico para um constituinte específico.
O sinal de raios-X pode ser mostrado de três modos distintos, como segue:
a) Como um espectro, para identificar os elementos presentes a partir de seus padrões
característicos, figura 4.47. Tal espectro pode ser coletado com o feixe estacionário em uma
localização específica na superfície da amostra (análise pontual), ou o espectro pode ser coletado
enquanto o feixe varre a área selecionada. Os tempos de coleta típicos para assegurar a detecção de
todos os elementos traços (de percentuais baixos) presentes são da ordem de 100 s.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
102
Figura 4.47 – Espectro de raios-X obtido de um espécime de alumina porosa parcialmente
infiltrada com magnésio, mostrando a presença de oxigênio, magnésio e alumínio em diferentes
regiões da microestrutura via linhas características superimpostas a uma radiação de fundo branca.
b) Como uma linha de varredura, na qual o feixe é transportado através da região
selecionada da amostra e a velocidade de detecção para um ou mais comprimentos de raios-X
característicos selecionados é mostrada como uma função da posição do feixe, figura 4.48. As
janelas de detecção são configuradas para excluir todos os outros comprimentos de onda que não
aqueles selecionados e o número de contagens para cada comprimento de onda característico de
interesse é mostrado para cada posição do feixe transverso.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
103
Figura 4.48 – Uma linha de varredura atravessa um espécime de alumina porosa parcialmente
infiltrada com magnésio, mostrando a intensidade das linhas características selecionadas (oxigênio,
magnésio e alumínio) como uma função da posição do feixe.
c) Como uma imagem pontual de raios-X ou um mapa elementar no qual cada fóton
característico detectado é gravado como um ponto branco na posição da tela correspondente às
coordenadas do feixe que é varrido sobre a área selecionada da superfície do espécime. A faixa de
comprimentos de onda é pré-selecionada em uma “janela”, correspondendo ao comprimento
característico do elemento de interesse, e mais de um elemento pode ser detectado simultaneamente
e mostrado em janelas separadas, que são geralmente codificadas por cor para os diferentes
elementos, figura 4.49.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
104
Imagem em elétrons secundários
Figura 4.49 – Imagens pontuais de raios-X para alumínio e magnésio revelam a distribuição
elementar dentro de uma área selecionada de uma liga bifásica Mg-Al12Mg17. A imagem pontual
pode ser correlacionada com o contraste da imagem eletrônica secundária para identificar os grãos
das duas fases.
Emissão de Elétrons
A coluna da óptica eletrônica consiste num canhão eletrônico e duas ou mais lentes
eletrônicas. O canhão eletrônico provém de uma fonte estável de elétrons que são obtidos
geralmente através de um processo chamado de emissão termoiônica. Em altas temperaturas,
elétrons num filamento possuem energia suficiente para superar a função trabalho Ew (energia de
ligação na superfície do filamento). A energia E que representa o trabalho necessário para remover
um elétron até o infinito, a partir do nível de energia livre mais baixo, é dada por (4.32):
E = EW + EF
(4.32)
Onde EF é a energia de Fermi do metal.
A densidade de corrente eletrônica Jc para o filamento é dada pela lei de Richardson,
equação 4.33:
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
105
 EW 


2  kT 
Jc  AcT e
(4.33)
Onde Ac (A/cm2 K2) é uma constante dependente do material do filamento, T a temperatura e k é a
constante de Boltzmann.

O filamento tem uma forma em V com uma ponta tendo um raio de 5 a 100 µm. Os
filamentos são de tungstênio ou de boreto de lantânio que tem alto valor de Ac e baixo valor de Ew.
O filamento é aquecido diretamente por uma fonte de tensão e mantido a um alto potencial
negativo, independente do potencial aplicado para aquecer, com valores entre 1–60 kV, durante a
operação. Os elétrons emitidos são acelerados pela diferença de potencial criada entre o catodo e o
ânodo (terra). Em torno do filamento existe uma grade ou cilindro chamado de Wehnelt com uma
abertura cilíndrica no ápice do filamento. Este cilindro encontra-se num potencial negativo entre 0
e 2,5 kV em relação ao catodo e permite criar uma geometria particular de campo elétrico capaz de
focalizar os elétrons. Neste ponto, o feixe tem um diâmetro d0 e um ângulo de divergência 0, no
qual passa um fluxo cuja densidade de corrente eletrônica é Jb, sendo que esta mesma densidade
pode ser focalizada num ponto da amostra, se não existirem aberrações na óptica eletrônica que
segue o canhão, conforme equação 4.34:
Jb 
ib
d 2
  0 
 2 
(4.34)
Onde ib é a corrente total do feixe eletrônico, tipicamente 100-200 µm (15-25 mA em tubo de
raios-X).

O ângulo máximo de divergência  é determinado pela aberração da lente final do sistema
da imagem. Assim, o parâmetro mais importante do canhão eletrônico é a densidade de corrente
por unidade de ângulo sólido, chamado brilho . Este parâmetro é definido a partir da equação 4.35
e dado em A/cm2sr:

corrente
4i
 2 2 2
(área)  (ângulo sólido)  d 
Segundo Langmuir, o brilho máximo é dado, para alta voltagem, por (4.36):

J e E 11600Jc E 0
 c 0 
kT
T
(4.35)
(4.36)
Onde Jc (A/cm2) é a densidade de corrente na superfície do catodo e E0 (V) é a tensão da
aceleração, equação 4.37:
Clodomiro Alves Júnior

Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
Jb 
106
JceE 0 0
kT
(4.37)
Focos Eletrostático e Eletromagnético

Elétrons são influenciados por campos eletrostáticos e magnéticos e podem ser focalizados
ajustando-se apropriadamente a geometria do campo. Na região do canhão de elétrons, o feixe é
influenciado pelo campo eletrostático criado por um desvio entre o ânodo e o cilindro, que
geralmente cria o primeiro foco, fonte “virtual”. Todos os focos subseqüentes no microscópio
eletrônico são magnéticos e obtidos por lentes eletromagnéticas equipadas com pólos de ferro leve
(essencialmente com histerese zero). O comprimento focal das lentes eletromagnéticas é controlado
pela variação da corrente da lente.
A imagem formada pelos elétrons focalizados utilizando uma lente eletromagnética difere
em muitos aspectos importantes daquela formada pela focalização de luz utilizando uma lente de
vidro. Inicialmente, a imagem é rotacionada, para que o foco das lentes objetivas seja
acompanhado pela rotação da imagem sobre o eixo óptico. Isto permite que duas imagens do
mesmo objeto, tomadas a magnificações diferentes, também possam ser rotacionadas uma em
relação à outra.
No microscópio de luz óptica, há uma mudança abrupta no índice de refração quando a luz
é desviada e entra em uma lente de vidro, enquanto o índice de refração é constante dentro da lente
de vidro. Com uma lente eletromagnética, o desvio dos elétrons é contínuo e o campo magnético
criado pelos pólos da lente varia continuamente sobre o caminho óptico dentro da lente.
Finalmente, o ângulo subentendido pelo caminho do elétron em relação ao eixo óptico é
sempre muito pequeno (< 1) para o qual o comprimento do caminho através do campo magnético
da lente é muito longo, quando comparado ao espalhamento do feixe. Isto pode ser comparado ao
caso do microscópio óptico, para o qual a abertura numérica da objetiva pode corresponder a um
ângulo de aceitação para a luz espalhada entre 45 e 90.
Lentes eletromagnéticas espessas e finas
A física do foco eletromagnético significa que a óptica geométrica simples que aplicamos
para o microscópio de luz óptica é uma aproximação muito inadequada da óptica de formação de
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
107
imagem do microscópio eletrônico. Em particular, as relações simples entre o comprimento focal, a
magnificação e as posições relativas de objeto e imagem ao longo do eixo óptico não se mantém
porque se assume que a lente é fina quando comparada ao caminho óptico total entre objeto e
imagem. Na verdade, esta aproximação de lente fina também é insuficiente para objetivas de alta
resolução e é substituída por cálculos muito mais complexos de lente espessa. Na microscopia
eletrônica, todas as lentes são lentes espessas.
Resolução e Foco
O limite de difração na resolução é, como na microscopia de luz óptica, dada pelo critério
de Raleigh, isto é  = 0,61/ sen . No vácuo,  = 1 e para ângulos pequenos sen = . Inserindo
a expressão dada previamente para o comprimento de onda em termos da voltagem de aceleração,
obtemos d = 0,61/ = 0,75/[(V)1/2(1 + 10-6V)]. Para um dado ângulo de divergência deveria ser
possível melhorar a resolução aumentando a voltagem de aceleração. Microscópios eletrônicos
experimentais têm sido construídos com voltagens de aceleração acima de 3MV, mas os
instrumentos comerciais estão limitados a cerca de 1 MV. Nessas voltagens, a maioria das amostras
está sujeita à experiência extensiva de dano de radiação, especialmente após exposição prolongada.
A maioria dos microscópios eletrônicos de alta resolução é operada a 300 ou 400 kV, ou seja, no
limite para o ataque de dano de radiação na maioria dos materiais. A estas voltagens a resolução
ponto a ponto da ordem de 0,15–0,2 nm é prontamente e rotineiramente atingível.
As lentes eletromagnéticas utilizadas para focar o feixe e a imagem no microscópio
eletrônico operam sobre uma proporção apreciável do caminho óptico do microscópio e sofrem
defeitos de lente muito severos que limitam a precisão do ângulo de divergência a uma fração de
grau. Os defeitos de lentes mais importantes são as aberrações esférica e cromática, além do
astigmatismo.
4.2.3 - Microscópia Eletrônica de Transmissão
O microscópio eletrônico de transmissão é análogo ao microscópio óptico de transmissão –
mas geralmente invertido, no sentido que a fonte do feixe de elétrons está no topo da coluna do
microscópio, enquanto que o sistema de gravação está no fundo, ver figura 4.50. O canhão de
elétrons substitui a fonte de luz e é mantido a uma alta voltagem (tipicamente de 100–400KV). O
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
108
filamento de tungstênio aquecido é capaz de gerar uma densidade de corrente de feixe de elétrons
da ordem de 5104Am-2, enquanto cristais de hexaborato de lantânio geram 1106Am-2. Uma fonte
de emissão de campo, por comparação, pode gerar densidades de corrente da ordem de 11010Am2
. Os elétrons de alta energia do canhão são focalizados por um sistema de lentes condensadoras
eletromagnéticas, cujo foco é ajustado pelo controle das correntes das lentes (não pela posição das
lentes como seria o caso do microscópio óptico). O suporte do espécime é muito mais complexo
que o indicado no diagrama da figura 4.50 e permite a inclinação do espécime bem como algum
ajuste ao longo do eixo óptico z. Um ponto importante para se notar é que o foco fino da imagem
no microscópio eletrônico de transmissão não é atingido ajustando-se a posição do espécime ao
longo do eixo z (para alterar sua distância a partir das lentes objetivas), mas sim pelo ajuste da
corrente das lentes objetivas eletromagnéticas para focar a primeira imagem a partir dos elétrons
espalhados elasticamente e transmitidos, através do espécime do filme fino. O sistema de imagem
final também emprega lentes eletromagnéticas e a imagem final é observada em uma tela
fluorescente. Densidades de corrente de tela típicas são da ordem de 10-10 a 10-11Am-2, mas podem
ser mais baixas nas magnificações mais altas. Emulsões fotográficas foram comumente utilizadas
para gravar a imagem final, mas como em um microscópio óptico, os avanços no desenvolvimento
de dispositivos de carga acoplada combinado com processamento de imagem computadorizada
estão deixando a gravação da imagem digital incrivelmente competitiva.
O feixe de elétrons de alta energia tem um comprimento de caminho muito limitado no ar,
por isso a coluna do microscópio eletrônico deve estar sob vácuo. A contaminação do espécime sob
o feixe (o desenvolvimento de camada carbonácea na superfície do espécime) é um problema sério
que pode restringir o tempo de visão para uma área particular e limitar a resolução atingível. Em
geral, o vácuo deve ser melhor que 10-6 torr, enquanto que para a resolução mais alta um vácuo de
10-7 torr é desejável e todas as fontes de contaminação devem ser aprisionadas, geralmente por
resfriamento criogênico das vizinhanças do espécime.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
109
Fonte
Coluna
de vácuo
Condensador
Plataforma da
amostra
Controle
de posição-z
Objetiva
Sistema de
imagem
Sistema de
gravação
Figura 4.50 – Diagrama esquemático do microscópio eletrônico de transmissão.
4.2
4.2.3 - Comparação entre Microscópio Eletrônico de Transmissão e Varredura
Este tópico pretende comparar o desempenho dos microscópios eletrônicos de transmissão
e varredura para distinguir claramente suas principais características.
As diferenças básicas na operação dos instrumentos de transmissão e varredura podem ser
resumidas em termos dos dois modos de coleta de dados que são empregados para formar a
imagem. Nos microscópios eletrônicos de transmissão e varredura, a informação é coletada
continuamente sobre o campo total de visão e focalizados por lentes apropriadas para formar uma
imagem ampliada. Em outras palavras, os dados de todos os pontos da imagem são coletados
simultaneamente e o tempo requerido é o mesmo que é necessário para obter um sinal significativo
estatisticamente de um único ponto da imagem. Na microscopia eletrônica de varredura, a
informação é coletada seqüencialmente, cada ponto por vez, porque o feixe é varrido através do
campo de visão. A velocidade de varredura deve ser restrita para assegurar que o sinal gravado do
espécime para cada ponto de imagem é estatisticamente adequado, e o tempo total requerido para
formar a imagem é determinado por esta velocidade de varredura mínima e pelo número de pontos
da imagem. Esta é a distinção entre uma imagem óptica, na qual os dados da imagem são
adquiridos para todos os pontos da imagem simultaneamente, e a imagem de varredura, na qual a
imagem é desenvolvida seqüencialmente (um ponto por vez).
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
110
A Óptica de Formação de Imagem
Como visto anteriormente, a imagem primária na transmissão é focalizada pela lente
objetiva, enquanto um outro conjunto de lentes aumenta a imagem final. No microscópio eletrônico
de varredura, a imagem é desenvolvida ponto a ponto, através da coleta do sinal que é gerado pela
interação do feixe eletrônico com o que é varrido através da superfície da amostra.
Profundidade de Campo e Profundidade de Foco
Como no microscópio de luz óptica, a profundidade do campo do microscópio eletrônico de
transmissão é limitada pela abertura numérica da lente objetiva e pela resolução do microscópio,
mas já que a abertura da lente é tão pequena, a profundidade do campo no microscópio eletrônico
de transmissão excede a resolução por no mínimo duas ordens de magnitude.
No microscópio eletrônico de varredura, o feixe eletrônico é focado por uma lente
colimadora, cuja operação é análoga à da lente objetiva na transmissão. Entretanto, processos de
espalhamento inelásticos, que ocorrem durante a interação do feixe incidente com o espécime junto
com a necessidade de uma corrente de sinal adequado, normalmente limitam o tamanho do feixe e,
portanto, a resolução para a faixa de nanômetro. Com uma abertura angular para as lentes da ordem
de 10-3, a profundidade do campo no microscópio eletrônico de varredura (/) é tipicamente da
ordem de mícrons, consideravelmente melhor que no microscópio óptico e com uma resolução
melhorada.
Então, enquanto o microscópio eletrônico de transmissão e o microscópio de luz óptica
geram uma imagem bidimensional de uma fatia fina e planar do interior do material, a imagem no
microscópio eletrônico de varredura pode conter informação em foco considerável da topografia
tridimensional da superfície. Além disso, a coleta de dados da imagem varrida é feita ponto a ponto
e a questão da profundidade do foco não surge, já que agora não há imagem focalizada no senso
óptico.
Forma e Dimensões do Espécime
Os requerimentos da imagem eletro-óptica na microscopia eletrônica de transmissão
colocam o espécime próximo ao plano focal posterior da lente objetiva, e geralmente dentro do
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
111
campo magnético da lente. O espaço disponível para o espécime é, portanto, mínimo em adição as
limitações intrínsecas de espessura da amostra que são ditadas pela penetração restrita e pelo
espalhamento inelástico do feixe de elétron, há também limitações de dimensões laterais da
amostra. O diâmetro do espécime é tipicamente menor que 3 mm, do qual apenas a região central
está realmente disponível para examinação.
Em contraste, uma amostra selecionada para o microscópio eletrônico de varredura está
embaixo da lente e é geralmente separada da lente do campo magnético por muitos milímetros.
Com uma distância de trabalho longa, a lente que forma o feixe tem resolução razoável e está
disponível quando a separação entre lente/amostra é maior que 50 mm. A maioria das amostras têm
dimensões laterais similares àquelas utilizadas para microscopia óptica (20–30 mm), mas não há
razão inerente por que aparatos muito maiores deveriam ser inseridos dentro da câmara do
espécime.
Requerimentos de Vácuo
Os requerimentos de vácuo de qualquer microscópio eletrônico, de transmissão ou
varredura, são dominados pelos seguintes fatores:
a) O espalhamento de elétrons de alta energia por gás residual na coluna;
b) A estabilidade térmica e química do canhão de elétrons durante a operação;
c) A redução da contaminação do feixe induzido da amostra.
O fator menos significativo é o primeiro, já que um vácuo de 10 -5 torr é suficiente para
assegurar que o espalhamento dos elétrons de alta energia no feixe por gás residual seja
insignificante. O segundo fator é mais importante, e a fonte de elétron tradicional, um filamento de
tungstênio aquecido, é seriamente desgastada durante operação a 10-5 torr.
Entretanto, o fator mais importante que geralmente determina os requerimentos de vácuo é
geralmente o terceiro, já que a contaminação do espécime é mais freqüentemente o resultado de
uma interação inelástica entre o gás absorvido na superfície da amostra e o feixe de elétrons
incidentes. Os hidrocarbonetos que chegam à amostra serão polimerizados e pirolizados pelo feixe
incidente para formar uma camada de contaminação coerente e amorfa na superfície, obscurecendo
todo o detalhe morfológico da amostra.
O efeito pode ser inibido por resfriamento criogênico das vizinhanças do espécime que
aprisionam as espécies contaminantes condensáveis e este é o procedimento geral adotado para
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
112
microscopia eletrônica de transmissão. Entretanto, os grandes espécimes empregados na
microscopia eletrônica de varredura tornam o aprisionamento criogênico muito menos efetivo,
enquanto a corrente de feixe muito alta concentrada no feixe eletrônico piora a velocidade de
contaminação. A única solução adequada é fazer a medida por passos para assegurar que a
contaminação não possa se originar no espécime (por exemplo, combinando plasma com uma
mistura de argônio e oxigênio para oxidar qualquer carbono da superfície) e trabalhar com o
melhor sistema de vácuo que se possa atingir.
Estabilidade de Voltagem e Corrente
É um erro assumir que as instabilidades de voltagem e corrente afetam apenas a
performance através de suas influências nas lentes objetivas e no feixe incidente. Em particular, o
microscópio eletrônico de transmissão é susceptível à distorção de imagem a partir de
instabilidades elétricas do sistema de varredura. Isto pode ser devido muitas causas, mas são os
resultados que preocupam, notadamente nas magnificações efetivas para as direções de varredura x
e y, distorção de cisalhamento da imagem na direção x e pequena variação da imagem. Todos esses
defeitos de imagem são resultado direto do método ponto a ponto de construção da imagem e são
uma conseqüência das distorções da trilha de varredura das coordenadas x-y do feixe incidente em
relação a da imagem.
4.2.4 - Microscópia eletrônica de campo iônico
Este microscópio constitui uma ferramenta essencial para o estudo de superfícies. Pode ser
utilizado em diversas áreas da pesquisa, como ciência e engenharia de materiais, nanotecnologia,
geologia, e biologia. No caso da ciência e engenharia de materiais ele tem se mostrado fundamental
para a caracterização superfícies de diferentes tipos de amostras.
Desde o primeiro instrumento, desenvolvido em 1965, muitos avanços tem sido feitos e um
destes foi o desenvolvimento de fontes eletrônicas de alto brilho como o catodo de LaB6 (lantânio
hexaboreto). Com essa fonte, uma maior corrente de elétrons pode ser concentrada em um feixe
pontual e uma melhora significativa na resolução pode ser obtida. A fonte eletrônica de emissão de
campo foi primeiramente usada em 1942 e atualmente vem sendo utilizada para obtenção de
imagens de alta resolução. A vantagem do canhão de emissão de campo reside no fato de que a
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
113
fonte é pequena, proporcionando a visualização de imagens na faixa de nanômetros e em alta
resolução. Essas fontes de emissão de campo, no entanto, exigem uma rígida limpeza e altos
vácuos, da ordem de 10-8 Pa para que possam operar de modo confiável.
Através deste equipamento é possível se analisar de maneira mais detalhada diversas
características topográficas e estruturais em escalas micro e nanométrica, até então impossíveis de
se analisar no microscópio eletrônico de varredura convencional, devido aos elevados valores de
resolução que podem ser atingidos. É possível ainda analisar, de forma semi-quantitativa, a
composição química destes materiais. Este tipo de microscópio apresenta magnitudes na faixa de
10 até 700.000x, ou seja, muito superiores às encontradas no microscópio de varredura
convencional que são da ordem de 50.000x. Na figura 4.51 está apresentado o microscópio
eletrônico de varredura de campo iônico.
Figura 4.51 – Microscópio eletrônico de varredura de campo iônico.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
114
Algumas das aplicações deste tipo de microscópio são: a análise de características
superficiais, o exame e quantificaçao de nano-ranhuras, microestrutura de sistemas tensoativos,
caracterização de amostras biológicas com muita eficiência, medida da espessura de camadas de
dispositivos magnéticos e caracterizaçao de contornos de grãos em cerâmicas. Nas figuras 4.52 (a)
e (b) estão apresentados exemplos de detalhes que podem ser analisados com precisão e em altas
resoluções, utilizando-se o sistema FEG-SEM.
a) Cristais de sódio-alumínio
b) Bactéria Shewanella oneidensis
Figura 4.52 – Exemplos de amostras de microorganismos que podem ser analisados com precisão
no FEG-SEM.
O canhão de emissão de campo consiste numa ferramenta que é acoplada ao MEV
convencional e está equipado com um detector de SE (elétrons secundários), que possibilita a
visualização de contrastes topográficos de alta resolução, microsonda de EDX/EDS, e BSE
(Electron backscttered diffraction), que possibilita a análise de contrastes de número atômicos que
fornecem informações qualitativas e quantitativas sobre a amostra estudada. As micrografias são
obtidas na forma de imagens digitais em *.BMP, *.TIFF ou *.JPG, e em formatos de 640x480;
1280x960 ou 1560x1920 pixels.
A fonte de campo de emissão de elétrons combina alto brilho e baixa energia dos elétrons
com uma alta estabilidade e baixa irradiação de ruídos de emissores térmicos. Ele possui um
propugnador de feixe, o qual elimina, entre outras coisas, a interferência ao longo do percurso do
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
115
feixe, proporcionando a operação em enegias de feixes muito baixas. Esses feixes de baixa ou alta
energia promovem uma melhora na resolução espacial, minimizando danos nas amostras. É
indicado para aplicações onde se deseja obter elevadas resoluções.
O FEG-SEM é equipado com dois detectores de elétrons secundários, um para trabalhos em
baixa resolução e outro para aplicações onde seja necessária alta resolução das imagens. O detector
BSE encontra-se em estado sólido e é otimizado para pequenas distâncias de trabalho.
4.2.5 - Microscopia eletrônica de varredura ambiental – MEVA
Recentemente, um novo tipo de microscópio eletrônico de varredura, o microscópio
eletrônico de varredura ambiental (E-SEM – Environment scattering electron microscope) foi
desenvolvido com o intuito de superar algumas limitações do MEV convencional. Este
microscópio possui uma capacidade de trabalho a baixas pressões atmosféricas. A pressão dentro
da câmara é uma variável que pode ser modificada visando facilitar o estudo de processos
dinâmicos, como molhamento e secagem, em altas magnitudes. Este equipamento propicia a
eliminação da necessidade da metalização de amostras de materiais eletricamente não condutores,
evitando-se, deste modo, os inconvenientes resultantes do preparo das mesmas pelo recobrimento
metálico utilizado para tornar a amostra condutora. A presença do recobrimento metálico pode
acarretar problemas como o mascaramento de informações e a eventual destruição de feições
estruturais delicadas, incapazes de resistirem a condições de alto vácuo.
Através deste equipamento é possível ainda a análise de amostras eletricamente não
condutoras,
úmidas,
contaminadas
com
óleo,
com
gás
aprisionado,
fluorescentes,
catodoluminescentes ou com estruturas frágeis. É possível ainda a realização de investigações de
processos dinâmicos ou reações que ocorram na presença de uma fase líquida ou gasosa, tais como:
hidratação, desidratação, dissolução e cristalização, aquecimento, resfriamento propagação de
fraturas, etc.
No MEVA pode ser acoplado a um Espectômetro de Energia Dispersiva (EDS) para a
identificação e análise química semi-quantitativa e possibilita a obtenção de imagens digitalizadas
com três resoluções diferentes: 512 x 512, 1024 x 1024 e 2048 x 2048 pixels. Na figura 4.53 está
apresentado o MEVA da Philips, modelo ESEM-2020 - Electroscan, equipado com EDS (EDAX).
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
116
Figura 4.53 – Microscópio eletrônico de varredura ambiental Philips ESEM-2020.
O MEVA permite analisar fatos que seriam impossíveis de ser analisados no MEV
convencional, como: crescimento de plantas, movimento de células ou bactérias e até mesmo a
dinâmica de reações, como por exemplo, a reação de hidratação do cimento. Na figura 4.54 está
apresentada uma imagem de um tipo de microorganismo, conhecido por Phyllocoptes fructophilus,
obtida no MEVA.:
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
117
Figure 4.54 – Phyllocoptes fructophilus analisado por MEVA. (Fonte: West Virginia University
Anatomy Department.)
Este equipamento possui sistema de vácuo especial que utiliza pequenas câmaras
intermediárias entre a câmara de amostras, e trabalha sob condições de baixo vácuo (1 -10 Torr) e a
câmara onde está a coluna ótico-eletrônica submetida a alto vácuo (< 10-5 Torr), além de detetores
projetados especialmente para operarem com pressões de vapor d’água (ou de outros gases) no
interior da câmara de amostras entre 1,0 e 10 Torr, utilizando o princípio da ionização dos gases.
Um sofisticado sistema de bombeamento diferencial e uma série de aberturas limitadoras
da pressão são usados neste tipo de microscópio para criar um gradiente de pressão entre a câmara
(900 Pa) e compartimento do canhão eletrônico (10-5 Pa), figura 4.55. Assim, o canhão eletrônico e
a coluna do feixe permanecem em alto vácuo, enquanto a amostra encontra-se numa pressão e
temperatura próximas as ambiente. Com esta pressão relativamente alta no compartimento da
amostra, a mesma permanece úmida ou hidratada durante a análise, e a maioria dos líquidos podem
ser observados por esta técnica.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
118
Canhão de
elétrons
Lentes
condensadoras
Abertura de
projeção
Estigmador
Bobinas de
varredura
Lentes objetivas
Detector EDS
Foco
Entrada de gás
Câmara
da
amostra
Figure 4.55 – Coluna ótica eletrônica e sistema de bombeamento diferencial do MEVA.
A imagem é gerada por um detector de elétrons secundários desenvolvido especialmente
para este intrumento e segue o principio de que elétrons secundários emitidos da amostra colidem e
ionizam moléculas neutras do ar, criando um efeito cascata e produzindo mais elétrons, assim
multiplicando efetivamente o sinal do detector de elétrons secundários. Para manter a elevada
resolução do MEV e minimizar o espalhamento de elétrons primários pelas moléculas do gás, a
distância de trabalho entre a amostra e a lente final é mantida a menor possível. Alguma mudança
superficial gerada na amostra pelo feixe de elétrons primários é neutralizada pelo número de íons
positivos de movimento lento, que são formados com a interação do gás na câmara e os elétrons
secundários emitidos da amostra. Para o bom funcionamento deste equipamento é necessário se
encontrar a combinação certa de aceleração da voltagem, tamanho do spot, pressão de vapor, e
distancia de trabalho (muito importante), bem como se trabalhar com uma amostra que não tenha
superfície condutora.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 4 – Princípios Físicos das Técnicas de Caracterização
119
No modo ambiental é possível ainda a realização de experimentos dinâmicos em diferentes
estágios de temperatura, numa faixa de 20 até cerca de 1500C, de modo que a amostra possa ser
analisada em cada passo do processo de aquecimento/resfriamento. É possível se trabalhar dentro
de uma faixa de 20C acima ou abaixo da temperatura ambiente. A combinação de baixa
temperatura (e.g. 4C) e uma elevada pressão de vapor (e.g. 6,1 Torr) nos permite alcançar 100 %
de umidade relativa na superfície da amostra. Com 100% de umidade relativa não desidratamos a
amostra durante o processo de obtenção da imagem. Com umidade relativa abaixo de 100%, a
amostra úmida perderá água constantemente com o vácuo na câmara bombeando a mesma para
fora, promovendo um constante movimento na amostra.
Clodomiro Alves Júnior
CAPÍTULO 5
TÉCNICAS DE PREPARAÇÃO DE AMOSTRAS
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
121
5 - TÉCNICAS DE PREPARAÇÃO DE AMOSTRA
Os métodos de preparação de superfícies para investigações macroscópicas e microscópicas
de materiais são numerosos e variados. No caso particular de observação por microscopia óptica,
faz-se necessário uma superfície que possua contrastes para definir microestruturas nos diferentes
níveis. A tabela 5.1 apresenta uma série de dimensões que estão contidas nestes diferentes níveis
microestruturais.
Tabela 5.1 – Dimensões médias importantes em análise microestrutural
TAMANHO
DESCRIÇÃO
0,1(nm)
– 0,5
Distâncias interatômicas e defeitos pontuais
0,2 – 1,0
Espessura de contornos de grãos, interfaces e falhas de
empilhamento
> 3,0
Espaçamento entre falhas de empilhamento
> 3,0
Espaçamento entre discordâncias
> 100
Diâmetro de subgrão e de grão
102 – 107
Segregação em peças brutas de fusão
Obviamente que nem todas as dimensões apresentadas acima podem ser observadas por
microscopia óptica. Observe que a resolução do microscópio eletrônico é da ordem de grandeza
maior que a maioria dos entes normalmente encontrados numa superfície de um material como
riscos, sujeiras (hidrocarbonetos deixados durante o manuseio), poeiras, etc. Portanto, para
observar a microestrutura de um material será necessário prepararmos a superfície de modo que
elimine os possíveis “ruídos”. A preparação de uma superfície deve seguir procedimentos
cuidadosos para que se possa ao final ter uma imagem possível de ser analisada
microestruralmente. Dependendo do material e da necessidade de observação, o procedimento
pode variar. Entretanto, para uma melhor compreensão do rigor necessário desta etapa, serão
apresentadas algumas opções de rota para que o pesquisador possa avaliar criticamente um
procedimento particular.
De um modo geral, a preparação de uma superfície para observação microestrutural por
microscopia óptica ou eletrônica segue o procedimento da figura 5.1.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
122
Corte
Embutimento
Marcação
Lixamento
Polimento
Ataque
Observação no
microscópio
Figura 5.1 – Etapas utilizadas durante a preparação de uma superfície para observação
microestrutural.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
123
4.3 5.1 – Corte
A escolha e localização da seção a ser cortada dependerão do que se deseja estudar. O corte
ou seccionamento de amostras pode ser feito de diferentes modos. Comumente ele é feito por
discos de corte, os quais consistem de um meio abrasivo – geralmente óxido de alumínio, carbeto
de silício ou diamante – que são dispersamente distribuídos num meio aglutinante como resina de
baquelite, borracha ou metal. O disco abrasivo deve executar o corte com rapidez evitando,
contudo, a geração de calor e/ou deformações plásticas e mecânicas na superfície da amostra. O
grão abrasivo e o meio de dispersão devem estar perfeitamente adaptados para que permitam um
corte preciso e isento de qualquer tipo de defeito na superfície da amostra.
Uma regra básica para escolha dos discos de corte é que materiais moles sejam cortados por
abrasivos duros e vice-versa. De modo mais específico, a tabela 5.2 mostra algumas características
de discos para diferentes tipos de materiais. É importante notar que o corte por discos como estes
associa uma série de fatores que contribuem decisivamente na boa qualidade da superfície. Dentre
estes pode-se citar: atrito, erosão, desgaste abrasivo e deformações. Durante a operação de corte,
deve-se tomar o máximo de cuidado para não aquecer a peça. Para isto as cortadeiras
metalográficas devem ter um sistema de refrigeração capaz de manter a temperatura da amostra em
níveis inferiores a 100 0C. Deve haver também um sistema de fixação da amostra para evitar
vibrações, fraturas e imprecisão de corte e um sistema de movimentação da amostra com controle
micrométrico para evitar deformações plásticas ou quebra do disco. Enfim, deve-se usar o bom
senso durante o corte da amostra.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
124
Tabela 5.2 – Características do disco de corte para diferentes tipos de materiais
CARACTERÍSTICAS DO
Extremamente
duro, duro. Ex: aço
MATERIAL
ferramenta
Duros, dúctil. Ex: aços endurecidos
Dureza média, dúctil. Ex: aço
carbono em geral
CARACTERÍSTICAS DO DISCO DE CORTE
Abrasivo: Al2O3; extra mole
Al2O3, mole
Al2O3, dureza média
Dureza média, dúctil. Ex: aços doce
Al2O3, dureza média
Seções pequenas de aços doce
Al2O3, duro
Mole, dúctil. Ex: Al, Cu, etc.
SiC, dureza média
Dureza média, dúctil, para corte de
precisão
Al2O3, dureza média
Extremamente dúctil. Ex: Ti e ligas
SiC, especial
Quebradiço, corte de precisão de
Diamante, rebordo contínuo, montado em alma
cerâmicas e minerais
metálica
Quebradiço, corte extra fino de
Diamante, rebordo contínuo, montado em alma
cerâmica e minerais
metálica
Extremamente dúctil. Ex: Carbetos
Diamante, rebordo contínuo, aglutinado em
baquelite.
4.4
A figura 5.2 mostra uma cortadeira metalográfica para uso geral. Usos específicos como
corte de precisão, corte de materiais extra frágeis, etc., também estão disponibilizados no mercado.
Disco de corte
Refrigeração
Movimentação da
amostra
Figura 5.2 – Cortadeira metalográfica com visor de acrílico, para trabalho de uso geral.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
125
4.5
5.2 - Embutimento
Após o corte, a amostra precisa ser montada, de modo a facilitar o seu manuseio e evitar
corte de lixas e panos de polimento, provocados por cantos vivos na amostra cortada. A montagem
deve ser realizada de modo que o corpo de prova final tenha um diâmetro em torno de 30 mm e
altura de 10 mm. Para isto embute-se a amostra em meios que serão definidos pela finalidade de
uso. Pode-se embutir em materiais condutores quando se necessita fazer algum procedimento que
precise de contato elétrico com a amostra, polimento eletroquímico, por exemplo. Neste caso, o
embutimento se faz por prensagem a quente usando como meio pós de cobre. Muitas vezes o
material é extremamente poroso e frágil. Neste caso impregna-o com resina a frio e em vácuo de
modo a aumentar a adesão das partículas. Outras vezes o material é extremamente duro e, se a
resina for mole, formará depressões na interface resina/amostra, sendo futuramente fonte de
desgaste por erosão. Esta erosão causará abaulamento das bordas, dificultando a sua visualização.
A fim de evitar isto, duas soluções podem ser utilizadas: i) apoio mecânico, em que um material de
sacrifício é colado a esta superfície. ii) aumento da dureza da resina através da inclusão de
partículas duras como Al2O3. Pode-se ainda se fazer embutimento de pós, quando a amostra a ser
analisada consiste em partículas de um pó. O procedimento será descrito nos itens que se seguem.
Como pode ser observado, existe uma infinidade de possibilidades para atender os mais diversos
fins. Os livros texto normalmente apresentam estas possibilidades em dois grande grupos, a saber:
embutimento a quente e embutimento a frio. O primeiro está em uso decrescente pelas seguintes
razões:
o Crescimento do uso do embutimento a frio devido às novas resinas;
o Alto custo no investimento, devido à necessidade de aquisição de uma prensa de moldagem;
o Maior tempo para embutimento.
No embutimento a frio, o grande crescimento de uso se deve, principalmente, ao avanço nas
pesquisas de novas resinas com as mais diversas propriedades. Praticamente toda aplicação onde o
embutimento a quente era importante, hoje pode ser substituído pelo embutimento a frio. Assim,
esta apostila fará uma revisão apenas neste tipo de embutimento.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
126
Embutimento a frio
O embutimento consiste em circundar a amostra com um material adequado, formando um
corpo único. O embutimento a frio é feito com resinas auto-polimerizáveis, as quais consistem
geralmente de duas substâncias mais o catalisador, formando um líquido viscoso quando
misturadas. A função do catalisador é diminuir o período de solidificação da massa. Esta mistura é
vertida dentro de um molde plástico onde se encontra a amostra, polimerizando-se após um certo
tempo como mostrado na figura 5.3. A reação de polimerização é fortemente exotérmica, atingindo
temperaturas entre 50 e 1200C, com tempo de endurecimento que varia de 0,2 a 24 h, dependendo
do tipo de resina e do catalisador. As paredes de contato do molde plástico com a resina devem ser
lubrificadas com um desmoldante (graxa de silicone ou vaselina), para facilitar a retirada do corpo
de prova. Deve-se observar, durante o embutimento, a perfeita centralização da amostra. Isto será
de grande importância durante a etapa de lixamento e polimento.
Figura 5.3 – Ilustração do processo de embutimento a frio com resina líquida. Insere-se a amostra,
adiciona-se o material de embutimento e remove-se a amostra do molde.
As principais resinas utilizadas neste processo são as resinas acrílicas, de poliéster e epóxi.
A resina acrílica, uma vez polimerizada, torna-se transparente e pertence ao grupo dos
termoplásticos. A mistura é constituída de duas substâncias mais o catalisador no estado líquido.
Este material resiste bem ao álcool, ácidos e bases em solução, mas possui o inconveniente de ser
solúvel ao contato com a acetona e solventes do tipo tetracloreto de carbono.
O poliéster consiste de duas resinas líquidas ao qual adiciona-se de 3 a 8 gotas de
endurecedor. Uma estufa com ventilação para homogeneização da temperatura às vezes faz-se
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
127
necessária. É um material de excelente resistência às soluções ácidas e básicas e de grande
aceitação, na metalografia, pelo seu reduzido tempo de cura.
O epóxi consiste de uma mistura de dois líquidos sintéticos sendo um deles o catalisador. O
material epóxi tem a vantagem de possuir baixa contração e viscosidade. No entanto, a mistura
requer, na temperatura ambiente, cerca de 12 h para solidificar-se. Ela é utilizada principalmente
para amostras de ligas metálicas com baixa temperatura de fusão ou que não possam sofrer
influência térmica durante o embutimento.
Técnicas para Retenção das Bordas
No exame ao microscópio de estruturas junto às regiões periféricas e/ou de camadas
enriquecidas por deposições ou tratamentos térmicos superficiais, o efeito de arredondamento das
bordas do corpo de prova constitui uma inconveniência que deve ser evitada. Este efeito é
provocado pelo desgaste da resina na interface com o metal. Como a resina geralmente desgasta-se
mais rápido que a amostra, cria-se uma depressão onde acumulam-se resíduos e pós abrasivos, os
quais, por desgaste abrasivo e erosivo, causam o arredondando das bordas da amostra. Este efeito
impossibilita ou dificulta a focalização, no microscópio, das áreas periféricas. A figura 5.4 ilustra
esta situação. Na parte superior da amostra há uma camada nitretada que pode ser visualizada
àscustas da desfocalização do substrato (parte inferior).
Figura 5.4 – Amostra de aço SAE 1010, nitretada ionicamente, apresentando efeito de abaulamento
das bordas.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
128
Vários fatores contribuem para a ocorrência deste fenômeno e cujas causas de maior realce
são:
o Diferenças de resistência à abrasão entre a resina e a amostra;
o Dureza da resina polimerizada;
o Dureza da amostra embutida.
No intuito de diminuir ou eliminar este desgaste irregular, algumas soluções foram
estabelecidas, a saber:
o Colagem de suporte metálico na amostra;
o Adição de metal (granalhas) na resina;
o Adição de alumina peletizada na resina;
o Adição de líquidos especiais na resina;
o Uso de eletro-deposição
A colagem do suporte metálico para amostras com tratamentos térmicos ou revestimento
superficiais é o que apresenta melhor resultado. A adição de partículas na resina como granalha e
alumina pode ser fonte de riscos na amostra, caso estes se desprendam durante o
lixamento/polimento. A adição de líquido endurecedor pode ser eficaz caso a resina tenha uma boa
aderência com a amostra. Se isto não acontecer, o espaço vazio deixado entre a resina e a amostra
fará o mesmo papel que a depressão originada do desgaste. O uso da eletro-deposição não é
aconselhável pelo risco de modificar a estrutura da superfície tratada/revestida.
A figura 5.5 dá detalhes da fixação do suporte metálico assim como a sua eficácia na
retenção das bordas.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
Suporte
metálico colado
129
Camada nitretada
amostra
(a)
(b)
Figura 5.5 – Amostra embutida com suporte metálico para retenção de bordas. (a) Detalhes da
colagem, (b) fotomicrografia mostrando a eficácia da proteção.
Técnicas para Impregnação de Resina à Vácuo
Na preparação metalográfica de amostras porosas algumas dificuldades podem ser
encontradas devido ao desprendimento de pós, inclusão de partículas abrasivas, absorção de ácidos,
etc. Um modo de evitar isto é com a impregnação a vácuo de resinas, de maneira a preencher os
poros do material. A resina epóxi é a mais indicada para este tipo de trabalho devido à sua baixa
pressão de vapor, viscosidade e alta resistência mecânica. O aparelho de impregnação a vácuo
consiste em um cilindro de vidro hermeticamente fechado, com duas saídas. Uma saida para o
sistema de vácuo e a outra para a alimentação de resina. Para se efetuar a impregnação, a amostra é
colocada em um porta amostra dentro do cilindro de vidro a vácuo. A bomba de vácuo succiona a
resina para o interior do sistema através de um tubo provido de uma pinça de MOHR, gotejador,
que controla a quantidade de resina a ser usada na impregnação. Na figura 5.6 tem um modelo
esquemático de um sistema de impregnação a vácuo.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
130
Bomba
de Vácuo
Gotejador
Amostra
Resina de
impregnação
Porta
amostra
Figura 5.6 – modelo esquemático do sistema de impregnação a vácuo.
Marcação e Identificação
Embora seja uma etapa óbvia, a marcação das amostras é uma parte muito importante na
preparação de amostras. Como ela é realizada após o embutimento, deve-se ter cuidado na
transição entre o embutimento e a marcação para que não se perca o controle da identificação. Uma
vez que estas amostras vão ser manuseadas com ácidos, acetonas, álcool, etc., a marcação não pode
ser realizada com etiqueta, tinta, ou outro material que não seja resistente a esses meios. De um
modo geral, o gravador elétrico vibrador, com ponta de metal duro, é a melhor escolha, produzindo
marcações com propriedades desejáveis, figura 5.7. Outras opções como o uso de punções, lápis
elétricos, entre outros podem alternativamente ser usados.
Figura 5.7 – Marcação de amostras utilizando gravador vibrador.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
131
4.6
4.7 Lixamento
Para se ter uma idéia de como atua o abrasivo na superfície do material durante o
lixamento, pode-se compará-la ao processo de usinagem. Assim, quando a ferramenta de desbaste,
com um determinado ângulo de corte, é pressionada contra uma peça em rotação, causa-lhe uma
zona de tensão, permanentemente deformada, de onde é extraída uma partícula denominada
cavaco. Para o lixamento, os grãos abrasivos são firmemente fixados num material aglutinante,
permitindo-se que os mesmos atuem simultaneamente como pequenas ferramentas de corte. Os
grãos abrasivos devem, portanto, ser agudos para diminuir a espessura da zona de tensão. A
espessura da camada deformada a frio tende a atingir um valor máximo cujo limite dependerá das
propriedades mecânicas do material trabalhado. Esta condição pode ser explicada pelo gráfico da
figura 5.8. Nota-se que a profundidade dos riscos produzidos na superfície do metal diminui,
linearmente, em função direta da diminuição do tamanho das partículas do abrasivo empregado. O
que se busca durante a operação de lixamento é controlar a espessura da camada deformada de
modo que seja mantida num valor mínimo possível. Ela é causada por vários fatores de preparo,
cujas causas principais são:
o Dureza e estrutura do abrasivo;
o Processo de lixamento/pressão de corte;
o Velocidade de lixamento;
o Quantidade de calor envolvida.
Se o abrasivo tiver uma dureza próxima ao material, o desgaste causará o arredondamento
das pontas, que contribuirá para aumentar a deformação do material. Semelhantemente, se as
partículas possuírem uma estrutura tal que aumente o ângulo de corte, a profundidade de
deformação também será aumentada.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
132
Tamanho de partículas do abrasivo (m)
Figura 5.8 – Profundidade de riscos em função do tamanho das partículas abrasivas
São vários os processos de lixamento existentes atualmente. Dentre eles pode-se citar:
o Lixamento em disco fundidos de chumbo;
o Esmerilhamento;
o Lixamento a seco;
o Lixamento úmido.
O processo utilizando discos fundidos de chumbo possui a grande inconveniência de se
fazer um novo acabamento superficial (usinagem) para cada renovação de abrasivos. Isto acontece
após completada 60 a 70 passagens do corpo de prova sobre o disco. Como atualmente o seu uso é
muito limitado, detalhes de confecção e operação deste processo serão suprimidos neste texto.
O esmerilhamento permite a obtenção de amostras perfeitas e é indicado para certos tipos
de preparações mineralógicas ou amostras de carbetos sinterizados. Ele é executado com a ajuda de
um disco de ferro fundido, com sulcos concêntricos, espirais ou lisos, usando pós abrasivos de
carbeto de silício ou boro. Alternativamente pode-se usar um disco de plástico rígido, permitindo a
preparação de amostras com grandes diferenças em dureza, isentas de deformações, através da
pasta de diamante de 1 a 45 m. Os grãos abrasivos estão soltos no discos e rolam livremente entre
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
133
o seu suporte e a superfície da amostra, ver figura 5.9. Devido a diferentes direções de força
aplicada, o abrasivo usado deve ter maior dureza do que a amostra, enquanto que o suporte deve
Profundidade (m)
ser preferência mole, permitindo uma certa penetração dos grãos.
AMOSTRA
FORÇA
GRÃO
SUSPENSÃO
DISCO
Figura 5.9 – Detalhes do mecanismo de desgaste durante o esmerilhamento.
O lixamento a seco segue o mesmo procedimento que o lixamento úmido com a diferença
de que é mais lento. Ele possui uso muito restrito. Justifica-se, principalmente, no exame
macrográfico e no preparo de algumas amostras de metais e ligas metálicas não ferrosas. Deste
modo será discutido aqui apenas o lixamento úmido.
A prática tem demonstrado a vantagem do lixamento úmido. A operação é mais cômoda
por ser isenta de pó. A técnica recomenda o emprego sucessivo de lixas com carbeto de silício
(SiC) de abrasividade números 120, 180, 240, 320, 400, 600, 1200, 1500 e 2000. Estes números
comerciais podem ser mais bem entendidos pela tabela 5.3, que associa estes números ao tamanho
médio dos grãos abrasivos. Este número comercial define o número de grãos que uma peneira, com
um determinado número de malhas por polegada, permite passar através da mesma.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
134
Tabela 5.3 – Relação entre número comercial de lixa e o respectivo tamanho de grão
NÚMERO
TAMANHO DO GRÃO
COMERCIAL
(m)
120
125-105
180
88-74
240
53-45
320
37-31
400
31-27
600
22-18
Lixamento Manual
Para execução do lixamento manual utiliza-se uma lixadeira como mostrada na figura 5.10.
Observa-se que ela possui uma inclinação de aproximadamente 20, para facilitar a retirada do
material removido da superfície da amostra, do material de embutimento em suspensão e do
abrasivo solto pela lixa através do fluxo de água.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
135
Fluxo de água
Fixação das lixas
com chapas de vidro
Figura 5.10 – Lixadeira manual
A maioria dos materiais utilizados para preparação metalográfica não requerem lixamento
de granulometria superior a 240. Neste caso, o procedimento recomendado é o uso de lixa 240,
320, 400 e 600. Assim, fixam-se chapas de vidro na lixadeira e sobre elas são colocadas as lixas na
ordem apresentadas acima. Recomenda-se o uso de pequeno fluxo de água; o suficiente para
manter a renovação permanente da película líquida sobre a lixa. O excesso de água diminui a
eficiência da lixa e provoca ondulações do papel, arredondando as bordas da superfície do material
ou aumentando a curvatura na região do canto vivo da resina. Isto diminui a superfície de apoio e
provoca o aparecimento de outros planos. Inicialmente usa-se a lixa 240. A operação de lixamento
deverá sempre ser desenvolvida de cima para baixo. O lixamento inverso faria com que fossem
depositados os resíduos, trazidos pela água, na superfície da amostra. Recomenda-se a limpeza da
amostra após o término do lixamento em cada lixa. A lavagem é necessária para que se possa
observar o acabamento superficial antes de passar para a lixa seguinte. A lavagem deverá ser feita
na seguinte seqüencia: limpeza em água corrente com um chumaço de algodão; imediata aplicação
de álcool sobre a superfície molhada para a rápida evaporação da água e imediata aplicação de ar
quente para a secagem. Para se evitar a presença de manchas após a secagem, é importante o
posicionamento como mostrado na figura 5.11. Ao passar para a lixa seguinte (granulometria 320),
deve-se tomar o cuidado de executar o lixamento numa direção que faça um ângulo de 90 com os
riscos da lixa anterior. Este procedimento é importante porque permite o acompanhamento do
desgaste da lixa através do desaparecimento dos riscos deixados pela lixa anterior. O tempo gasto
na lixa posterior normalmente fica em torno do dobro do tempo gasto na lixa anterior.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
136
Figura 5.11 – Posicionamento correto entre fluxo de ar quente e amostra durante a secagem.
Lixamento Mecânico Rotativo
O lixamento mecânico rotativo possui a indiscutível vantagem de preparar rapidamente o
corpo de prova. Entretanto, em função da elevada velocidade de remoção do material, torna-se
desaconselhável a sua utilização para iniciantes nos trabalhos metalográficos. As lixadeiras
utilizadas para este processo são do tipo mostrado na figura 5.12.
Figura 5.12 – Lixadeiras típicas utilizadas para o lixamento mecânico rotativo
A lixadeira consiste em um disco com a superfície usinada, geralmente de material plástico
resistente ou metal fundido, encaixado sobre o eixo cônico do motor. As unidades múltiplas podem
ser de um só motor cujos pratos são acionados pela polia do eixo do motor ou acionadas por motor
individual. A preferência por aparelho com motor individual é sensível, porque possibilita a
utilização de vários pratos em diferentes rotações. As unidades de um só motor têm o
inconveniente de, pelo tensionamento da polia, variar a rotação dos pratos em função da pressão
exercida pelo operador sobre a lixa afixada no prato. Essas lixadeiras devem ser isentas, o máximo
possível, de vibrações que possam alterar a pressão da amostra sobre a lixa.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
137
Ao posicionar o corpo de prova sobre o disco de lixamento deverá ter-se o cuidado de
segurá-lo no mesmo lugar com leve pressão. O lixamento não requer mais de 40 segundos em cada
lixa, qualquer que seja o material da amostra trabalhada. A técnica de preparação solicita fluxo de
água maior do que aquele empregado no processo fixo a úmido, o suficiente para remover o pó. As
lixas empregadas são de abrasividades idênticas àquelas utilizadas no lixamento manual. A boa
lavagem do corpo de prova entre a utilização das lixas é indispensável. Devido a elevada
velocidade de corte e atrito, a umidade presente entre a superfície metálica e a lixa provoca a
formação de uma fina massa aderente de pó da lixa e metal pulverizado (debris). A lavagem
deficiente da amostra, durante a passagem de uma lixa para outra, não remove a massa, a qual
passa para a lixa seguinte. Esta película vai contaminar as demais lixas e, finalmente, o pano de
polimento, inutilizando-o e provocando a revelação da estrutura “mascarada” após o ataque,
arruinando toda a preparação, ver figura 5.13.
O procedimento adequado exige a remoção intermediária da massa aderente através da
lavagem na mesma seqüencia descrita no lixamento manual. Embora a orientação de corte
possibilite a observação à vista desarmada do estado superficial do corpo de prova, recomenda-se a
análise ao microscópio para a verificação da qualidade do lixamento recém-terminado, antes de se
passar para a lixa seguinte. Segue-se com as usuais mudanças do sentido de lixamento (90) até a
lixa final.
Figura 5.13 – Estrutura mascarada provocada por lavagem deficiente durante o lixamento.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
138
4.8
4.9 Polimento
O polimento é um dos estágios mais importantes da seqüencia de preparação de amostras
metalográficas, cerâmicas e petrográficas, pois consiste em se obter uma superfície isenta de riscos
e deformações, permitindo observação de uma imagem clara e perfeita ao microscópio da estrutura
em exame. Inicialmente recomenda-se a limpeza como condição essencial ao bom procedimento,
acrescida de uma boa dose de paciência e cuidado. A sala do polimento deverá ter toda
aparelhagem coberta. Acessórios e dispositivos de trabalho devem ser guardados separadamente
em gavetas e prateleiras. Os panos de polimento, quando não estiverem em uso, deverão estar
guardados em caixas, sendo seu restrito aos materiais indicados, para cada tipo de pano, tipo de
abrasivo, grau de abrasividade e material a ser polido. Em hipótese alguma, poderíamos utilizar um
pano impregnado com alumina para o polimento com óxido de cromo ou polir uma liga de cobre
em pano utilizado no polimento de ferro fundido, por exemplo. Para evitar surpresas desagradáveis,
todos os recipientes e caixas deverão ter identificação clara e bem visível.
Os métodos empregados no polimento metalográfico se sobrepõem em vantagens e
desvantagens, dependendo da qualidade, forma, tamanho e condições da amostra a ser trabalhada e
do que se deseja observar. Os processos de polimento conhecidos e utilizados na metalografia são:
o Polimento mecânico manual;
o Polimento mecânico automático;
o Polimento eletrolítico;
o Polimento mecânico eletrolítico;
o Polimento químico;
o Polimento vibratório
Polimento Mecânico Manual
Utilizam-se politrizes circulares contendo pratos metálicos ou poliméricos cobertos por
tecidos especiais secos ou umedecidos por soluções polidoras aquosas, oleosas ou parcialmente
cobertas por agente polidor seco. Essas politrizes podem ser as mesmas utilizadas para lixamento
rotativo. Entretanto, cuidados devem ser tomados para que não se tenha vibrações que possam
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
139
comprometer o estado da superfície. Os pratos geralmente possuem diâmetros de 200, 250 e 300
mm, sobre os quais são fixados os panos para polimento. A fixação pode ser através de grampos ou
com auto-adesivos. Sobre o pano adequado, será colocado o abrasivo e o meio fluido
correspondente ao tipo de abrasivo. Os abrasivos normalmente utilizados são a alumina (Al 2O3) e o
diamante, contudo uma variedade de abrasivos pode ser encontrada no mercado, cada uma com
suas peculiaridades de uso. Se o abrasivo utilizado for a alumina, esta será colocada sobre o pano
adequado, umedecido com água, e um fluxo de água deve ser introduzido de modo a
continuamente renovar as partículas de alumina. Se o abrasivo for diamante, deve ser utilizado um
lubrificante a fim de dispersar as partículas abrasivas. Este lubrificante, à base de óleos vegetais, é
de coloração azul (indicado para polimento de materiais ferrosos) ou vermelha (indicado para
materiais não ferrosos). Inicialmente a pasta é espalhada sobre o pano de modo a não produzir
excessos após a colocação do fluido dispersante. Uma maneira prática é fazendo “traços” radiais
em torno do centro do pano de polimento.
O pano e a qualidade do pano determinam a velocidade de rotação do disco que, por sua
vez, dependerá do tipo do agente polidor a ser empregado. Para cada fase de polimento é
necessário um tipo específico de pano. A tabela 5.4 ilustra estes tipos. Quando utilizamos o pano
pela primeira vez aconselha-se, inicialmente, amaciar o tecido imergindo-o num recipiente de vidro
contendo água destilada. Esta imersão deve prolongar-se por um período nunca inferior a duas
horas. Após decorrido este período, remove-se o pano do vidro e estica-se o tecido sobre o disco da
politriz até ficar bem tenso. Quando os panos não estiverem sendo utilizados, devem ser removidos
dos pratos das politrizes. Após a remoção procedemos a sua lavagem da seguinte maneira:
o Ensaboa-se o tecido com sabão neutro, lavando-o cuidadosamente em água corrente. Deve-se
evitar o uso de escovas;
o Após a lavagem colocamos o pano dentro de um recipiente de vidro contendo água destilada
com 2% de HCl e tampa-se o vidro.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
140
Tabela 5.4 – Tipos de panos utilizados para as diferentes fases do polimento
FASE
PANO
Desbaste
lona
algodão de malha
dupla
Polimento grosso
veludo
feltro
veludo sintético
algodão
Polimento fino
rayon sintético
seda
algodão laminado
Polimento Mecânico Automático
Os mais diversos métodos de polimento automático que foram introduzidos apresentaram
algumas desvantagens associadas à deformações na superfície devido à velocidade de operação,
tempo de polimento, carga de trabalho, etc. Com o advento do microscópio de classificação
quantitativa automática, a preparação da superfície das amostras exigiu um método de trabalho
rápido e preciso, permitindo ação de desbaste, durante o polimento, o mais linear possível. O
controle da carga aplicada tornou-se ajustável para atender as necessidades do polimento. Assim, o
sistema automático atual permite que todas as variáveis de operação sejam perfeitamente
controladas pelo operador, eliminando a relação analista/amostra como segue:
A pressão de polimento é precisamente ajustável. A velocidade de trabalho do disco de
polimento é de 150 rpm, sendo que a velocidade absoluta da amostra (V3) é uma composição desta
velocidade com àquela relativa ao disco (V2), conforme ilustrado na figura 5.14. O suporte de
amostras, girando para uma nova posição, permite que as mesmas sejam polidas nesta, porém
sempre de modo uniforme. A figura 5.15 mostra a Politriz com sistema fixador de amostras
utilizadas neste processo.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
141
Figura 5.14 – Ilustração da composição de velocidades da amostra durante o polimento automático
Figura 5.15 – Politriz com sistema fixador de amostras.
Atualmente, estão disponíveis no mercado desde politrizes do tipo individual como a
apresentada na figura 5.16, que executa tanto o lixamento como o polimento automaticamente,
controlado por microprocessadores, até linhas completas onde amostras passam de uma fase de
preparação para outra sem a necessidade de mudar o disco (figura 5.17).
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
142
Figura 5.16 – Politriz da Buehler (MINIMET 1000) utilizada para lixamento/polimento
automático de uma única amostra.
Figura 5.17 – Linha de produção de amostras polidas. Cada módulo executa uma fase de
preparação metalográfica.
Polimento Eletrolítico
O polimento eletrolítico fundamenta-se no uso da amostra metálica como ânodo em um
circuito eletrolítico apropriado. Desta maneira, a ação eletrolítica remove a matéria da superfície
anódica do corpo de prova e, obedecendo a determinadas condições, efetua o polimento. O
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
143
processo não se restringe apenas à remoção de metal da superfície, suavizando também a seção
áspera do corpo de prova decorrente do lixamento. Portanto, este processo deverá superar as
irregularidades resultantes do lixamento. A economia de tempo no preparo da amostra e a ausência
de sucessivos polimentos e ataques para a revelação da estrutura verdadeira constituem as maiores
vantagens do processo. Entretanto, algumas desvantagens inerentes a esse método o colocam em
uma posição inferior aos demais. Dentre estas, pode-se citar:
o O eletrólito é muito sensível às condições ambientais e às composições da amostra;
o Corpos de prova embutidos em plásticos e resinas são atacados quimicamente;
o É necessário um contato elétrico com a amostra;
o As amostras devem ser condutoras.
Para evitar a rugosidade na superfície anódica, torna-se necessário que se criem condições
para que um filme viscoso, constituído pelos produtos da reação entre a amostra metálica e a
solução eletrolítica, recubra a superfície do corpo de prova e todas as irregularidades. Quando uma
voltagem positiva é aplicada, o ânodo irá para a solução, e íons positivos reagirão com os ânions
para formarem sais que produzirão a película viscosa. Esta, por sua vez, se espalhará nos contornos
da superfície anódica, criando um campo de alta resistência elétrica. Portanto, na superfície
anódica, a razão de dissolução das elevações serão maiores que a dissolução das depressões e todas
as irregularidades tenderão a desaparecer, gerando uma superfície sem elevações, figura 5.18.
Maior resistência
elétrica
Menor resistência
elétrica
Anodo
C
A B
D
Filme
Eletrólito
Catodo
Figura 5.18 – Mecanismo do polimento eletrolítico.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
144
Polimento Químico
O aparelho para o polimento consiste em um béquer contendo a solução e, quando
necessário, um prato aquecido com agitador magnético. O processo consiste na imersão da amostra
no béquer, sem a necessidade de energia elétrica. Ele está restrito aos metais puros e algumas ligas
metálicas de um só microconstituinte.
Vantagens:
o Acabamento superficial de alta qualidade, sem requerer equipamento sofisticado;
o Não afeta as estruturas de metais tratados termicamente;
o Consegue polir indistintamente todos os contornos do corpo de prova;
o Remove toda camada encruada pelo lixamento;
o É possível polir metais que não podem ser submetidos aos processos eletrolíticos com sucesso e
difíceis pelos métodos convencionais (Mg, Pb, Zn, etc.).
Desvantagens:
o Requer solução nova para cada polimento;
o Limita o tamanho e a forma do corpo de prova;
o Não permite o embutimento do corpo de prova;
o Ataca preferencialmente inclusões e cavidades;
o Arredonda os cantos vivos.
Para uma melhor facilidade na preparação de uma superfície metalográfica, a tabela 5.5 dá
as orientações de corte, desbaste, lixamento e polimento para diferentes situações, cedidas por um
fabricante de produtos metalográficos.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
145
Tabela 5.5 – Tabela prática para seleção de materiais para desbaste, lixamento e polimento.
DESBASTE –
PRÉ-
LIXAMENTO
POLIMENTO
Al2O3
GRUPO DE
MATERIAL
SiC
Plástico
Diamant Al2O
Diamant
e
Rebolo
3
Lixa
Estágio 1
POLIM.FI
POLIMENTO
Estágio 1
NAL
Estágio 2
Estágio 1
e
Petrodis
cM
Pano
abrasi
Pano
Lub
abrasivo
Pano
Pano
Lub
vo
abrasi
Lub
vo
abrasivo
OPS/OPU
Ferroso
Aços moles
–
x
–
Aços dureza média
X
x
Aços duros
X
Aço inox
Mol 6
azul
Mol 3
azul
Nap 1
azul
Chem
(x)
Plan-X6 azul
Plus 3
azul
Nap 1
azul
–
–
X
Plan-X6 azul
–
–
Nap 1
azul
–
(x)
x
(x)
Mol 6
azul
(Mol)(3)
azul
Nap 1
azul
Chem
Fe fundido cinz.
X
(x)
X
Plan-X6 azul
Pan-W 3
azul
Nap 1
azul
(Chem)
Fundidos duros
X
x
–
Plan-X6 azul
–
–
Nap 1
azul
–
Alumínio puro
–
x
–
–
–
Dur 3
azul
Dur 1
Alumínio e ligas
–
x
–
–
–
Mol 1
Não ferroso
Clodomiro Alves Júnior
Ver
m.
–
verm
.
–
(Chem)
(Chem)
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
146
Cobre puro
–
x
–
(Mol)(6) azul
Mol 3
azul
Nap 1
Latão
–
x
–
(Mol)(6) azul
Mol 3
azul
Nap 1
Bronzes
–
x
–
(Mol)(6) azul
Mol 3
azul
Nap 1
Titânio puro
–
–
(x)
Ligas com níquel
X
–
X
Plan-X6 azul
Pan-W 3
Metal/metal
–
x
X
Plan-X6 azul
Plástico/metal
–
x
–
Cerâmica/metal
(x)
(x)
X
Metal/cerâmica
(x)
x
–
–
–
Ver
m.
verm
.
verm
.
(Chem)
(Chem)
(Chem)
–
–
(Chem)
azul
Nap 1
azul
(Chem)
Pan-W
azul
Nap 1
azul
(Chem)
Dur 3
azul
Nap 1
azul
(Chem)
Plan-X6 azul
–
–
Nap 1
azul
(Chem)
(x)
Plan-X6 azul
–
–
Nap 1
azul
(Chem)
x
X
Plan-X6 azul
Pan-W 3
azul
Nap 1
azul
–
X
–
–
Plan-X6 azul
Pan-W 3
azul
azul
–
X
–
X
Plan-X6 azul
Pan-W 3
azul
azul
–
X
–
(x)
Pan-W
azul
–
–
(Chem)
–
(x)
(x)
Pan-W 3
azul
Nap 1
azul
(Chem)
Dur 3
Camadas
Spray
coating/metal
Carbetos
sinterizados
Carb. sint.
Invertidos
Cerâmicas
sinterizadas
Refratários
Clodomiro Alves Júnior
–
DPPlan
–
Azul
Plan-X6 Azul
(Nap)
(1)
(Nap)
(1)
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
147
Compostos
Metal/cerâmica
(x)
(x)
(x)
Plan-X6 Azul
Pan-W 3
azul
Nap 1
azul
(Chem)
Cerâmica/metal
–
(x)
(x)
Plan-X6 Azul
Pan-W 3
azul
Nap 1
azul
(Chem)
–
x
–
Plan-X6 Azul
azul
Nap 1
–
x
–
Placas circuito
impresso
Plásticos
Clodomiro Alves Júnior
–
–
(Pan-W)
(3)
(Mol)(3)
Nap 1
verm
.
verm
.
(Chem)
(Chem)
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
148
Contraste Químico
O contraste químico consiste em colocar a amostra em contato com um reagente químico e,
devido a diferenças nas energias de superfícies causadas por tensões, composições e orientações
cristalográficas, a microestrutura é revelada. A superfície da amostra, quando atacada por reagentes
específicos, sofre uma série de transformações eletroquímicas baseadas no processo de óxiredução, cujo aumento do contraste se deve às diferenças de potenciais eletroquímicos. Os
diferentes métodos para se executar o ataque são apresentados na tabela 5.6. Assim, tempo de
ataque, condições de temperatura, pressão e limpeza da superfície são variáveis que precisam ser
controladas ou pelo menos observadas. Uma exposição excessiva da amostra sobre o reagente leva
a regiões muito atacadas, as quais mascaram a microestrutura.
Tabela 5.6 – Métodos adotados durante o ataque químico de amostras metalográficas.
MÉTODOS
Ataque por Imersão
DESCRIÇÃO E NOTAS
A superfície da amostra é imersa na solução de ataque; é o
método mais usado
Ataque por Gotejamento
A solução de ataque é gotejada sobre a superfície da
amostra. Método usado para reagentes caros
Ataque por Lavagem
A superfície é enxaguada com a solução de ataque. Usado
em casos de amostras muito grandes ou quando existe
grande desprendimento de gases durante o ataque.
Ataque Alternado por
A amostra é imersa alternadamente em duas soluções. As
Imersão
camadas oriundas do ataque com a primeira solução são
removidas pela ação do segundo reagente.
Ataque por Esfregação
A solução de ataque, embebida em um chumaço de algodão
ou pano, é esfregada sobre a superfície da amostra, o que
serve para remover as camadas oriundas da reação. Muito
usado.
Polimento-Ataque
O polimento é efetuado, estando a amostra imersa na
solução de ataque, a fim de evitar a formação de camadas
oriundas da reação química. Usado em casos muito
específicos.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
Ataque Mútiplo
149
A amostra é tratada com dois ou mais meios reativos, onde
várias fases subseqüentes são enfatizadas.
Ataque de Identificação
Usam-se meios de ataque específicos para realçar certas
fases de uma forma característica.
Descrever o procedimento detalhado de cada método de ataque apresentado na tabela 5.5 é
muito cansativo e muitas vezes desnecessário uma vez que alguns destes métodos são muito
específicos. Como o ataque por imersão e o ataque por esfregação são os mais utilizados, estes dois
métodos serão discutidos aqui.
a) Ataque por Imersão
Após o polimento, a amostra é lavada para retirar os resíduos e pontos de hidrocarbonetos
(gorduras) originados durante o polimento ou manuseio. Para isto, lavagem em água corrente,
seguida de álcool e posterior secagem é um procedimento normalmente adotado. Uma vez
escolhido o reagente adequado para o material em questão, a amostra será colocada num béquer
dentro de uma capela. A amostra deve ser segura por uma pinça e sua superfície deve estar voltada
para o analista. Após a imersão, deve-se fazer movimento de modo a evitar redeposição dos
produtos de reação. Caso não seja conhecido o tempo de ataque, este deve durar até o instante em
que iniciar a perda do brilho da superfície. Em seguida, a amostra é imediatamente lavada em água
corrente, seguindo os mesmos procedimentos de limpeza utilizados antes do ataque.
b) Ataque por Esfregação
A única diferença deste método para o anterior é que neste o ataque é feito através de um
pano ou chumaço de algodão umedecido com o ácido. Esfrega-se este sobre a amostra, de modo
uniforme, até que a superfície perca o brilho.
No ataque químico, a presença de outro material nas proximidades do material de análise é
fonte de “ruído”, caso ele reaja com o reagente escolhido. Também regiões porosas acumulam o
líquido, aumentando assim o tempo de ataque.
Após o ataque, lavagem e secagem, as amostras devem ser armazenadas em recipientes
protegidos contra a corrosão com o ambiente, caso não sejam usadas para observação
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
150
microscópicas. Aconselha-se o armazenamento em dessecadores evacuados. Reagentes utilizados
para ataque químico estão disponíveis numa série de livros de metalografia.
Preparação de amostras para o MEV:
c) Amostras maciças
O procedimento utilizado na preparação de amostras maciças para serem analisadas no
MEV segue as etapas do processo metalográfico convencional, já descrito nos itens anteriores, a
saber: corte, lixamento, polimento e ataque químico. A realização ou não do ataque químico vai
depender do que se deseja analisar em cada amostra, porém, quando se vai fazer análise de EDX
(EDS) não é indicado se fazer o ataque químico, para não modificar a composição química da
amostra.
Preparação de amostras para o MEV:
a) Amostras maciças
O procedimento utilizado na preparação de amostras maciças para serem analisadas no
MEV segue as etapas do processo metalográfico convencional, já descrito nos itens anteriores, a
saber: corte, lixamento, polimento e ataque químico. A realização ou não do ataque químico vai
depender do que se deseja analisar em cada amostra, porém quando se vai fazer análise de EDX
(EDS) não é indicado se fazer o ataque químico, para não modificar a composição química da
amostra.
b) Amostras na forma de pó
Na preparação de amostras na forma de pó para análise por microscopia eletrônica de
varredura, o pó é colocado em solução com um meio líquido (dispersante), agitada em ultra-som e
em seguida gotejada sobre o porta amostra. Esse dispersante geralmente é acetona, álcool, alguns
tensoativos ou mesmo água destilada. O papel do dispersante consiste em gerar forças repulsivas
com magnitude e alcance suficientes para superar a atração entre as partículas, promovendo assim,
a separação dos pós. O primeiro estágio da dispersão corresponde à separação das partículas,
destruindo os aglomerados existentes. O segundo consiste na estabilidade da suspensão, ou seja, na
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
151
estabilidade das partículas separadas entre si, distribuídas uniformemente no meio liquido e assim
permanecendo, ao longo do tempo.
No procedimento de dispersão da amostra de pó com tensoativos, a mesma é colocada num
becker e, em seguida, adiciona-se uma quantidade de água destilada e algumas gotas de dispersante
(tensoativo). A quantidade de dispersante a ser utilizada é função da quantidade de pó da amostra,
bem como do tipo de material a ser analisado. Misturam-se esses componentes e em seguida
algumas gotas desta solução é colocada no porta-amostra que vai ser levado ao MEV, com o
auxilio de uma pipeta. Assim, o porta-amostras contendo as gotas de pó disperso é encaminhado a
uma estufa previamente aquecida até que toda a parte liquida volatilze e reste apenas o pó a ser
analisado.
Recentemente realizou-se um estudo da dispersão de partículas de Ta2O5 utilizando-se como
dispersante o tensoativo Nonil Fenol Etoxilado, conhecido por RENEX 95. Este produto faz parte
da composição química de detergentes, amaciantes e outros produtos de limpeza.
No estudo realizado, amostras foram enviadas para análise no MEV sem dspersão e dispersas
em uma solução de água destilada com 10 gotas de RENEX 95. Os resultados estão apresentados
nas figuras 5.19 (a) e (b).
Figura 5.19 - Partículas de Ta2O5 visualizadas por MEV. Amostra dispersa em RENEX 95 (a) e
Amostra sem dispersão (b).
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
152
Observa-se através das micrografias que a visualização das partículas na amostra dispersa
ocorre de maneira muito mais eficaz, podendo visualizar as partículas individualmente, enquanto
que na amostra sem dispersão apenas aglomerados de partículas podem ser visualizados.
c) Amostras biológicas
A preparação de material biológico para observação em microscopia óptica e em microscopia
electrônica implica uma série de procedimentos técnicos. Seguidamente serão mencionados, ainda
que de forma breve, alguns aspectos básicos e normas comuns a muitas dessas técnicas.
Fixação
As células depois de mortas decompõem-se rapidamente. O objetivo da fixação é impedir que
as reações químicas ocorram a nível celular, procurando manter intactas as estruturas. Com a
fixação pretende-se:
o Evitar a autólise, isto é, a destruição da célula pelas suas próprias enzimas;
o Impedir a atividade e a proliferação de bactérias;
o Endurecer as células para que estas resistam melhor às etapas seguintes da técnica histológica;
o Aumentar a afinidade das estruturas celulares pelos corantes usados na microscopia óptica e
aumentar o contraste na microscopia electrônica.
A fixação pode ser feita utilizando agentes químicos ou processos físicos, como o calor, que é
muito utilizado para as fixações de bactérias e leveduras. A congelação rápida do material
biológico em azoto líquido (-160 a –190 ºC) seguida de desidratação no vácuo (-30 ºC a –40 ºC),
para impedir a formação de cristais de gelo, é também um processo físico.
A fixação química faz-se normalmente por imersão do objeto numa mistura de compostos
químicos diversos e em proporções determinadas. Nas misturas fixadoras entram normalmente
álcoois (etílico e metílico), aldeídos (formaldeído, glutaraldeído, etc), ácido acético, tetróxido de
ósmio, etc. A mistura deve considerar um pH e uma pressão osmótica adequados. Normalmente
aquilo que se observa não corresponde necessariamente ao que existia in vivo, devido à interação
da mistura fixadora com o material biológico.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
153
O glutaraldeído e o tetróxido de ósmio são os fixadores mais usados em microscopia
electrônica porque provocam a coagulação das proteínas, originando modificações mínimas na
estrutura celular.
Inclusão
O objetivo da inclusão é conferir ao material biológico uma consistência adequada para que
este possa ser cortado em fatias muito finas. Os meios de inclusão mais usados (parafina e resinas
do tipo epóxi) não são miscíveis com a água. Após a fixação, o material biológico é sujeito a uma
desidratação, normalmente pelo álcool ou pela acetona. A parafina é utilizada a quente (cerca de 60
ºC) e solidifica pelo arrefecimento, formando blocos que permitem efetuar cortes com alguns micra
de espessura. Não permite, contudo a realização de cortes com espessura inferior a 0,1 μm (< 100
nm). Quando se utilizam resinas é necessário substituir o álcool por uma mistura da resina de
inclusão, isto é, faz-se uma infiltração inicial.
Em microscopia eletrônica utilizam-se resinas do tipo epóxi, como a Araldite e Epon, que
permitem formar um bloco extremamente sólido o qual suporta cortes de apenas algumas dezenas
de nanometros de espessura.
Corte ou microtomia
Para haver formação de imagem no microscópio é necessário que o material biológico se
deixe atravessar pela luz, no caso do microscópio óptico, ou pelos elétrons, no caso do microscópio
electrônico. Assim, torna-se necessário proceder ao corte do material biológico para que isso seja
possível.
Os cortes são executados em aparelhos denominados micrótomos. Em alguns micrótomos o
bloco está fixo e a navalha é móvel, em outros a navalha é fixa e é o bloco que se movimenta.
Os micrótomos possuem navalhas afiadas que permitem efetuar cortes extremamente finos.
Para a análise por microscopia óptica as amostras são cortadas com navalhas de aço que permitem
efetuar cortes com alguns micra de espessura (5 a 10 μm); já para microscopia electrônica os cortes
são extremamente finos, cerca de 20 a 100 nm, utilizando-se micrótomos com navalhas de vidro ou
de diamante.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
154
Coloração
A maioria dos elementos que constituem os tecidos biológicos são incolores, apresentando
pouco contraste, tornando difícil a sua observação. Assim, no sentido de evidenciar determinadas
estruturas celulares, os cortes são corados por diferentes substâncias antes de se proceder à
montagem definitiva. A maioria dos corantes comporta-se como base ou ácido. Nos corantes
básicos, o grupo químico responsável pela cor ou cromóforo, é catiônico (isto é, apresenta carga
positiva). Os grupos cromóforos destes corantes combinam-se com os grupos ácidos ou aniônicos
(que apresentam carga negativa) das moléculas celulares. Moléculas ácidas como o DNA, que
apresentam carga elétrica negativa conferida pelos grupos fosfato, têm afinidade com este tipo de
corantes. O azul de metileno, o azul de toluidina e a hematoxilina são exemplos de corantes
básicos. Nos corantes ácidos o grupo cromóforo é aniônico (apresenta carga negativa) e ocorre a
combinação com os componentes celulares básicos (que têm carga positiva). Exemplos de corantes
ácidos são a eosina e a fucsina ácida.
Os cortes para microscopia electrônica de transmissão são colocados sobre uma pequena
grelha e sofrem uma contrastação, a qual consiste na deposição, sobre certas estruturas, de átomos
de elementos de número atómico elevado (normalmente chumbo, urânio ou tungsténio) os quais
apresentam grande poder para dispersar elétrons.
Montagem
Consiste na colocação do material biológico fixado, desidratado, incluído, cortado e corado,
entre uma lâmina e uma lamela de vidro. A montagem pode ser permanente se os cortes forem
colocados na lâmina numa resina (por exemplo, bálsamo do Canadá ou entellan) que, depois de
colocada a lamela, solidifica e permite conservar a preparação. No caso da microscopia electrônica
esta fase não existe uma vez que o material, após ser contrastado, é observado de imediato e
fotografado, sendo as fotografias o registo definitivo as estruturas biológicas em estudo. Para a
observação de material biológico no MEV, muitas vezes é necessário além da fixação e
desidratação, realizar uma etapa de desidratação complementar em ponto crítico. Posteriormente a
essa etapa, realiza-se a metalização.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
155
CAPÍTULO 6
ANÁLISE DE IMAGENS
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
156
6. ANÁLISE DE IMAGENS
Uma fotomicrografia, seja ela óptica ou eletrônica, revela detalhes interessantes da
microestrutura não visíveis a olho nu. No entanto muitas vezes essas imagens, para serem
adequadamente analisadas, precisam ser processadas para facilitar a sua interpretação. Essas
imagens podem então ser melhoradas usando programas computacionais. Em geral, esses
programas apresentam muitas ferramentas que permitem: captura, processamento e medida de
objetos, facilitando assim, alguns tipos de análises microestruturais revelando informações
quantitativas sobre as características estruturais do material como:

Distribuição de partículas por diâmetro;

Distribuição de partículas por área;

Tamanho médio de partículas;

Medidas automáticas de diversos parâmetros, áreas, diâmetros, perímetros, fases, etc;

Projeção de níveis de intensidade;

Medidas de comprimentos, distâncias, áreas, intensidade, etc;

Análise morfológica, etc.
No entanto para obter tais resultados, é preciso ter conhecimento claro do que se deseja
analisar.
Um exemplo de aplicação pode ilustrar a importância do uso desta ferramenta. Nesse
exemplo, temos uma amostra de Ti poroso sinterizadas em plasma, onde queremos medir número e
tamanho de poros.
Tomemos como exemplo a imagem representada na figura 6.1. Esta fotomicrografia foi
obtida através de um microscópio eletrônico de varredura e o aumento usado foi de 200X. Obs: A
amostra foi preparada metalograficamente antes de ser analisada em MEV.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
157
Figura 6.1 - Fotomicrografia eletrônica de uma aostra de Ti poroso sinterizada em plasma.
aumento de 200x.
Observe que o objeto de interesse são os poros “áreas escuras”, figura 6.1. O software utilizado
nesta análise foi o Image Pro-Plus da Media Cybernetics.
Antes da contagem dos poros, é preciso converter a imagem em escala de cinza, no caso de
imagens do MEV essa converção não é necessária. Após a converção deve-se então sequir alguns
passos de processamento da imagem. Nas figuras seguintes pode-se visualizar passo a passo o
processamento da imagem e contagem da porosidade da micrografia representada na figura 6.1.
1° passo - selecionar a área porosa: com a ferramenta Segmentation seleciona – se com um
histograma a área de estudo, figura 6.2;
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
158
Figura 6.2 - Seleção da área porosa
2° passo - com esta mesma ferramenta, Segmentation, seleciona-se a cor que será usada para
destacar a área desejada (área porosa, selecionada no 1° passo) e cria uma nova imagem destacando
a mesma. Esta etapa do processo serve para identificar para o programa a área a ser analisada, neste
caso, esta área foi colocada em cor preta, ou seja, o programa vai analisar tudo que está com a
coloração preta, figura 6.3.
Figura 6.3 – Identificação da área a ser analisada.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
159
3° passo – com a ferramenta count size, será feita a contagem dos poros. Essa ferramenta de
automação conta e mede automaticamente os objetos desejados, neste caso, os poros (área preta).
Essa ferramenta fornece também uma tabela com os dados estatísticos, figura 6.4.
Figura 6.4 – Contagem dos poros.
Após a contagem dos poros, o programa fornece os dados estatísticos contendo o número de
poros, diâmetro de poros e ainda informações da área e aspecto desses poros, assim como a média
e desvio padrão dos resultados, figura 6.4.
Por fim temos o panorama final da amostra dado pelo Histograma, relacionando o número
de poros de acordo com o diâmetro destes. Esse histograma é obtido em um sub-ítem da ferramenta
count size, figura 6.5.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
160
Figura 6.5 – Contagem de poros e histograma relacionando o número de poros de acordo com o
diâmetro destes.
Em poucos minutos o programa de análise de imagens nos forneceu dados confiáveis e
importantes, que levariam bastante tempo para serem conseguidos manualmente. Este exemplo de
análise de imagem foi usado apenas para demonstrar a versatilidade que se pode obter com um
sistema "simples" composto de:

Microscópio

Câmera Digital

Software de Análise de Imagens
Análises mais complexas e detalhadas, como: separação morfológica e contagem de
preciptados em aços ferramentas, contagem de células aderidas em pastilhas de Ti, contagem de
filopoides e outras podem ser feita com o uso deste programa, obtendo resultados extremamente
superiores ao exemplificado.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
161
REFERÊNCIAS
Attucci S., Clodfelter G.V., Thibault O., Staton J., Moroni F., Landfield P.W., Porter N.M. Group I
metabotropic glutamate receptor inhibition selectively blocks a prolonged Ca2+ elevation associated
with age-dependent excitotoxicity. Neuroscience, v 112, n 1, 2002.
Brundle, C.R.; Baker, A.D. Electron Spectroscopy: Theory, Techniques and Applications. Volume
2, Londres, Inglaterra: Academic Press, 1978.
Callister Jr., W.D. Materials Science and Engineering: An Introduction. 5a edição, Nova Iorque:
John Wiley e Sons, 2000.
Castania, V.A., Volpon J. B. Integração do enxerto ósseo corticoesponjoso homólogo, tratado
quimicamente e esterilizado em óxido de etileno: estudo em cães. Revista Brasileira de Ortopedia,
2007.
Chung, F.H; Smith, D.K. Industrial Applications of X-Ray Diffraction. Nova Iorque: Marcel
Dekker, 2000.
Coates V. J.; Welter L. M. United states patent: low voltage field emissions caning electrom
microscope. American optical corporation, southbridge, mass. Aug. 16, 1971.
David C., Carolyn S. Low Voltage Scanning Electron Microscopy. EM Facility, University of
Tennessee, Knoxville, TN 37996, U.S.A.
De Castra, S. C. , Landers, R., Rogers, J. D., Sundaram, J. S. Análise de Superfícies e Interfaces,
IFGW - UNICAMP, (apostila).
Fancio, E. Aplicação do método de rietveld para análise quantitativa de fases dos polimorfos da
zircônia por difração de raios X. IPEN, 1999.
Flewitt, P. E. J., Wild, R. K. Physical Methods for Materials Characterisation. Bookchase UK :
London, 1994.
Friel, J.J.; Grande, J.C.; et al. Practical Guide to Image Analysis. Materials Park, OH, EUA: ASM
International, 2000.
Gabriel, B.L. SEM: A User’s Manual for Material Science. Metals Park, OH, EUA: American
Society for Metals, 1985.
Gasetta, D. ; Magini, M. R. Tratamento de Sinais Obtidos Através de Equipamentos de
ressonância Magnética Nuclear: Caracterização de Novos Materiais.
Hore, P.J., Nuclear Magnetic Ressonance, Oxford Chemistry Primers, Oxford University Press:
N.Y., 1995.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
162
Liu J. Ultra-Low-Voltage Scanning Electron Microscopy In The FEG –SEM. Microsc. Microanal.
8 (Suppl. 2), 2002.
Loretto, M.H. Electron Beam Analysis of Materials. 2a edição, Londres, Inglaterra: Chapman &
Hall, 1994.
Maia, A.O.G., Sinterização de nanopartículas de NiO por gelatina comestível. Dissertação de
mestrado.Departamento de Física. UFC,2005.
Maliska A. M. Microscopia Eletrônica de Varredura. Laboratório de Caracterização
Microestrutural E Análise de Imagens, UFSC.
Muraoka, T. K., Zutin, K., Ananias, S.R., Mauro, A.E., Nogueira, V.M., Rechenberg, H.R.
Investigação por Espectroscopia de Mössbauer de Compostos de Ferro Contendo Dissulfeto de
Carbono. Eclética Química, v. 29, nº 2, 2004.
Murphy, D.B. Fundamentals of Light Microscopy and Electronic Imaging. Nova Iorque, EUA:
John Wiley-Liss, 2001.
Neli, R. R. X-Rays Photoelectron Spectroscopy.Campinas, São Paulo. 2000 (apostila)
Oliveira, T. F. Análise das incertezas da quantificação de fase pelo método de Rietveld em análise
de pó por difração de raios X. Tese de doutorado. Departamento de Engenharia Industrial . PUCRJ,2005.
Ono, L. K. Princípios e Aplicações em Espectroscopia Mössbauer. Introdução à Espectroscopia.
Instituto de Física – USP. (apostila)
Ono, L. K. Princípios e Utilizações do Espectrofotômetro e do Espectrofluorímetro. USP –
Instituto de Física.
Paiva-Santos, C. O. Aplicações do método de Rietveld. Apostila, INSTITUTO DE QUÍMICA.
Unesp.
Perkin-Elmer, XPS Technical Instruction Workshop, Apostila de aula, Physical Electronics
Division, October 1990.
Piccoli, R., Mexias, A., Figueira, R., Montedo, O., Bertan, F. Características das Principais
Técnicas Analíticas Aplicadas a Caracterização de Materiais. 17º CBECIMAT. PR, 2006.
Ribeiro, E. S. , Francisco, M. S. P., Gushikem, K., Goncalves, J. E. Princípios Básicos de XAS e
XPS. Instituto de Química – UNICAMP, São Paulo – Brasil (apostila).
Rietveld, H. M., Line profile of neutron powder-diffraction peaks for structure refinement, Acta
Crystallographica, v. 22, p. 151, 1967.
Sala, O. Fundamentos da Espectroscopia Raman e no infravermelho, São Paulo, SP UNESP, 1995.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
163
Silvestein, R. M., Bassler, G. C., Terence C. Moril, Tradução Ricardo Bicca de Alencastro.
Identificação Espectrométrica de Compostos Orgânicos. RJ. Guanabara Koogan, 1994.
Song, L.C.; Hu, Q.M.; Sun, B.W.; Tang, M.Y.; Lu, G.L. Inorg. Chim. Acta, v. 346, nº12, 2003.
Ushizima, M. R., Costa, E. T. Sensores Ópticos. Universidade Estadual de Campinas,
Departamento de Engenharia Biomédica.
Wertheim, G.K., Herber, R.H. Inorg.Chem.38 (9) (1963)153.
Williams, D.B. Practical Analytical Electron Microscopy in Materials Science. Deerfield Beach,
FL, EUA: Verlag Chemie International, 1984.
SUGESTÕES DE LINKS RELACIONADOS:
www.scielo.br/pdf/qn/v27n1/18812.pdf
http://inorgan221.iq.unesp.br/quimgeral/nmr87/rmn87.htm
www.mossbauer.org
www.dwiard.com/scientific/mossbauer.html
www.chemkeys.com
http://gecea.ist.utl.pt/Auger/indexP.html
http://www2.dbd.puc-rio.br/pergamum/tesesabertas/0312421_05_pretextual.pdf
http://www.scielo.br/pdf/qn/v25n1/10417.pdf
www.portaldapesquisa.com.br/databases/sites
www.unicam.co.uk/uv/uvhome.html
www.spectronic.com/spectron
http://www.microscopyu.com/articles/confocal/confocalintrobasics.html
http://www.microscopyu.com/articles/confocal/
http://www.tcd.ie/Physics/People/Eithne.McCabe/
http://www.microscopestation.com/pt/microscope-directory/Confocal-Microscope/
http://depts.washington.edu/keck/intro.htm
http://depts.washington.edu/keck/cftt.htm
http://www.fmrp.usp.br/rbp/confocal.html
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
164
4.10 1.2 - Microestrutura dos Materiais
O termo microestrutura é genérico, sendo utilizado para descrever a constituição de um
material que pode ser visualizada por várias técnicas, desde a microscopia óptica até aquelas de
resoluções no nível atômico como o microscópio de tunelamento, ou mesmo técnicas indiretas,
como a difração de raios-X.
Para efeito didático, podemos classificar a microestrutura como tendo três níveis
hierárquicos. Em um nível primário, encontra-se a estrutura atômica, que está relacionada com as
configurações eletrônicas assumidas quando os átomos se ligam para formar um sólido. Num nível
posterior, encontra-se a estrutura cristalina, a qual está relacionada com o tipo de ordenamento que
os átomos ocupam, dando origem aos diversos arranjos cristalinos. Finalmente, num nível algumas
vezes possível de ser observado a olho nu, encontra-se a estrutura de defeitos, que está relacionada
com o tamanho, forma e fases dos grãos presentes no sólido, poros, inclusões, etc. O estudo
combinado dessas estruturas é que irá fornecer ou justificar as propriedades dos materiais sendo,
portanto, de grande importância para a caracterização dos materiais.
A caracterização microestrutural depende da interação de uma amostra com um tipo de
radiação, geralmente luz visível, raios-X ou feixe de elétrons de alta energia, conforme figura 1.2.
Estes três tipos de radiação representam, respectivamente, a base para a microscopia óptica,
difração de raios-X e microscopia eletrônica.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
165
Fonte de Radiação
(luz, raios-X ou elétrons)
Amostra
Sinal da Imagem
(radiação espalhada elasticamente ou
inelasticamente, sinais secundários)
Coleta de Dados e Interpretação da Imagem Processada
(imagem óptica ou eletro-óptica, sistemas de varredura
(TV) e digitalizados)
Figura 1.2 – Etapas da caracterização microestrutural.
Em termos qualitativos, a caracterização microestrutural está relacionada com a
identificação das fases presentes em um material, sua morfologia (tamanho e forma) e dos
constituintes químicos em cada fase. É possível determinar quantitativamente os arranjos atômicos
(cristalografia aplicada), as relações espaciais entre as características microestruturais
(estereologia) e a composição microquímica (microanálise).
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
Clodomiro Alves Júnior
166
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
5
167
ESCALAS DE OBSERVAÇÃO
Diante do que foi exposto sobre microestrutura, pode-se entendê-la como um termo
genérico que é utilizado para cobrir uma faixa larga de características estruturais (tamanho de grão
e partícula, discordâncias, separação de partículas, microtrincas, porosidade, etc.), desde aquelas
visíveis a olho nu até aquelas de dimensões atômicas.
Macroestrutura se refere àquelas características que abordam a escala do componente de
engenharia e que são visíveis a olho nu, ou detectáveis por métodos comuns de avaliação nãodestrutiva (teste de contraste ou radiografia de raios-X). Exemplos de macroestrutura são defeitos
de processamento tais como poros grandes, inclusões ou trincas de retração.
Mesoestrutura é um termo útil para descrever aquelas características que estão na fronteira
do visível. Este é particularmente o caso dos materiais compósitos, que são dominados pelo
tamanho, distribuição e fração de volume do reforço e trincas presentes na interface ou dentro da
matriz. A mesoescala também é interessante em processos de aderência, por exemplo, as
dimensões de um adesivo ou a zona afetada pelo calor em uma solda.
O termo nanoestrutura é restrito às características submicrométricas, como as dimensões da
espessura dos contornos de grão e interfaces, estágios iniciais de precipitação, regiões de ordem
local em sólidos amorfos (vítreos) e à partículas muito pequenas, cujas estruturas são dominadas
por átomos na superfície da partícula em vez daqueles dentro da partícula.
A tabela 2.1 resume as diferentes escalas estruturais, em termos da magnificação requerida
para observar as características com ele relacionadas.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
31
Tabela 2.1 – Dimensões de entidades estruturais de materiais.
ESCALA
MACROESTRUTURA
(Ampliação)
Técnicas
comuns de
observação
(x 1)
MESOESTRUTURA
2
(x 10 )
MICROESTRUTURA
4
NANOESTRUTURA
(x 10 )
(x 106)
Microscopia
Difração de raios-X
Inspeção visual
Microscopia óptica
eletrônica de
Microscopia de
Radiografia de raios-
Microestrutura
transmissão e de
tunelamento e
X
eletrônica de
varredura
eletrônica de
Inspeção ultrassônica
varredura
Microscopia de força
transmissão de alta
atômica
resolução
Sub-estrutura do
Características
Defeitos de produção
principais
Porosidade, trincas e
observadas
inclusões
Tamanho de grão e
defeito
partícula
Contornos de grão e
Morfologia de fase
de fase
e anisotropia
Fenômenos de
precipitação
Estrutura de
interface e de cristal
Defeitos pontuais e
agrupamentos de
defeitos pontuais
2.1- O observável visualmente
O olho humano é um sistema de coleta de dados e imagem excepcionalmente sensível, mas
é limitado por três aspectos:
a) A faixa de comprimentos de onda do espectro eletromagnético que pode ser detectado;
b) A intensidade de sinal mínima necessária para iniciar o reconhecimento de imagem;
c) A separação mínima que pode se distinguir sem a ajuda de lentes ou um microscópio.
O olho é sensível a comprimentos de onda variando de cerca de 0,4 a 0,7 m,
correspondendo a uma escala de cores que vai desde o vermelho escuro até o violeta. A
sensitividade do pico, entretanto, está no verde e é geralmente citada como 0,56 m, que é um pico
de emissão característica do espectro obtido a partir de uma lâmpada de vapor de mercúrio. Como
conseqüência, microscópios ópticos são comumente focalizados utilizando um filtro verde.
O tempo de integração do olho é de cerca de 0,1 s e fótons suficientes têm que ser
capturados pela retina dentro deste tempo para formar uma imagem. São necessários períodos de
tempo bastante longos para o olho atingir sua sensitividade máxima a baixos níveis de
luminosidade (um processo chamado de adaptação ao escuro). Mesmo assim, quando adaptado
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
32
apropriadamente ao escuro, o olho detecta da ordem de 50% dos fótons “verdes” incidentes e uma
imagem será formada se uma quantidade da ordem de 100 fótons contribuir para cada elemento da
figura (pixel). Isto é tão eficiente quanto os melhores sistemas de visão noturna disponíveis, mas
estes sistemas podem integrar a imagem acima de um período de tempo muito mais longo que 0,1 s
disponível para o olho, para que eles possam operar a níveis de luminosidade muito mais baixos.
A habilidade para identificar duas características separadas depende da resolução do olho,
que é uma função da abertura das lentes e da distância na qual os objetos são vistos. O conceito de
resolução foi definido por Lord Raleigh em termos da largura aparente de uma fonte pontual. Abbe
mostrou que se a fonte pontual define um ângulo 2 onde a lente está disposta, então seu raio
aparente é dado pela equação (2.1).

1,2 
 sen
(2.1)
Onde  é o comprimento de onda da radiação a partir da fonte e  é o índice de refração do meio
intermediário. Raleigh assumiu que duas fontes pontuais poderiam ser distinguidas quando a

intensidade do pico de uma coincidisse com o primeiro mínimo da outra, figura 2.1, isto é a
resolução, definida pelo critério de Raleigh é exatamente igual ao raio aparente da fonte pontual, .
Intensidade
da imagem
Sistema ótico
Dois objetosfontes
Plano
da imagem
Figura 2.1 – Definição de resolução segundo o critério de Raleigh.
2.1.1 - Microscopia óptica
Uma imagem que foi ampliada por uma fator M conterá características distinguíveis cujos
tamanhos variam até o limite mínimo estabelecido pelo poder de resolução  das lentes objetivas
do microscópio. Na imagem, estas características terão uma separação de M. Se M<olho, então o
olho não será capaz de resolver todas as características gravadas na imagem. Por outro lado, se
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
33
M>olho, então poucas características distinguíveis estarão presentes em uma imagem de um dado
tamanho. Em conseqüência, há uma ampliação ótima, correspondente à razão olho/, na qual o olho
está apto a resolver todas as características da imagem.
O microscópio óptico utiliza radiação eletromagnética visível e os melhores sistemas de
lentes ópticas têm valores de .sen() em torno de 1, por empregar um material com alto índice de
refração e o óleo inerte como o meio entre as lentes objetivas e o espécime. Como conseqüência, a
melhor resolução possível é da ordem de comprimento de onda, que é cerca de 0,5 m. Assumindo
que a resolução do olho seja de 0,2 mm, isto implica que, a uma ampliação de 400x, o microscópio
óptico poderia revelar todos os detalhes que o olho não é capaz de resolver.
5.1 2.1.2 - Microscopia eletrônica
A tentativa de melhorar a resolução do microscópio óptico através da redução do
comprimento de onda tem sido apenas parcialmente satisfatória. A radiação ultravioleta (UV) (por
ser invisível ao olho e fortemente absorvida por muitos materiais) e raios-X apresentam problemas
práticos, portanto, elétrons são uma alternativa possível.
Um feixe de elétrons de energia pré-definida exibirá propriedades de onda, com
comprimento de onda  derivado da relação de Broglie, ver equação (2.2).

h
2meV
(2.2)
Onde “h” é a constante de Planck, “m” é a massa do elétron, e “e” a carga do elétron e “V” é a
tensão de aceleração. A uma tensão de aceleração de apenas 1kV, este comprimento de onda é

muito menor que o espaçamento interplanar em um sólido cristalino.
Distâncias interatômicas típicas em sólidos são da ordem de 0,2 a 0,5 nm, então em
princípio, a resolução atômica poderia ser atingível a 100 kV. Isto é realmente o caso, mas na
prática a voltagem de operação ótima para atingir uma resolução consistente dos arranjos atômicos
em uma rede cristalina está entre 200 e 400 kV. Microscópios eletrônicos de transmissão
comerciais garantem resoluções sub-nanométricas e são capazes de detectar essencialmente todas
as características microestruturais nos materiais de engenharia.
Uma imagem eletrônica secundária, obtida no microscópio eletrônico de varredura, pode ter
uma resolução que é limitada apenas pela abertura das lentes que formam o feixe incidente e o
comprimento de onda dos elétrons. Combinando a equação de Abbe, o critério de Raleigh e a
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
34
relação de Broglie que correlaciona o comprimento de onda com a tensão de aceleração, pode-se
estimar a resolução provável de uma imagem eletrônica secundária como sendo cerca de 2 nm.
Os fatores que limitam a resolução espacial dos diferentes métodos de microscopia são:
a) As características físicas da fonte de radiação;
b) As propriedades ópticas do sistema;
c) A natureza da interação matéria – radiação;
d) A estatística do processamento e coleta de dados.
Cada técnica tem suas limitações e cada método pode ser escolhido de acordo com a
informação requerida. Equipamento de caracterização moderna freqüentemente combina técnicas
diferentes em uma única plataforma. Então, a limitação de uma técnica específica nem sempre
significa que temos que preparar amostras diferentes.
2.2- Parâmetros Microestruturais
2.2.1 - Estrutura de grãos
Contorno de Grão
Os contornos de grão são imperfeições planares encontradas em materiais policristalinos.
Eles separam cristais (grãos) de diferentes orientações.
2.2.2 - Fração de volume de fase
Muitos materiais de engenharia contêm mais de uma fase e o tamanho, forma, e distribuição
das partículas de uma segunda fase são freqüentemente fatores dominantes na determinação do
efeito desta última nas propriedades. Assim como para o tamanho de grão, há um número de
opções não-equivalentes para definir tamanho e forma de partícula, que são para na maior parte
análogas às definições de tamanho de grão, como discutido acima. Entretanto, há um parâmetro
microestrutural que é independente da escala da segunda fase, a fração do volume de fase fV. Já que
este é um parâmetro independente da escala, ele pode ser determinado convenientemente e
rapidamente a partir de dados de difração, mas ele também pode ser determinado a partir de
imagens de uma seção planar (figura 2.10). Em uma seção randômica, a fração volumétrica de uma
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
35
segunda fase pode ser estimada a partir da fração de área da segunda fase interceptada pela seção
A/A0.
Há algum tempo se aceitava o método de cortar as regiões de interesse a partir de uma
imagem fotográfica e ponderá-las em relação à área total da amostra. Esta estimativa de área é
realmente equivalente à estimativa linear, determinada a partir de uma linha randômica tomada
através da seção. Sabendo que a linha e a seção são randômicas, o comprimento da linha
transversal à segunda fase em relação ao comprimento total da linha teste, L/L0, também é uma
estimativa da fração do volume de fase. Finalmente, uma grade randômica de pontos testes na
seção da amostra também pode fornecer a mesma informação: o número de pontos caindo em
regiões da segunda fase dividido pelo número total de pontos, P/P0, também estima o volume da
segunda fase em relação ao volume total da amostra, V/V0. Então, para o caso de uma amostra
randômica temos fV = A/A0 = L/L0 = P/P0 = V/V0.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 5 – Técnicas de Preparação de amostras
36
Fase A
Fase B
Figura 2.10 – A fração de volume de uma fase secundária pode ser determinada a partir da fração
da área da fase, vista de uma seção planar randômica, ou de um comprimento fracionário de uma
linha teste randômica que intercepta as partículas da segunda fase na seção ou a partir da fração de
pontos em um conjunto teste que caia dentro da região da segunda fase.
Clodomiro Alves Júnior
Capítulo 6 - Análise deImagens
Clodomiro Alves Júnior
37