O tipo usual de microscópio que você pode encontrar em uma sala de aula ou laboratório de ciências é um microscópio óptico. Um microscópio óptico usa luz para ampliar uma imagem até 2000x (geralmente muito menos) e tem uma resolução de cerca de 200 nanômetros. Um microscópio eletrônico, por outro lado, usa um feixe de elétrons ao invés de luz para formar a imagem. A ampliação de um microscópio eletrônico pode chegar a 10.000.000x, com uma resolução de 50 picômetros (0,05 nanômetros).
As vantagens de usar um microscópio eletrônico sobre um microscópio óptico são ampliação e poder de resolução muito mais altos. As desvantagens incluem o custo e o tamanho do equipamento, a necessidade de treinamento especial para preparar amostras para microscopia e usar o microscópio, e a necessidade de visualizar as amostras. no vácuo (embora algumas amostras hidratadas possam ser usadas).
A maneira mais fácil de entender como um microscópio eletrônico funciona é compará-lo a um microscópio óptico comum. Em um microscópio óptico, você olha através de uma ocular e lente para ver uma imagem ampliada de uma amostra. A configuração do microscópio óptico consiste em uma amostra, lentes, uma fonte de luz e uma imagem que você pode ver.
Em um microscópio eletrônico, um feixe de elétrons substitui o feixe de luz. O espécime precisa ser preparado especialmente para que os elétrons possam interagir com ele. O ar dentro da câmara de amostra é bombeado para formar um vácuo porque os elétrons não viajam muito longe no gás. Em vez de lentes, as bobinas eletromagnéticas focalizam o feixe de elétrons. Os eletroímãs dobram o feixe de elétrons da mesma maneira que as lentes dobram a luz. A imagem é produzida por elétrons, para que seja visualizado tirando uma fotografia (uma micrografia eletrônica) ou visualizando a amostra através de um monitor.
Existem três tipos principais de microscopia eletrônica, que diferem de acordo com a forma como a imagem é formada, como a amostra é preparada e a resolução da imagem. São microscopia eletrônica de transmissão (TEM), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia de tunelamento de varredura (STM).
Os primeiros microscópios eletrônicos a serem inventados foram microscópios eletrônicos de transmissão. No TEM, um feixe de elétrons de alta tensão é parcialmente transmitido através de uma amostra muito fina para formar uma imagem em uma placa fotográfica, sensor ou tela fluorescente. A imagem formada é bidimensional e em preto e branco, como uma espécie de raio X. A vantagem da técnica é que ela é capaz de ampliação e resolução muito altas (cerca de uma ordem de magnitude melhor que a SEM). A principal desvantagem é que funciona melhor com amostras muito finas.
Na microscopia eletrônica de varredura, o feixe de elétrons é varrido pela superfície de uma amostra em um padrão raster. A imagem é formada por elétrons secundários emitidos da superfície quando são excitados pelo feixe de elétrons. O detector mapeia os sinais de elétrons, formando uma imagem que mostra a profundidade de campo além da estrutura da superfície. Embora a resolução seja menor que a do TEM, o SEM oferece duas grandes vantagens. Primeiro, forma uma imagem tridimensional de uma amostra. Segundo, ele pode ser usado em amostras mais grossas, pois apenas a superfície é digitalizada.
Tanto no TEM como no SEM, é importante perceber que a imagem não é necessariamente uma representação precisa da amostra. A amostra pode sofrer alterações devido à sua preparação para a microscópio, da exposição ao vácuo ou da exposição ao feixe de elétrons.
As imagens do microscópio de varredura por tunelamento (STM) são exibidas no nível atômico. É o único tipo de microscopia eletrônica que pode gerar imagens individuais átomos. Sua resolução é de cerca de 0,1 nanômetros, com uma profundidade de cerca de 0,01 nanômetros. O STM pode ser usado não apenas no vácuo, mas também no ar, na água e em outros gases e líquidos. Pode ser usado em uma ampla faixa de temperatura, de quase zero absoluto a mais de 1000 graus C.
O STM é baseado em tunelamento quântico. Uma ponta condutora elétrica é aproximada da superfície da amostra. Quando uma diferença de tensão é aplicada, os elétrons podem entrar em túnel entre a ponta e a amostra. A mudança na corrente da ponta é medida à medida que é digitalizada na amostra para formar uma imagem. Ao contrário de outros tipos de microscopia eletrônica, o instrumento é acessível e de fácil fabricação. No entanto, o STM requer amostras extremamente limpas e pode ser complicado fazê-lo funcionar.