Laboratorio de Arqueometría

Transcripción

Dr. Phil Weigand M.
Mtro. Rodrigo Esparza López
Centro de Estudios Arqueológicos-COLMICH
Durante la década de los setenta del siglo pasado empezaron a surgir ciertas técnicas
relacionadas con la microscopía electrónica, entre ellas el llamado microscopio electrónico de
barrido (que por sus iniciales se le conoce como “MEB”), el cual es un instrumento diseñado
para estudiar, en alta resolución, la superficie de los sólidos en general. En este aspecto el
microscopio electrónico de barrido pudiera ser comparado con el microscopio óptico, donde el
primero posee una resolución y profundidad de foco sumamente mayores. Siendo así, el MEB
también no sólo nos permite obtener imágenes mucho más exactas sino también nos permite a
través de la interacción de los electrones con los sólidos obtener la orientación cristalina, la
composición química, la estructura magnética o el potencial eléctrico del material en
observación.
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Los parámetros que nos permiten conocer la calidad del microscopio son: la profundidad de
foco (que depende directamente del instrumento), el ruido de la imagen (en el que influye un
poco la muestra) y la resolución (en el que la muestra tiene una influencia alta). La profundidad
de foco es la distancia a lo largo del eje óptico del microscopio, en la cual la muestra puede ser
movida sin que su imagen sea borrosa.
Con este aparato se puede formar la imagen de los detalles más profundos de la superficie
de la muestra, ya que, como se mencionó, su profundidad de foco es mucho mayor que en un
microscopio óptico, razón por la cual esta técnica de una impresión más real de la
tridimensionalidad. Por lo tanto, el microscopio de barrido puede ser extraordinariamente útil
para estudiar las características morfológicas y topográficas de la muestra. Como su empleo y manejo son relativamente sencillos, y pueden adaptársele fácilmente
otras técnicas analíticas (como un detector de rayos X o de Fluorescencia de Rayos X), su uso
se ha popularizado extraordinariamente. 2 / 12
En consecuencia las ventajas que tiene el MEB con el microscopio óptico son:
1.-La brillantez de la imagen no disminuye con la amplificación, lo cual es un problema serio
en el microscopio óptico.
2.-No hay rotación de la imagen al incrementar la amplificación, como sucede en el
microscopio óptico.
3.-Las fotografías se toman en forman externa al sistema de vacío del microscopio, con
calidad digital.
4.-Se le pueden conectar sistemas de análisis o de detección fácilmente, sin implicación de
adaptaciones o modificaciones de diseño al mismo microscopio.
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Los tipos de aplicaciones del microscopio electrónico en la ciencia de materiales incluyen el
estudio del relieve superficial de las muestras, composición química, dispositivos electrónicos y
experimentos dinámicos. Cada ciencia en particular puede tener ciertos usos dependiendo de
la investigación y características de la muestra, es por ello que lo hace muy versátil el uso de
un equipo así en todos los campos de las ciencias humanas.
El Microscopio Electrónico de Barrido de El Colegio de Michoacán/Centro de Estudios
Arqueológicos.
El MEB con que cuenta el Centro de Estudios Arqueológicos del Colegio de Michoacán con
sede en La Piedad, Mich. es uno de los microscopios más avanzados en todo México, sólo por
su tecnología de punta por ser uno de los últimos modelos que la casa JEOL S.A. de C.V. que
diseña estos equipos ha lanzado al mercado, sino también por contar con los sistemas de
análisis elemental adaptados al equipo que sólo dos instituciones a nivel nacional cuentan, el
ININ (Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares) y el Colmich (El Colegio de Michoacán). Estas sondas de estudio que son la de EDS por sus siglas en ingles (Electron disperse
scanning) y la de XRF (X-Ray Fluorescence) que nos permiten el análisis elemental puntual de
las muestras a escalas de porcentajes hasta partes por millón. Esto es, que podemos
identificar más de 80 elementos de la tabla periódica en las muestras dependiendo de su
contenido.
Su utilización para el estudio en la ciencia de materiales nos ha permitido también enfocarnos
en distintas disciplinas que podemos diversificar hasta las sociales como la arqueología, la
restauración, el estudio de la conservación, entre otras.
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Así pues, veamos algunos ejemplos en donde se puede aplicar estos estudios:
1.-Nanotecnología y bienes culturales
La nanotecnología ofrece a la arqueología una serie de ventajas sobre los métodos
tradicionales. Por ejemplo, en las caracterizaciones de huesos, cerámicas, piedras, pigmentos
y otros objetos, es decir, en el conocimiento de los elementos que componen las muestras, se
da un «diálogo» entre los átomos de las piezas y de los instrumentos que permiten conocerlos
con extraordinaria precisión (de partes por millón). A diferencia de los métodos tradicionales
que requieren de muestras de un tamaño suficientemente grandes para ser analizadas, al
aplicar la nanotecnología, puede utilizarse muestras muy pequeñas, incluso menores a un
gramo. En otros casos, como por ejemplo con un lienzo o una obsidiana, las pruebas se
practican sobre las piezas completas sin que requieran de una preparación previa ni sufran
ningún deterioro.
En este sentido en este proyecto se pueden identificar cuatro enfoques principales:
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1.
Caracterización de materiales arqueológicos por su desarrollo tecnológico. A
través de la caracterización se puede reconocer distintas facetas de desarrollo tecnológico de
la humanidad en cuanto al uso de materias primas y relación con su ambiente y tecnología. En
este caso por ejemplo, se han identificado los pigmentos principales que se utilizaban en la
paleta cromática que extraían tanto de minerales como de plantas o animales. El caso más
conocido ha sido el del Azul Maya, que en cierta forma es uno de los principios de la
nanotecnología pues su relación con sus compuestos así lo demuestra. Pero también, se
pueden reconocer cuestiones sobre producción y desarrollo tecnológico en cerámicas, edificios
y metalurgia, entre otros.
1.
Análisis de materiales arqueológicos para la identificación de procedencia. Este
es uno de los casos más utilizados para la caracterización en primer lugar y segundo relacionar
esta caracterización con los bancos de material o yacimientos para poder inferir la explotación
de recursos y rutas de comercio e intercambio prehispánicas. En este caso los más utilizados
han sido para el estudio de la obsidiana y su comercio en Mesoamérica, el cual el Bajío y
Jalisco cuentan con una gran cantidad de yacimientos de obsidiana que fueron utilizados y que
han culminado en el intercambio de productos a gran distancia y por ende a relaciones de
parentesco o ideológicas.
1.
Identificación de tipo de manufactura o aleaciones. El caso del uso de los metales
en la época prehispánica es muy singular, ya que esta tecnología llegó al parecer de
Sudamérica y se estableció en nuestro país hasta el siglo VI d.C. Lo importante del estudio de
esta tecnología es la relación con nuevas aleaciones y sus posibles usos tanto rituales o
simbólicos. El caso más conocido son hachas rituales Tarascas que presentaban un brillo y un
sonido singular el cual era la comunicación con sus dioses.
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1.
Caracterización de materiales arqueológicos o históricos para su conservación
por el deterioro ambiental
. Una de las áreas de mayor impacto a nivel internacional
sobre la preservación del patrimonio ha sido el estudio del deterioro que han tenido los sitios
arqueológicos por los cambios climáticos que ha sufrido el planeta. La lluvia ácida, el efecto
invernadero, los cambios de humedad en el ambiente, son algunos de los fenómenos que
mayormente se ve en los sitios arqueológicos del país. En Guanajuato, Michoacán y Jalisco
tenemos varios sitios donde tienen problemas sobre su protección principalmente donde existe
la arquitectura en tierra que ha sido un tema muy polémico para su conservación a nivel
internacional, la nanotecnología ha echado mano de su desarrollo para la creación de
polímeros especiales que no afecten a la estructura en sí y su posible preservación. Otro caso
son los petrograbados, donde la lluvia ácida ha acabado completamente con algunos de ellos
(Plazuelas, Guanajuato), hay también algunos polímeros y protecciones de estudios en
nanotecnología que han podido preservar algunos monolitos, sin embargo, cada piedra es
diferente por lo que es necesario un desarrollo mayor en este sentido.
1.
Antropología forense. Por otro lado, existe también la utilización del MEB en labores
de investigación criminal y balística que se utiliza en gran medida en distintos organismos
policiacos y de investigación pericial. Para llegar a entablar una investigación al respecto
existen procedimientos como diplomados o cursos de capacitación para constituir un
laboratorio de esta naturaleza. El técnico que se encargue en el manejo del equipo sería el
indicado para estos cursos y la policía con el ministerio público de La Piedad o de municipios
cercanos estarían interesados en estos análisis.
2.-La industria y el microanálisis con el MEB.
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El análisis químico de un material desconocido es un problema frecuentemente encontrado
tanto en la investigación como en la industria. La identificación de precipitados en una aleación
metálica, de las inclusiones en una fibra sintética, el desarrollo de nuevas aleaciones, el estudio
de las transformaciones de fase en sistemas metálicos o cerámicos y el control de la
especificación de un material durante su producción son algunas de las aplicaciones del
microanálisis, técnica capaz de hace una correlación a escala fina entre el análisis químico y la
microestructura de la muestra, dentro de una región menor de una micra de diámetro.
El microscopio electrónico equipado con EDS y XRF como el de la Piedad nos permite
detectar desde elementos menores o trazas hasta elementos muy pesados. Aunque, ciertas
técnicas tienen mayor precisión para detectar metales, ninguna tiene la resolución del EDS:
sabemos qué elementos y donde están localizados. Esto útlimo a veces más importante que la
cantidad exacta de elemento. Entre estos algunos ejemplos donde se ha podido utilizar el MEB
son:
-
Estudio de aleaciones metálicas
Determinación de composición química de rocas de lava
Estudio de segregación de impurezas en semiconductores
Composición de algunos minerales
Determinación de coeficientes de difusión en cristales
Oxidación y precipitación de impurezas de superficies metálicas
Composición local de cristales MoS:Co usados como catalizadores
Envenenamiento de catalizadores metálicos soportados.
Estudios de minerales en el fondo del mar.
Estudio de segregación de impurezas a la frontera de grano.
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3.-Las Ciencias Biológicas y sus avances por medio del MEB.
Las aportaciones del MEB al conocimiento de la biología animal y vegetal, a la taxonomía, a
la medicina humana y veterinaria, así como a muchas otras ciencias, han sido muy grandes. Con esta metodología se ha podido conocer mucho mejor las superficies de células y tejidos,
las relaciones intercelulares e infinidad de detalles fino de las superficies de plantas y animales.
Utilizando los electrones retrodispersos por el espécimen y una disminución muy moderada
de la presión de la cámara del objeto, se ha podido estudiar un gran número de muestras
biológicas húmedas, sin capa conductora y sin necesidad de largos procedimientos de
preparación. La obtención de imágenes de alta calidad a voltajes de aceleración muy bajos
mediante el empleo de lentes compuestas electromagnéticas y electrostáticas, ha capacitado a
los investigadores para observar el material biológico muy sensible, con haces de electrones
acelerados con muy bajo voltaje que causan mayores daños a por radiación.
La altísima resolución lograda por el MEB provisto de cañón de emisión de campo ha
facultado la localización de características químicas de la superficie mediante la
inmunolocalización con anticuerpos marcados con esferas de oro de menos de 10nm de
diámetro La espectroscopia de rayos X ha producido muchos avances en el conocimiento de la
localización ultraestructural de sustancias inorgánicas, de sustancias orgánicas unidas a
átomos poco frecuentes en la composición general de las células y de contaminantes. La
catodoluminiscencia está comenzando a producir localizaciones finas de sustancias mediante
el uso de marcadores catodoluminiscentes unidos a antcuerpos. Este método se asemeja a la
inmunofluorescencia, pero ofrece más alta resolución.
En resumen con el MEB podemos identificar a organismos uni y pluricelulares, además de la
investigación en tejidos y células con mucho detalles con lo cual en la industria porcina de la
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región estarían muy interesados en investigar ciertas problemáticas que podrían tener en
cuanto a la preparación de embutidos.
4.-Costos de servicio y de mantenimiento.
En instituciones que cuentan con un microscopio electrónico de barrido a nivel nacional, por
lo regular sus costos de mantenimiento se hacen por el pago de servicios al mismo instituto,
esto es, se tiene un cuota fija de uso por hora del microscopio, el cual actualmente tiene un
costo entre $1,500 a $2,000 pesos la hora de uso, que corresponde a un programa de tiempos
por día. En otros casos su utilización se hace a partir de convenios de colaboración como los que ya
se tienen en el Colegio con el CIO (Centro de Investigación en Optica) y la ECRO (Escuela de
Conservación y Restauración de Occidente) donde a partir de ciertos acuerdos de colaboración
se puede ver los distintos detalles en su mantenimiento y uso.
5.-Características generales del MEB.
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Marca y modelo
Tipo
Resolución
Magnificación
Voltaje de aceleración
Microanálisis
Análisis por Fluorescencia
Análisis por EDS
JEOL-JSM-6390LV/LGS
Scanning Electron Microscope
HV: 3.0nm (at 30kV and 8mm WD)
LV: 4.0nm in low vacuum mode
5x to 300,000X (163 steps)
500V to 30kV
IXRF-XRF-TUBE-SEM
LK-IE250 OXFORD INCA ENERGY 250 EDS SYSTEM
Referencias:
Camacho, Alejandra; Sandra Elizalde, Carlos Mandujano, Gianfranco Cassiano y Dolores
Tenorio.
2005 “Análisis de materiales arqueológicos a través de la técnica de microscopia
electrónica de barrido”. En: Arqueometría. Rodrigo Esparza López y Efraín Cárdenas (eds). El
Colegio de Michoacán, A.C. Zamora, Michoacán.
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Vázquez Nin, Gerardo y Olga Echeverría
2000 Introducción a la microscopía electrónica aplicada a las Ciencias Biológicas.
UNAM-F.C.E.
Yacamán, Miguel José y José Reyes Gasga
1995 Microscopía Electrónica. Una visión del microcosmos.
F.C.E.-Conacyt. México.
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