Tecniche di Analisi Microscopica - polymertechnology.it · microscopia ottica in luce polarizzata...
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CORSO PON Esperto nella progettazione, caratterizzazione e lavorazione di termoplastici
modulo: CHIMICA DEI POLIMERI Vincenzo Venditto
Tecniche di Analisi Microscopica
le moderne tecniche di analisi microscopica sono molto più che tecniche per ingrandire immagini
microscopia ottica in luce polarizzata informazione sull’anisotropia dei materiali polimerici
microscopia elettronica informazioni di tipo ottico (immagini) informazioni sulla composizione chimica (p.e. emissione di raggi X) informazioni strutturali dovute a fenomeni di diffrazione
interpretazione ed analisi quantitativa richiedono grande esperienza per ottenere dati “imparziali” (è molto facile vedere ciò che si crede ci sia…)
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Microscopica Ottica
tecnica più comune (semplice) per lo studio della morfologia dei materiali
fornisce immagini ingrandite oltre i limiti di risoluzione dell’occhio umano
risoluzione capacità distinguere oggetti
potere risolvente dell’occhio umano 1/10 mm (100 µm) a 20 cm dalla pupilla
distingue due oggetti distanti fra loro 100 µm
microscopi ottici arrivano a risoluzioni dell’ordine di 200 Å (0.02 µm) (vedono oggetti 5000 volte più vicini)
fenomeni di diffrazione per oggetti della dimensione della λ incidente (luce visibile)
limitazione intrinseca
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funzionamento del microscopio ottico
obiettivo forma un immagine reale ingrandita
ed invertita oltre il fuoco dell’oculare
oculare forma un immagine virtuale dritta e
molto ingrandita
immagine reale: dalla parte opposta dell’oggetto immagine virtuale: dalla stessa parte dell’oggetto
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funzionamento del microscopio ottico (principi fisici)
luce rifratta sia in ingresso sia in uscita dalla lente
la velocità di propagazione della luce
nell’aria e nel vetro è diversa
lente convergente
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la rifrazione
aria (1)
vetro (2)
velocità di propagazione della luce nell’aria maggiore della
velocità di propagazione della luce nel vetro
alla linea di separazione l’acqua è più bassa e la
velocità delle onde diminuisce
rifrazione di onde piane in un ondoscopio
sinθ1 / sinθ2 = v1 / v2 n = c / v (indice di rifrazione)
sinθaria / sinθvetro = nvetro/ naria = nvetro > 1 naria ≈ nvuoto = 1
sinθaria > sinθvetro ≈ θaria> θvetro raggio deviato verso la normale alla superficie
angolo incidenza
angolo rifrazione
λ differente
uguale frequenza
nvetro = 1.46-1.96
(v = λν)
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leggi dell’ottica geometrica
un raggio parallelo all’asse ottico della lente viene deviato verso il fuoco un raggio che passa per il fuoco viene deviato parallelamente all’asse ottico un raggio che passa per il centro della lente non viene deviato
un raggio luminoso che colpisce la lente 1- viene deviato dalla superficie esterna della lente 2- si propaga nel vetro (a velocità minore) 3- viene deviato dalla superficie interna della lente 4- fuoriesce all’aria nello “spazio delle immagini”
nota: il raggio che passa per il centro della lente subisce due deviazioni uguali ed opposte
funzionamento della lente obiettivo
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funzionamento della lente oculare
le dimensioni dell’oggetto dipendono dalla sua posizione rispetto al fuoco della
lente
lente convergente
aumentano avvicinando l’oggetto al fuoco
se l’oggetto è fra il fuoco e la lente
l’immagine reale non si forma i raggi non si focalizzano
nello spazio delle immagini
si forma un’immagine virtuale dritta e molto ingrandita nello spazio degli oggetti
spazio delle immagini
spazio degli oggetti
lente di ingrandimento lente con distanza focale molto grande
ma
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microscopio ottico
la lente obiettivo forma un’immagine reale invertita e ingrandita la lente oculare forma un’immagine virtuale dritta e molto ingrandita
l’immagine risultante è invertita (nei binocoli / cannocchiali si inserisce un ulteriore lente per raddrizzare l’immagine)
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il problema del contrasto
in assenza di contrasto l’immagine può non essere interpretabile
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fattori che influenzano il contrasto dell’immagine
qualità dell’immagine: contrasto (distinzione degli oggetti rispetto al fondo)
differenziare le componenti dell’oggetto mediante diversi livelli di intensità di luce trasmessa
massimizzare il contrasto
assorbimento differente fra zona e zona
assorbimento variabile con la lunghezza d’onda
zone di differente colore
indici di rifrazione differenti fra zona e zona
fenomeni di emissione di energia (fluorescenza) differenti fra zona e zona
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osservazioni in campo chiaro / scuro
campo chiaro (diaframma aperto)
condensatore con diaframma ad iride
campo scuro (diaframma chiuso)
le zone del campione che meno interagiscono
con la luce risultano più brillanti
(su fondo chiaro)
le zone del campione che più interagiscono
con la luce risultano più brillanti
(su fondo scuro)
luce diretta luce indiretta
fenomeni di assorbimento e rifrazione
riducono l’intensità dei raggi diretti
fenomeni di rifrazione e scattering
convogliano i raggi verso l’obiettivo
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campo chiaro (diaframma aperto)
luce obliqua (formazione di “ombre”)
polistirene isotattico cristallizzato lentamente da fuso
(grandi aggregati di lamelle)
polistirene isotattico cristallizzato velocemente da fuso
(piccoli aggregati di lamelle)
campo scuro (diaframma chiuso)
luce indiretta
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osservazioni in contrasto di fase (microscopia in…)
sfrutta la sfasatura nei raggi emergenti dal campione dovuta alla rifrazione
le fasi cristalline/amorfe hanno indici di rifrazione differenti
esempio: i raggi emergenti
hanno fasi differenti velocità di propagazione
della luce differenti
opportuni accessori (compensatori *) trasformano la differenza di fase in differenza di intensità luminosa (massimizzano il contrasto)
polistirene isotattico cristallizzato lentamente da fuso
(grandi aggregati di lamelle)
confrontare con micrografia in campo chiaro
la differenza di fase non è osservabile ad occhio nudo
*compensatore cristallo birifrangente particolare
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confronto microscopia ottica – microscopia elettronica
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osservazioni in luce polarizzata (microscopia in…)
il metodo più diffuso per lo studio della morfologia dei materiali polimerici
le macromolecole polimeriche sono intrinsecamente anisotrope (lunghe sequenze lineari di monomeri)
i materiali polimerici presentano proprietà ottiche anisotrope (birifrangenza)
Birifrangenza
differenza fra gli indici di rifrazione di due direzioni ortogonali
sperimentalmente è più semplice misurare la differenza che non i singoli indici di rifrazione
la birifrangenza è zero in materiali isotropi
è diversa da zero in materiali anisotropi
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materiali isotropi
isotropia delle proprietà
identica risposta indipendentemente dalla
direzione di misura
cristalli isotropi (p.e. cloruro di sodio) amorfi (p.e. vetro)
ogni atomo di cloro/sodio è circondato da ioni opposti negli
stessi arrangiamenti spaziali
non c’è nessun ordine nell’arrangiamento spaziale degli
atomi di silicio e ossigeno
uguale valore delle proprietà fisiche se misurate lungo 3 assi ortogonali
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rifrazione in materiali isotropi
l’interazione luce-materia è indipendente dalla direzione
della luce incidente
luce che interagisce con un materiale isotropo è rifratta ad un angolo fisso attraversa il materiale a velocità fissa non viene polarizzata
la velocità della luce in un materiale dipende dall’interazione fra il campo elettrico della luce incidente e i vettori elettrici del materiale (momenti di dipolo)
dipende dai campi elettrici locali del materiale
conducibilità, polarizzabilità locale del materiale
origini molecolari del fenomeno della rifrazione
macromolecole presentano anisotropia nella polarizzabilità
dipolo elettrico
le macromolecole non sono orientate le singole anisotropie si annullano e il materiale
è otticamente isotropo (birifrangenza zero)
funzione di n
comportamento differente a seconda se la radiazione incide perpendicolarmente
o parallelamente rispetto all’asse di catena
ma se
n = µ √ε
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materiali anisotropi
distribuzione spaziale non uniforme delle proprietà
presentano proprietà elettriche che dipendono dalla direzione in cui sono state testate
anisotropia nelle posizioni degli atomi nel reticolo(*) catene polimeriche orientate
indici di rifrazione diversi differente velocità di
propagazione della luce birifrangenza diversa da zero
esempio calcite
(spato d’Islanda) carbonato di calcio
cristalli anisotropi
nei materiali polimerici possono presentare anisotropia: fasi cristalline / amorfe orientate fusi o soluzioni in presenza di stress
(*) disposizione asimmetrica degli atomi rispetto agli assi cristallini
i materiali anisotropi
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il raggio luminoso incidente è “splittato” in due raggi che si muovono nel cristallo a velocità diversa e sono polarizzati in maniera opposta
birifrangenza nei cristalli anisotropi
raggio ordinario viaggia a velocità uguale
in tutte le direzioni raggio straordinario
viaggia a velocità diversa a seconda della direzione di propagazione
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sdoppiamento di immagine prodotto da un cristallo di calcite birifrangente
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birifrangenza nei cristalli anisotropi (luce polarizzata)
orientazione dei vettori elettrici dei raggi emergenti
polarizzatore parallelo al vettore elettrico del
raggio ordinario
polarizzatore parallelo al vettore elettrico del raggio straordinario
raggio ordinario e straordinario hanno opposta polarizzazione
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analisi della birifrangenza con polarizzatori incrociati (crossed-polarized illumination)
Γ = ritardo di fase = B · t B = birifrangenza = ne - no t = spessore campione
solo le componenti dei raggi rifratti parallele all’analizzatore emergeranno
(risultando sfasate )
P e A polarizzatori
incrociati
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se la luce incide normalmente su di un cristallo con asse ottico perpendicolare alla superficie
(asse ottico parallelo alla direzione della luce incidente) il raggio ordinario e quello straordinario si propagano nella stessa
direzione e con la stessa velocità (non c’è separazione dei raggi: la birifrangenza è zero)
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analisi al microscopio a polarizzatori incrociati
P = polarizzatore A = analizzatore
asse ottico del cristallo parallelo al polarizzatore comportamento isotropo
(non c’è rifrazione) il cristallo è invisibile
cristallo birifrangente
asse ottico del cristallo a 45° rispetto al polarizzatore
comportamento anisotropo (c’è rifrazione)
il cristallo ha visibilità massima
R = proiezione sull’analizzatore della
somma delle componenti dei raggi rifratti parallele
all’analizzatore
A = analizzatore P = polarizzatore
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conclusioni
le componenti dei raggi rifratti che emergono
dall’analizzatore vibrano sullo stesso piano (piano dell’analizzatore)
ma sono sfasate perché i raggi rifratti si propagano con diversa velocità
si verificano fenomeni di interferenza (costruttiva/distruttiva)
il campione risulta colorato
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analisi quantitativa della birifrangenza
il colore osservato è correlato alla Birifrangenza (noto lo spessore del campione)
dal colore visualizzato nell’oculare si individua il ritardo di fase (differenza di lunghezza d’onda)
e la birifrangenza (Δn)
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analisi quantitativa della birifrangenza (misurazione con compensatore)
compensatore dispositivo che compensa la differenza di fase dei raggi rifratti
(è un cristallo birifrangente particolare )
determina un ritardo di fase opposto a quello del campione ma misurabile (p.e. azzerando la luce trasmessa)
babinet compensator tilting compensator
compensatori più diffusi:
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natura della birifrangenza nei polimeri
birifrangenza da orientazione
l’entità dell’interazione fra luce incidente ed elettroni di legame nelle macromolecole dipende
dall’angolo fra il vettore elettrico e i singoli assi di legame (interazione massima se paralleli)
in campioni polimerici orientati maggiore è il numero di legami paralleli fra loro maggiore è l’interazione (quando il vettore elettrico è parallelo alla direzione di orientazione) maggiore è la birifrangenza
birifrangenza da deformazione
in presenza di deformazioni dei legami / angoli di legame (deformazioni del materiale) varia la polarizzabilità dei legami variano gli indici di rifrazione aumenta la birifrangenza
birifrangenza dovuta alla organizzazione delle fasi
in presenza di due o più fasi con indici di rifrazione diversi (p.e. lamelle o bacchette immerse nella fase amorfa, copolimeri a blocchi) morfologie intrinsecamente birifrangenti
(deformazioni temporanee)
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misure di birifrangenza in polimeri
birifrangenza indotta da stress (una punta è inserita in una resina epossidica)
micrografia in luce
polarizzata
evidente anche la linea di frattura associata al processo di rottura
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misure di birifrangenza in polimeri
analisi della morfologia sferulitica
micrografia in luce linearmente polarizzata
micrografia in luce circolarmente polarizzata
torsione elicoidale delle lamelle in crescita
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sferuliti
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misure di birifrangenza in polimeri
fibre di PET
variazione delle proprietà meccaniche con l’orientazione della fase cristallina
variazione delle proprietà meccaniche con l’orientazione totale del materiale
variazione di fc ≈ 5% variazione di Δn ≈ 21%
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misure di birifrangenza in polimeri
film stirati (uniassiali) di PET
100% / min
600% / min
velocità di stiro differenti
variazione di fcristallina ≈ 2%
variazione di Δn ≈ 41%
variazione di famorfa ≈ 53%
proprietà meccaniche dipendono dalla orientazione molecolare totale
(amorfo + cristallino)
aumentando la velocità di stiro
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fine microscopia ottica (e birifrangenza)