Microscopia in luce polarizzata: una visione più profonda nelle scienze della Terra e dei materiali

La microscopia in luce polarizzata rivela ciò che la normale illuminazione in campo chiaro non mostra: le proprietà ottiche di cristalli, minerali, fibre e altri materiali ordinati. È una tecnica fondamentale in geologia e nelle scienze dei materiali e uno strumento standard nei laboratori didattici, di ricerca e industriali.

Questo articolo spiega come funziona la microscopia in luce polarizzata, che cosa mostra, dove si utilizza e che cosa valutare in un microscopio polarizzatore.

Che cos’è la microscopia in luce polarizzata?

La microscopia in luce polarizzata è una tecnica di contrasto che sfrutta la luce polarizzata per studiare l’interazione tra campione e luce. Un polarizzatore posto sotto il campione lascia passare la luce che vibra in una sola direzione. Un analizzatore posto sopra il campione è orientato a 90 gradi rispetto al polarizzatore, così che in assenza di campione il campo visivo risulti scuro. Questa condizione si chiama a polarizzatori incrociati (nicol incrociati).

I materiali isotropi, come il vetro o i minerali con struttura cristallina cubica, hanno lo stesso indice di rifrazione in ogni direzione e restano scuri a polarizzatori incrociati. I materiali anisotropi, o birifrangenti, scompongono la luce in due raggi che si propagano a velocità diverse. Ricombinandosi nell’analizzatore, i raggi interferiscono e il campione appare luminoso, spesso con colori vivaci, sullo sfondo scuro.

I microscopi polarizzatori sono detti anche microscopi petrografici o geologici, dal loro impiego più noto.

Come funziona un microscopio polarizzatore

Il microscopio polarizzatore aggiunge a un microscopio in luce trasmessa una serie di componenti dedicati:

• Polarizzatore e analizzatore: il polarizzatore si trova sotto il condensatore, l’analizzatore nel percorso ottico sopra gli obiettivi. Entrambi possono essere ruotati o portati in posizione incrociata.
• Tavolino girevole: un tavolino circolare graduato in gradi ruota il campione tra i polarizzatori, così da osservare e misurare posizioni e angoli di estinzione.
• Ottiche esenti da tensioni: obiettivi e condensatori realizzati in modo da essere privi di tensioni interne. Le ottiche comuni possono introdurre una birifrangenza propria, che apparirebbe come falso contrasto.
• Obiettivi centrabili: ogni obiettivo viene centrato sull’asse del tavolino girevole, così che il campione resti nel campo visivo durante la rotazione.
• Compensatori: una lamina a onda intera (lambda), una lamina a quarto d’onda e un cuneo di quarzo si inseriscono nel percorso ottico per misurare il ritardo ottico e identificare le direzioni lenta e veloce di un cristallo.
• Lente di Bertrand: porta in vista il piano focale posteriore dell’obiettivo per l’osservazione conoscopica, in cui le figure di interferenza aiutano a stabilire se un cristallo è uniassico o biassico e a determinarne il segno ottico.

Che cosa distingue la microscopia in luce polarizzata?

La luce polarizzata traduce le proprietà ottiche in contrasto visibile. I colori di interferenza dipendono dallo spessore del campione e dall’entità della sua birifrangenza. Angoli di estinzione, pleocroismo, rilievo e figure di interferenza aggiungono ciascuno informazioni sull’identità e sull’orientazione di un cristallo.

La microscopia in luce polarizzata è quindi una tecnica sia qualitativa sia quantitativa. Un osservatore esperto può identificare un minerale, evidenziare le tensioni in un pezzo stampato o misurare il ritardo ottico con un compensatore, tutto sullo stesso strumento e di norma senza colorare il campione.

Dove si utilizza la microscopia in luce polarizzata

• Geologia e petrografia: identificazione dei minerali in sezioni sottili di rocce e studio della tessitura delle rocce.
• Scienza dei materiali: esame di polimeri, fibre, ceramiche e materiali cristallini, nonché delle tensioni nei pezzi trasparenti.
• Chimica e cristallografia: osservazione dell’abito cristallino, della birifrangenza e dell’accrescimento dei cristalli.
• Materiali da costruzione: studio di calcestruzzo, aggregati e altri materiali edili.
• Biologia: contrasto in strutture naturalmente ordinate come granuli di amido, fibre vegetali e altro materiale biologico birifrangente.
• Didattica: insegnamento della mineralogia ottica e dell’ottica cristallografica nei corsi di scienze della Terra e dei materiali.

Che cosa valutare in un microscopio polarizzatore

• Obiettivi e condensatore esenti da tensioni, così che l’unica birifrangenza visibile sia quella del campione.
• Un tavolino girevole graduato a 360 gradi e obiettivi centrabili rispetto a esso.
• Un polarizzatore girevole e un analizzatore regolabile ed estraibile dal percorso ottico.
• Alloggiamenti per compensatori con lamina a onda intera, lamina a quarto d’onda e cuneo di quarzo.
• Una lente di Bertrand per l’osservazione conoscopica.
• Illuminazione LED uniforme con allineamento di Köhler e regolazione dell’intensità.
• Un oculare con reticolo a croce per allineamenti e misure angolari.
• Una testa trinoculare, se occorre documentare l’osservazione con una telecamera.

Microscopi polarizzatori LABOMED

Il LABOMED® Lx POL è un microscopio polarizzatore costruito per questi requisiti. I suoi obiettivi planacromatici DIN della serie SF, esenti da tensioni e corretti all’infinito (4x, 10x e 40x, con obiettivo a immersione in olio 100x opzionale), sono montati su un revolver quadruplo a inclinazione inversa e ciascuno è centrabile singolarmente.

• Ingrandimento da 40x a 400x con gli obiettivi standard e 1000x con l’obiettivo a immersione in olio 100x opzionale.
• Un tavolino da 160 mm girevole a 360 gradi, con graduazione a intervalli di un grado.
• Un polarizzatore girevole e un analizzatore regolabile con viti di centratura, una lente di Bertrand focalizzabile e lamine lambda, quarto di lambda e cuneo di quarzo.
• Un condensatore centrabile esente da tensioni, NA 0,9.
• Illuminazione LED con regolazione dell’intensità e diaframma di campo di Köhler.
• Testa binoculare o trinoculare Siedentopf inclinata a 30 gradi, con oculari focalizzabili 10x/20 mm e reticolo a croce in un oculare.
• Sulla testa trinoculare, adattatori per attacco C per le telecamere LABOMED Vega, Vega 4K e iVu Touch.

Per il lavoro a basso ingrandimento su campioni più grandi, gli stereomicroscopi Luxeo 6Z e Luxeo 6i accettano un dispositivo di polarizzazione opzionale.

I microscopi LABOMED sono prodotti da Labotech e commercializzati e distribuiti da Labo America, che può aiutarLa a configurare l’Lx POL per il Suo laboratorio o la Sua aula.

Domande frequenti

A che cosa serve la microscopia in luce polarizzata?

Si utilizza per identificare e studiare materiali birifrangenti: minerali in sezioni sottili di rocce, cristalli, polimeri, fibre, ceramiche e materiali da costruzione. Serve inoltre a evidenziare le tensioni nei materiali trasparenti e all’insegnamento della mineralogia ottica.

Qual è la differenza tra un microscopio polarizzatore e un microscopio standard?

Il microscopio polarizzatore aggiunge un polarizzatore, un analizzatore, un tavolino girevole graduato, ottiche esenti da tensioni, alloggiamenti per compensatori e di norma una lente di Bertrand. Un microscopio standard in campo chiaro non dispone di nessuno di questi elementi e non può quindi evidenziare in modo affidabile la birifrangenza.

Perché i microscopi polarizzatori richiedono obiettivi esenti da tensioni?

Le tensioni interne del vetro comune rendono le ottiche leggermente birifrangenti. A polarizzatori incrociati ciò si manifesta come un falso contrasto che può essere scambiato per il campione. Le ottiche esenti da tensioni mantengono scuro lo sfondo, così che il contrasto sia prodotto soltanto dal campione.

A che cosa serve la lente di Bertrand?

La lente di Bertrand consente di osservare il piano focale posteriore dell’obiettivo. Questa osservazione conoscopica mostra le figure di interferenza, che aiutano a stabilire se un cristallo è uniassico o biassico e quale sia il suo segno ottico.