thumb|150px|Microscopio electrónico de 1964.
Un microscopio electrónico usa electrones en lugar de fotones o luz visible para formar imágenes de objetos diminutos. Los microscopios electrónicos permiten alcanzar amplificaciones mayores antes que los mejores microscopios ópticos, debido a que la longitud de onda de los electrones es bastante menor que la de los fotones. El primer microscopio electrónico fue diseñado por Ernst Ruska y Max Knoll entre 1931 y 1936, quienes se basaron en los estudios de Louis-Victor de Broglie acerca de las propiedades ondulatorias de los electrones.
Un microscopio electrónico de transmisión de barrido ha logrado una resolución superior a 50 pm en el modo imágenes anulares de campo oscuro y ampliación de hasta aproximadamente 10 000 000× mientras que la mayoría de los microscopios ópticos están limitados por difracción a una resolución de aproximadamente 200 nm y ampliaciones útiles por debajo de 2000×. Los microscopios electrónicos utilizan campos magnéticos moldeados para formar sistemas de lentes ópticas electrónicas que son análogas a las lentes de vidrio de un microscopio de luz óptica.
Los microscopios electrónicos se utilizan para investigar la ultraestructura de una amplia gama de especímenes biológicos e inorgánicos, incluidos microorganismos, células, moléculas grandes, muestras de biopsia, metales y cristalinos. Industrialmente, los microscopios electrónicos se utilizan a menudo para el control de calidad y el análisis de fallas. Los microscopios electrónicos modernos producen micrografías de electrones utilizando cámaras digitales especializadas y capturadores de fotogramas para capturar las imágenes.
Historia
Desarrollo inicial thumb|right|Réplicade uno de los primeros microscopios electrónicos de transmisión construidos por Ernst Ruska, xpuesta en el Museo Alemán de Múnich, Alemania thumb|Microscopio electrónico de transmisión (1976) Fueron muchos los avances que sentaron las bases de la óptica electrónica utilizada en los microscopios. En 1873, Ernst Abbe propuso que la capacidad de resolver detalles en un objeto estaba limitada aproximadamente por la longitud de onda de la luz utilizada para la obtención de imágenes, o por unos pocos cientos de nanómetros en el caso de los microscopios de luz visible. Los avances en microscopía ultravioleta (UV), liderados por Köhler y Rohr, aumentaron el poder de resolución al doble.ultraviolet microscope. (2010). In Encyclopædia Britannica. Retrieved November 20, 2010, from Encyclopædia Britannica Online Sin embargo, esto requería de una costosa óptica de cuarzo, debido a que el vidrio absorbía la radiación UV. Se creía que obtener una imagen con información submicrométrica era imposible debido a esta limitación de longitud de onda.
En 1858, Plücker observó la desviación de los «rayos catódicos» (electrones) por campos magnéticos. Un paso importante fue el trabajo de Hertz en 1883 que fabricó un tubo de rayos catódicos con desviación electrostática y magnética, demostrando la manipulación de la dirección de un haz de electrones. En 1891, Eduard Riecke observó que los rayos catódicos podían enfocarse mediante campos magnéticos, lo que permitía diseñar lentes electromagnéticas sencillas. Este efecto fue utilizado por Ferdinand Braun en 1897 para construir osciloscopios de rayos catódicos (cathode-ray oscilloscope, o CRO) sencillos. En 1899 Emil Wiechert los focalizó mediante un campo magnético axial y en 1905 Arthur Wehnelt usó cátodos recubiertos de óxido mejorados que producían más electrones.
En 1926, Hans Busch publicó un trabajo que extendía esta teoría y demostró que la ecuación del fabricante de lentes podía, con las suposiciones adecuadas, llevar al desarrollo de la lente electromagnética y aplicarse a los electrones. Según Dennis Gabor, el físico Leó Szilárd intentó convencerle en 1928 de que construyera un microscopio electrónico, para el que Szilárd había solicitado una patente.Dannen, Gene (1998) Leo Szilard the Inventor: A Slideshow (1998, Budapest, conferencia). dannen.com
Hoy en día, la cuestión de quién inventó el microscopio electrónico de transmisión es controvertida.. En 1928, en la Technische Hochschule de Charlottenburg (actualmente Universidad Técnica de Berlín), Adolf Matthias, catedrático de Tecnología de Alta Tensión e Instalaciones Eléctricas, designó a Max Knoll para dirigir un equipo de investigadores con el fin de que avanzaran en la investigación sobre haces de electrones y mejoraran el diseño del osciloscopio de rayos catódicos. El equipo estaba formado por varios estudiantes de doctorado, entre ellos Ernst Ruska y Bodo von Borries. El equipo de investigación trabajó en el diseño de lentes y la colocación de las columnas del CRO, para optimizar los parámetros y construir mejores CRO, y en la fabricación de componentes ópticos electrónicos para generar imágenes de baja magnificación (casi 1:1). En 1931, el grupo logró generar imágenes ampliadas de rejillas de malla colocadas sobre la abertura del ánodo. El dispositivo utilizaba dos lentes magnéticas para lograr mayores aumentos, lo que podría considerarse la creación del primer microscopio electrónico. (Ruska fue galardonado con el premio Nobel de Física de 1986 «Por su fundamental trabajo en óptica de electrones y por su diseño del primer microscopio electrónico»; Max Knoll murió en 1969, por lo que no recibió una parte del Premio Nobel.)
Aparentemente independiente de este esfuerzo fue el trabajo en Siemens-Schuckert por Reinhold Rüdenberg que patentó un microscopio electrónico con lente electrostática.. Según la ley de patentes (patente estadounidense n.º 2058914 y 2070318, ambas presentadas en 1932), sería el inventor del microscopio electrónico, pero no está claro cuándo tuvo un instrumento operativo. Afirmó en un artículo muy breve en 1932 que Siemens había estado trabajando en esto durante algunos años antes de que se presentaran las patentes en 1932, sosteniendo que su esfuerzo era paralelo al desarrollo de la universidad. Murió en 1961, por lo que, al igual que Max Knoll, no pudo optar a una parte del Premio Nobe de 1986l.
Mejora de la resolución En aquel entonces, se entendía que los electrones eran partículas de materia cargadas; la naturaleza ondulatoria de los electrones no se comprendió completamente hasta la tesis doctoral de Louis de Broglie en 1924. El grupo de investigación de Knoll desconocía esta publicación hasta 1932, cuando se percataron de que la longitud de onda de De Broglie de los electrones era varios órdenes de magnitud menor que la de la luz, lo que permitía teóricamente la obtención de imágenes a escala atómica. (Incluso para electrones con una energía cinética de tan solo 1 electronvoltio, la longitud de onda ya es de ). En abril de 1932, Ruska propuso la construcción de un nuevo microscopio electrónico para la obtención de imágenes directas de muestras insertadas en el microscopio, en lugar de simples rejillas de malla o imágenes de aperturas. Con este dispositivo se logró la obtención de imágenes de difracción y normales de una lámina de aluminio. Sin embargo, el aumento que se podía obtener era menor que con la microscopía óptica. En septiembre de 1933 se lograron aumentos superiores a los que se podían obtener con un microscopio óptico, con imágenes de fibras de algodón captadas rápidamente antes de que fueran dañadas por el haz de electrones.
En ese momento, el interés por el microscopio electrónico había aumentado, y otros grupos, como el de Paul Anderson y Kenneth Fitzsimmons de la Universidad Estatal de Washington y el de Eli Franklin Burton y los estudiantes Cecil Hall, James Hillier y Albert Prebus. de la Universidad de Toronto, quienes construyeron los primeros TEM en Norteamérica en 1935 y 1938, respectivamente, impulsaron continuamente el diseño de estos microscopios.
En 1936, Siemens continuó investigando en el microscopio electrónico y financió el trabajo de Ernst Ruska y Bodo von Borries, y empleó a Helmut Ruska, hermano de Ernst, para desarrollar aplicaciones para el microscopio y mejorar sus propiedades de imagen, especialmente con muestras biológicos. En ese momento, se fabricaban microscopios electrónicos para grupos específicos, como el dispositivo "EM1" utilizado en el Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido. En 1939, el primer microscopio electrónico comercial, que se muestra en la imagen, se instaló en el departamento de Física de IG Farben-Werke (según otras fuentes en 1938Historia de la microscopía electrónica, 1931-2000. Authors.library.caltech.edu (2002-12-10). Recuperado en 2017-04-29.).
El trabajo posterior con el microscopio electrónico se vio obstaculizado por la destrucción de un nuevo laboratorio construido en Siemens durante un bombardeo aéreo, así como por la muerte de dos de los investigadores, Heinz Müller y Friedrich Krause, durante la Segunda Guerra Mundial.
También en 1937, Manfred von Ardenne fue pionero en el microscopio electrónico de barrido.
Investigación posterior
Tras la Segunda Guerra Mundial, Ruska retomó su trabajo en Siemens, donde continuó desarrollando el microscopio electrónico de transmisión, creando el primer microscopio con un aumento de 100.000x (aunque los actuales son capaces de alcanzar dos millones de aumentos, como instrumentos científicos siguen siendo similares pero con una óptica mejorada.) La estructura fundamental de este diseño de microscopio, con óptica de preparación de haz multietapa, todavía se utiliza en los microscopios modernos. La comunidad mundial de microscopía electrónica avanzó con la fabricación de microscopios electrónicos en Manchester (Reino Unido), Estados Unidos (RCA), Alemania (Siemens) y Japón (JEOL). La primera conferencia internacional de microscopía electrónica tuvo lugar en Delft en 1949, con más de cien asistentes. Posteriormente se celebraron conferencias, incluida la "Primera" conferencia internacional en Paris, 1950 y luego en Londres en 1954.
Con el desarrollo de la TEM, la técnica asociada de microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) fue reinvestigada y permaneció sin desarrollar hasta la década de 1970, cuando Albert Crewe, de la Universidad de Chicago, desarrolló el cañón de emisión de campo y añadió una lente objetivo de alta calidad para crear la STEM moderna. Utilizando este diseño, Crewe demostró la capacidad de obtener imágenes de átomos mediante imágenes de campo oscuro anular. Crewe y sus colaboradores en la Universidad de Chicago desarrollaron la fuente de emisión de electrones de campo frío y construyeron una STEM capaz de visualizar átomos pesados individuales en sustratos delgados de carbono.
Limitaciones del microscopio electrónico La limitada apertura no permite que la información detallada alcance la imagen, limitando de este modo la resolución. El contraste de amplitud (que radica en la naturaleza corpuscular de los electrones) se debe al contraste de difracción, provocado por la pérdida de electrones del rayo. Es un contraste dominante en especímenes gruesos. El contraste de fase (que radica en la naturaleza ondulatoria de los electrones) se debe al contraste de interferencia provocado por los desplazamientos en las fases relativas de las porciones del rayo. Es un contraste dominante en especímenes finos. Existen también distintas aberraciones producidas por los lentes: astigmática, esférica y cromática. El problema de la función de transferencia de contraste (CTF en inglés): la FTC describe la respuesta de un sistema óptico a una imagen descompuesta en ondas cuadráticas.
El material biológico presenta dos problemas fundamentales: el entorno de vacío y la transferencia de energía. Para resolverlos, se utilizan distintas técnicas dependiendo del tamaño de la muestra: para muestras grandes como órganos, tejidos o células, se utilizan tres técnicas: la fijación química o la criofijación; la inclusión en resinas (criosustitución); la réplica metálica.