MIKROSKOPIE V OBORU TEXTILNÍM Makro- a mikrosvět Vjemy ze světa okolo nás vnímáme svými smysly. Je uváděno, že nadpoloviční množství těchto vjemů makrosvěta přichází do našeho mozku zrakem. Mozek je schopen vjemy třídit, uchovávat a zpětně rekonstruovat při podobných situacích. Pak říkáme, že člověk je schopen jednat v kontextu. Důležitou vlastností optických systémů včetně lidského oka je rozlišovací schopnost (schopnost rozlišení dvou vedle sebe ležících bodů). Tato schopnost je u lidského oka cca 0,1 mm (např. lidský vlas). V zásadě jsme však kontextuálně schopni vnímat tělesa o velikosti 10 mikrometrů (vlákno bavlny, prach na skle…). Zaostření na vnímaná tělesa se děje pomocí akomodace oka, která je uváděna v rozmezí 4 dioptrií od 0,25 m do nekonečna. Pokud akomodační schopnost oka nestačí, ordinují se optické pomůcky (brýle, kontaktní čočky, lupa…).
Obr. 1 Model lidského oka Mimo rozlišovací schopnost lidského oka leží mikrosvět (samozřejmě také gigasvět vesmíru, ale o tomto světě mikroskopie nepojednává). V tabulce jsou v logaritmické stupnici uvedeny schopnosti rozlišení různých experimentálních metod a struktury, které jsou těmito metodami studovatelné. Tabulka I Rozlišovací schopnosti různých metod lidské oko optika exp. techniky
REM TEM RTG vlákno fibrila
struktur a
lamela krystality krystalinita 0,1nm
1nm
morfologie
10nm 100nm 1µm 10µm 100µ m
1mm 10mm
log l
SVĚTLO Světlo je definováno jako příčné elektromagnetické vlnění přenášející energii v kvantech, která byla nazvána fotony. U některých jevů se projevuje vlnová podstata světla (při interferenci), u některých zase jeho podstata kvantová (fotoelektrický jev). Při mikroskopování se projevuje v převážné většině vlnová podstata světla. Šíření světelné vlny o dané vlnové délce λ je spjato s přenosem energie ve formě kvant dané vztahem W=h.f
(1)
kde
W - energie h -Planckova konstanta f - frekvence Kvanta se pohybují fázovou rychlostí v , kde fázová rychlost je definována jako rychlost pohybu vlnoplochy ve směru šíření vlnění. Mezi vlnovou délkou λ a frekvencí f je dán vztah λ.f=v
(1a)
Barva Vnímání barvy je zcela nezávislé na frekvenci jednotlivých kvant světelného paprsku. Jestliže budou mít všechna kvanta daného světelného paprsku stejnou energii a tím i stejnou frekvenci, která je skalární veličinou, pak bude světlo monochromatické. Intenzita světla Intenzita světla je dána střední hodnotou čtverce intenzity elektrického pole E elektromagnetické vlny. Závisí na amplitudě vektoru vlny. Obecně platí, že směr intenzity r r r elektrického pole ( E ), směr intenzity magnetického pole ( H ) a směr světelného paprsku ( s ) jsou na sebe navzájem kolmé, což vyhovuje požadavku příčného elektromagnetického vlnění Rozlišovací schopnost Rozlišovací schopnost optického systému je dána vztahem
d= kde
λ n α 2.n.sinα
1
λ n . sin α
(2)
- je vlnová délka světla (resp. záření) [m] - index lomu prostředí, ve kterém se světlo (záření) šíří1 - poloviční úhel vstupní pupily (čočky) - numerická apertura
index lomu, značka n – základní optická charakteristika prostředí. Poměr fázové rychlosti světla c ve vakuu k fázové rychlosti světla v (téže frekvence) dané látce: n = c/v; je vždy větší než 1, závisí na frekvenci světla. V souvislosti s indexem lomu se zavádí pojem optická hustota prostředí. Prostředí 1 je optika hustší než prostředí 2, je-li n1 > n2.
Vzhledem k rozlišovací schopnosti mikroskopu je vhodné připomenout difrakci světla na štěrbině, resp. kruhovém otvoru clony. Pro krátké vlnové délky s vlnovou délkou λ srovnatelnou s šířkou štěrbiny d se šíří vlnění volně, pro vlnové délky s λ větší než d se šíří po vlnoplochách, kde vzájemně interferuje (obr. 2)
Obr. 2 Interference světla Difrakce má potom několik maxim a minim, z nichž nejdůležitější je maximum prostřední (obr. 3). Difrakce na kruhovém otvoru (cloně, průměru vstupní pupily objektivu) je omezujícím faktorem rozlišovací meze optických přístrojů. Pro λ přesahující šířku štěrbiny platí sin Θ = λ d Pro difrakci na kruhovém otvoru jako omezujícího faktoru pak platí sin Θ (1) =1,22 (λ ) a pro malé úhly Θ (1) = 1,22 (λ ) d d kde
Θ(1) d
- je úhlová pozice prvního ohybového minima - je průměr apertury
Obr. 3 Difrakční maxima
(3) (4)
MIKROSKOPIE
Zatímco někteří učenci starověku a středověku zvedali své oči ke hvězdám a snažili se pochopit koloběh vesmíru, jiní skláněli své hlavy k nepatrným částečkám přírody a bádali nad tím, z čeho se skládají věci okolo nás. Jedním z nich byl také Antony van Leeuwenhoek [lévenhuk], který v 17. století jako vědec – samouk sestrojil jednoduchý mikroskop s jedinou čočkou, který zvětšoval 300x. Pomocí tohoto mikroskopu prostudoval řadu mikroorganismů a popsal jejich chování. Objevil krevní kapiláry, popsal bakteria a prvoky a popsal příčné pruhování svalů. Jednočočkový mikroskop zdokonalili jeho následovníci, doplnili objektiv o okulár, preparáty začali osvětlovat, atd. Na obr. 4 je příklad historického mikroskopu sestrojeného v roce 1670 Robertem Hookem a ve srovnání s ním je na obr. 5 moderní mikroskop.
Obr. 4 Historický mikroskop (Robert Hooke 1670)
Obr. 5 Moderní mikroskop Olympus Kromě světelného mikroskopu se v současné době používá pro náhledy do mikrosvěta také mikroskopů, které využívají jiné záření než viditelné světlo. Nejznámější jsou elektronové mikroskopy, dále pak laserové konfokální mikroskopy, atd. Na obr. 6 jsou schémata světelného mikroskopu (SM), transmisního elektronového mikroskopu (TEM) a rastrovacího elektronového mikroskopu (SEM). Světelný mikroskop
Světelný mikroskop je považován za chronicky známé zařízení. Je to optický mikroskop, v němž je obraz zvětšován dvěma sadami spojných čoček: objektivem a okulárem. Pro účely optické mikroskopie se užívají objektivy různé síly, tj. různé zvětšovací schopnosti, okulár již jen zvětšuje obraz vržený objektivem. Největší zvětšení, kterého lze docílit v obyčejném světle, je asi 1 500krát, kdy má optický mikroskop ještě využitelnou rozlišovací schopnost. Při použití nejsilnějších objektivů je nutno vložit mezi frontální čočku a krycí sklíčko mikroskopického preparátu kapku cedrového oleje se stejným lomem světla, jako má sklo, aby se světlo neztrácelo (imerzní objektivy). Vyššího zvětšení lze docílit použitím světla o kratší vlnové délce, jako je ultrafialové (UV) světlo. Dalším způsobem je pozorování ve fázovém kontrastu, které vyžaduje zařízení vyvolávající fázový posun světelných vln. Ten umožňuje pozorovat neobarvené objekty s nepatrně odlišným lomem světla. Speciálními způsoby pozorování je rovněž polarizované světlo, temné pole, atd.
Obr. 6 Schémata SM, TEM, SEM. Světelný mikroskop a elektronové mikroskopy využívají různých druhů záření. U elektronových mikroskopů to je svazek elektronů, který má velmi malou vlnovou délku. Podle vztahu pro výpočet rozlišovací schopnosti je zřejmé, že elektronové mikroskopy budou mít vysokou rozlišovací schopnost (TEM : 1 – 2 nm, SEM: 3 – 10 nm). TEM a SEM mají možnost velkého zvětšení (až 500 000x), kdežto u SM se musíme „spokojit“ se zvětšením 1500x. Zobrazení ve světelném mikroskopu Na obrázku je znázorněn průchod světelných paprsků světelným mikroskopem.
Obr. Průchod světelných paprsků světelným mikroskopem
Pro pozorování ve světelném mikroskopu je vhodné jeho dokonalé seřízení podle Köhlera. Při tomto seřízení se promítá obraz polní clony do roviny preparátu. Seřízení se provádí při zařazeném objektivu 10. Při zaostřeném preparátu se pohybem kondenzoru zaostří obraz polní clony do roviny preparátu. Zvětšení světelného mikroskopu
Zvětšení světelného mikroskopu je udáváno známým vztahem Zm = Z obj. * Z ok. * Z příd.zař. Kde
Zm Z obj. Z ok. Z příd. zař.
( 5)
- je zvětšení mikroskopu - je zvětšení objektivu - je zvětšení okuláru - je zvětšení přídavných zařízení (hranolu, atp.)
Zvětšení mikroskopu se běžně provádí výměnou objektivu nebo výměnou okuláru. Protože se obraz tvoří v objektivu a okulár tento obraz zvětšuje, je vhodné zvětšení mikroskopu měnit výměnou objektivu. Pokud bychom použili objektiv s velkým zvětšením (např. násobným), je nutno mezi preparát a objektiv kápnout kapku imerze. Tím se realizuje tzv. imerzní objektiv, u kterého se více paprsků láme do objektivu Metody pozorování v procházejícím světle
Procházející světlo je nejobvyklejší způsob pozorování na světelném mikroskopu. Při tomto způsobu je možné použít buď přímého procházejícího světla, temného pole, šikmého osvětlení nebo fázového kontrastu. Polarizované světlo je rovněž realizováno převážně v procházejícím světle. Na obr. jsou patrné různé režimy při pozorování v procházejícím světle.
Obr. Různé typy osvětlení v procházejícím světle. a) centrované osvětlení b) šikmé osvětlení ve směru šipky c,d)excentrické osvětlení ve směru šipek e) osvětlení s vloženou pomocnou clonou f) fázový kontrast g) totálně vyosené osvětlení s provizorním efektem temného pole. Temné pole
Temné pole je realizováno speciálním kondenzorem (viz. Obr. ). Přímo do objektivu neprochází žádné paprsky. Paprsky osvětlují preparát šikmo a v objektivu je patrný obraz odražených a lomených paprsků z kondenzoru. Mezi kondenzor a preparát je nutno kápnout kapku imerze!
Obr. Kondenzor pro temné pole IMERZNÍ KAPALINY Imersní kapaliny jsou organické nebo anorganické sloučeniny (kapaliny nebo ve vodě rozpuštěné soli) o různém indexu lomu, které se dají navzájem mísit. Podmínkou použití imersní kapaliny pro použití při mikroskopování vláken, resp. biologických preparátů, je inertnost kapaliny vzhledem k pozorovanému materiálu. Materiál Nesmí během styku s imersní kapalinou bobtnat, rozpouštět se, chemicky reagovat. Imersní kapaliny nesmí během pozorování těkat, aby nedocházelo ke změnám optických vlastností. Problémem je rovněž podobnost indexu lomu některých vláken a imerzí, takže při pozorování vlákna „zmizí“. Toho se naproti tomu dá využít pro zvýraznění některých druhů vláken ve směsích, pro sledování tvaru (trajektorie) vláken v nadvlákenných útvarech, apod. V tabulce je přehled indexů lomu imersních kapalin a vláken. Tabulka Přehled indexů lomu některých imersních kapalin a vláken
Imersní kapalina voda hexan chloroform levandulový olej glycerol ricinový olej lněný olej cedrový olej kanadský balzám
Index lomu 1,333 1,375 1,444 1,461 1,473 1,480 1,485 1,507 1,520
Vlákno Triacetát Polyakrylonitril Viskózová vl. Bavlna Vlna Polyamid Len Ramie Polyester
Index lomu 1,470 1,520 1,535 1,540 1,550 1,550 1,560 1,565 1,630
Povšimněme si např. indexu lomu acetátových vláken a glycerolu. Při mikroskopování vláken je glycerol normálně používanou imersní kapalinou – pro acetátová vlákna jej však nelze použít pro blízký index lomu a tím ztrátu detailů na vlákně. Proto se používá buď voda nebo imerze s vyšším indexem lomu.
POLARIZAČNÍ MIKROSKOPIE
• Polarizované světlo Světlo - elektromagnetické vlnění příčné (šíří se ve všech rovinách kolmých na směr šíření paprsku). Usměrnění kmitů do jedné roviny - polarizace. Může se provádět nikolem nebo polarizačními filtry.
Polarizace dielektrika r x E = E 0 exp( iω t − ) c
r E ...vektor el. pole iω...kruh. frekvence t...čas Vektor polarizace
r r P = ε 0 ⋅ XeE ε0 ... permitivita Xe .. tenzor 2. pořádku (el. susceptibilita) c... rychlost šíření x... osa ve směru šíření Vektor indukce: r r r r r r rr D = ε 0 ⋅ E + P = ε 0 E + ε 0 X e E = ε 0 (1 + X e ) E = ε 0εE r D ... závislý na poloze aktivních dvojic v polymeru →hodnota orientace. Index lomu nezávisí na směru dráhy světla, závisí na směru rozruchu od elektromagnetického vlnění. Pro odlišení → použití polarizovaného světla. Index lomu světla v médiu podmíněno polarizovatelností molekul. Lorentz - Lorentzova rovnice: n2 − 1 3 = P ⋅π n2 + 2 4 P... polarizace n... index lomu • Polarizační mikroskop vybavení polarizátorem a analyzátorem P A - světlo prochází P ⊥ A - tmavé pole. Pootočením A o určitý úhel se „rozsvěcí“ a „ hasne“ pozorovaný objekt (krystal, vlákno) Tato iluminace vyniká u použití monochrom. světla. U bílého světla - interferenční barvy (použití např. pro zralost bavlny) • Optický dvojlom vláken vlákno → anizotropní polymorfní polymerní systém optický dvojlom → míra anizotropie vlákna (míra orientace). dvojlom → rozdíl lomu světla (index lomu) ve směru rovnoběž. a kolmém na osu vlákna n(||) a n(⊥) D=∆n=n(||) - n(⊥) dvojlom - rozdílná rychlost šíření světla
Index lomu světla: n=
c0 λ 0 = cm λ m
c0 ... vakuum cm ... medium
λ.... v ln ová ⋅ dé lka Mikroskop je nutno seřídit, aby se clony kryly. Přídavné zařízení mikroskopu - Bertrandova čočka. Metody zjišťování: - imersní s využitím Beckeho čar - kompenzační - sumární efekt Imersní metoda Při použití lineárně polarizovaného světla se hledá index lomu ve směru || a ⊥ na osu vlákna. Na rozhraní dvou prostředí (vlákno a imersní kapalina) vznikají tzv.Beckeho čáry→mění se imerse, dokud vlákno „nezmizí“, pak je index lomu vlákna stejný jako u imerse. Proměřuje se n( || ) a n( ⊥).
Kompenzační metoda
Založena na kompenzačním měření fázového rozdílu mezi dvěma polarizovanými na sebe kolmými paprsky s rovinami kmitu ve směru rovnoběžém s osou a kolmém na osu vlákna. Používá se polarizační mikroskop. Na vlákně kruhového průřezu podélné světlé a tmavé pruhy interferencí - izochromaty. Pak n ve vztahu ∆ = n⋅λ je počet párů izochromat. Směrem k okraji vlákna se izochromaty zužují. Hodnota dráhového rozdílu se zpřesňuje goniometrickou kompenzací v rozsahu 1 izochromaty. Měří se úhel kompenzace η. Dvojlom D=
λ (180n + η) 1,8 ⋅ 105 ⋅ d
λ ... délka vlny monochromatického světla n ... počet izochromat η ... úhel kompenzace d ... průměr vlákna v µm Izochromaty se nevyskytují u vláken nekruhového průřezu. Tam světlo interferuje do barevných odstínů (zralost bavlny). Rozložení izochromat na klínovém řezu vlákna
Stanovení dvojlomu metodou goniometrické kompenzaze
Stanovení dvojlomu trilobálního vlákna metodou SVIT A
K …rovina komperátoru o.v.
P
Postup: 1. otáčí se komparátorem až do vyhasnutí izochromat (v je ve středu kříže xy) 2. odečte se d ∆n = n( || ) - n( ⊥) ∆n =
d = d / ⋅ k zv ⋅ k /
k´ =
∆Γ d
l2 l1
∆Γ … fázové posunutí d/ … dílky na stupnici kzv … konstantní zvetšení Polarizační mikroskop je nejčastěji konstruován jako optický mikroskop, má však navíc některé další součásti. V dnešní době se používá polarizačních mikroskopů různé konstrukce, ale principiálně jsou si všechny polarizační mikroskopy podobné. Nejdůležitějšími součástmi polarizačního mikroskopu jsou: POLARIZAČNÍ ZAŘÍZENÍ - skládá se ze dvou nikolů, resp. polarizačních filtrů polarizátoru a analyzátoru. Polarizátor je obvykle zabudován v kondenzoru a analyzátor, je
umístěn v tubu mikroskopu a je možné ho z tubu vysunout a tím odstranit z optické soustavy mikroskopu. Tato vlastnost je důležitá pro pozorování předmětu dvojím pohledem. Je-li analyzátor vysunut, mluvíme o “pozorování s jedním nikolem”. Zasuneme-li analyzátor, pozorujeme “se zkříženými nikoly”. Další součásti polarizačního mikroskopu: STATIV - jsou na něm upevněny ostatní části mikroskopu; OSVĚTLOVACÍ ZAŘÍZENÍ -
dopravuje světlo do optické soustavy mikroskopu; OTOČNÝ STOLEK – umožňuje otáčení preparátu kolem osy mikroskopu. Na stolku bývá přichyceno posuvné zařízení, umožňující jemné a přesné posouvání preparátu do stran; TUBUS - lze jím pohybovat vůči stolku nahoru a dolů, a tak mikroskop zaostřit na preparát. Součástí tubu je analyzátor a výsuvná Bertrandova čočka, která umožňuje pozorování ve sbíhavém světle. KONDENZOR je
umístěný pod stolkem mikroskopu a soustřeďuje světlo do optické soustavy mikroskopu. Jeho součástí bývají irisová clonka, která umožňuje regulovat množství světla vstupujícího do tubu; filtr nutný pro pozorování v umělém světle – modré kobaltové sklo odfiltruje žluté záření světelného zdroje, které zkresluje barevné jevy při pozorování; polarizátor, pokud není součástí osvětlovacího zařízení. OBJEKTIVY jsou umístěny na spodním konci tubu. Ke
každému mikroskopu se dodává sada objektivů s různým zvětšením. OKULÁRY se do tubu mikroskopu upevňují zasunutím shora. K polarizačním mikroskopům se dodávají speciální okuláry s vloženým záměrným křížem či mikrometrickou stupnicí. Okuláry s mikrometrickou stupnicí slouží k měření rozměrů pozorovaného objektu. Modernější mikroskopy mívají zabudováno další vybavení, například fotozařízení. To umožňuje pořízení fotografií pozorovaných objektů a následné uložení a zpracování na počítači. Toho se využívá například při tvorbě různých databází. Mikroskop viz obrázek 1. a) Pozorování s jedním nikolem
Nepolarizované světlo vstoupí z osvětlovacího zařízení do polarizátoru, kde dojde k jeho polarizaci dvojlomem a k eliminaci jednoho z takto vzniklých paprsků. Druhý paprsek vystoupí z polarizátoru a prochází dále optikou mikroskopu až k pozorovatelově oku ( obr. 2a ). Toto světlo je již polarizované, to znamená, že všechny paprsky kmitají v jedné rovině. Analyzátor i Bertrandova čočka jsou vysunuty. S jedním nikolem můžeme například pozorovat tvar a velikost vláken. Velikost vláken se měří pomocí mikrometrického okuláru. Jde o okulár s vloženou destičkou se stupnicí o 100 dílcích. Před měřením je třeba
okulár nejprve kalibrovat
pomocí mikrometru. Kalibraci je nutno provést pro každý
objektiv, který při mikroskopování použijeme. Další pozorovatelná vlastnost vláken je barva. Barva vláken v procházejícím světle je dána mírou absorpce světla. Je-li absorpce v celém rozsahu viditelného světla slabá, je vlákno průhledné. Pokud je nějaká část viditelné oblasti světla vláknem absorbována, do pozorovatelova oka proniká ta část spektra, která absorbována nebyla. Výsledkem je barevný vjem. Výše uvedenou metodou lze také sledovat povrch vláken. Umožňuje nám to zjišťovat, zda jsou na něm nějaké trhliny výstupky nebo
ulpěné nečistoty, které jsou nežádoucí. b) Pozorování se dvěma nikoly
Stejně jako v prvním případě světlo vstoupí do polarizátoru a vystoupí z něj polarizované. Toto polarizované světlo posléze dopadne na analyzátor. Analyzátor je ale nastaven tak, že jeho rovina kmitání je kolmá k rovině kmitání polarizátoru. Výsledkem je, že zorné pole mikroskopu při zkřížení nikolů zhasne – světlo neprojde do našeho oka, protože je pohlceno analyzátorem (obr. 2b). K pozorování se dvěma nikoly připravíme mikroskop tak, že zasuneme analyzátor. Bertrandova čočka je vysunuta. Se dvěma nikoly můžeme pozorovat: zhášení a úhel zhášení. Je-li na stolku mikroskopu umístěn opticky izotropní (kubický nebo
amorfní) minerál, zůstává při otáčení stolkem stále tmavý. Naopak minerály opticky anizotropní se při otočení stolkem o 360° čtyřikrát rozsvítí a čtyřikrát zhasnou. Tomuto jevu říkáme zhášení. U izotropních minerálů nezáleží na směru, kterým do nich světlo vstupuje. Izotropním prostředím prochází kolmo dopadající polarizované světlo produkované polarizátorem nerušeně. Následně je světlo zrušeno analyzátorem, který je orientován tak, že propouští jen světlo kmitající kolmo na rovinu kmitání světla vystupujícího z polarizátoru. Proto zůstává libovolný řez opticky izotropního minerálu při otáčení stolkem stále tmavý. Řezy anizotropními minerály kolmé na optickou osu se v polarizačním mikroskopu chovají obdobně jako izotropní minerály. Pro studium zhášení anizotropních minerálů platí jednoduché pravidlo: minerál zháší tehdy, když je některý z jeho hlavních optických směrů rovnoběžný s rovinou kmitání polarizátoru. V těchto směrech prochází polarizované světlo beze změny – řez zůstane tmavý. Tento případ nastane při otočení o 360° čtyřikrát (po 90°). Při pootočení stolkem o 45° z polohy zhášení se řez nejvíce rozsvítí. Mechanismus vzniku tohoto je následující: světlo kmitající předozadním směrem produkované polarizátorem dopadne na řez. Při průchodu řezem dojde ke dvojlomu. Oba dvojlomem vzniklé paprsky jsou vzájemně kolmo polarizované, a to tak, že kmitají rovnoběžně s hlavními optickými směry minerálu. Tyto paprsky se však liší rychlostí, kterou se minerálem šíří, proto z minerálu vystoupí s určitým fázovým rozdílem. Paprsky dopadnou na analyzátor, kde se opět oba rozštěpí na dvě složky, jednu rovnoběžnou s kmitáním polarizátoru, druhou rovnoběžnou s kmitáním analyzátoru. Máme tedy čtyři paprsky, dva kmitající rovnoběžně s polarizátorem, dva s analyzátorem. Paprsky kmitající rovnoběžně s polarizátorem jsou analyzátorem zrušeny. Paprsky kmitající v rovině kmitání analyzátoru mají stejnou vlnovou délku a šíří se prostorem přesně stejným směrem, proto dochází k jejich interferenci. Fázový rozdíl interferujících paprsků
určuje
amplitudu
vznikajícího
paprsku
(obr.3).
Některé
složky
(barvy)
polychromatického světla, které používáme k mikroskopování, jsou tak interferencí zesíleny, některé zeslabeny a některé zcela vyhasnou. Výslednou “směs” paprsků vnímáme jako interferenční barvu. Interferenční barva je vždy nejvýraznější právě v poloze mezi dvěma
sousedními polohami zhášení. Vzájemnou interferenčních barev na tloušťce preparátu
D=
R závislost výše uvedených t a na hodnotě dvojlomu je možné zjistit z
tabulky interferenčních barev (Newtonova škála) – obr. 4. Interferenční barvy jsou
rozděleny na čtyři řády, v nichž následují ve stejném pořadí barvy I. řádu označované jako nízké, II. a III. řádu jako střední, IV. řádu jako vysoké. Z tohoto plyne, že výše interferenčních barev závisí na vzájemném zpoždění interferujících paprsků.
Vnitřní struktura a vlastnosti zkoumaných vláken
Vlákna jsou charakteristická nevratnou orientací makromolekul podél osy vláken a částečnou krystalizací. Základním útvarem vláken je mikrofibrila (vřetenovitý útvar), která se skládá z pravidelně se střídajících amorfních a krystalických oblastí. Mikrofibrily se shlukují do vyšších útvarů zvaných fibril, kde jsou vzájemně propojeny vaznými řetězci. Z toho vyplívá, že vlastnosti vláken jsou ovlivněny částečnou krystalickou strukturou a lze je zkoumat polarizačním mikroskopem podobně jako minerály. Jako příklad byla vybrána vlákna čedičová a vlákna lnu a konopí. ČEDIČ
K výrobě čedičových vláken se užívá vyvřelých hornin. Čedičové horniny tají v rozmezí teplot 1500- 1700 °C. Rychlým ochlazení vzniká amorfní struktura (atomy nejsou pravidelně uspořádány). Při pomalém chlazení dochází ke vzniku krystalické struktury (atomy jsou pravidelně prostorově uspořádány v krystalické mřížce). Krystalizací dochází ke vzniku směsi minerálů plagiocenu a pyroxenu. Pyroxen patří podle systematické mineralogie do třídy silikátů a oddělení inosilikátů, což jsou silikáty s řetězovou vazbou tetraedrů. Čedič je v silně alkalickém prostředí dobře odolný, kdežto v kyselém prostředí je jeho stabilita nižší. Lze ho použít v širokém rozmezí teplot od nízkých (-200 °C) až do poměrně vysokých. V oblasti nad 300 °C však dochází ke vzniku krystalické struktury, která snižuje pevnost těchto vláken, což je nežádoucím jevem. LEN A KONOPÍ
Len a konopí řadíme mezi vlákna rostlinného původu – ze stonků. Jedná se o vlákna technická, což znamená, že jsou složena z velkého počtu malých elementárních vláken (dlouhé protáhlé buňky, které jsou na koncích uzavřené a ve středu mající lumen – kanálek). Svazky těchto elementárních vláken jsou jednobuněčné, navzájem slepené pektiny. Složení a vlastnosti lnu resp. konopí jsou si velmi podobné, proto je dosti obtížné je od sebe rozeznat. Obsahují 65- 85% celulózy, dále popeloviny, tuky, vosky, hemicelulózu, pektiny, lignin a vlhkost. Krystalinita konopí a lnu je okolo 90%. Celulóza obsažená v těchto vláknech krystaluje v soustavě monoklinické nebo rombické. Tyto přírodní vlákna obsahují krystalickou, amorfní část a vazné řetězce. Základním rozdílem těchto dvou vláken je odlišný směr sklonu fibril. U konopí je to na rozdíl od lnu směr Z – pravý. Z mikroskopického hlediska se tyto vlákna od sebe liší svým vzhledem, ale je poměrně snadné je mezi sebou
zaměnit. Mají i podobné vlastnosti – vlákna jsou za mokra velmi pevná, málo tažná, odolná vůči působení sladké i slané vody a obtížně bělitelná a barvitelná. 4. Výsledky měření a pozorování ČEDIČ
Ze snímků je vidět, že čedič v polarizovaném světle pozorovaný se dvěma nikoly nejeví žádné známky interference - v jakékoliv poloze zůstává tmavý. To je důsledkem toho, že paprsek vstupující do vlákna se ve všech směrech pohybuje stejnou rychlostí. Tato skutečnost je potvrzena u opticky izotropních minerálů. Optickou izotorpii projevují látky amorfní a minerály s kubickou souměrností. Z toho vyplývá, že čedičová vlákna jsou amorfní. Další mé měření bylo založeno na pozorování čedičového vlákna po účincích hydroxidu sodného a kyseliny chlorovodíkové. Vlákno jsem již pozorovala pouze s jedním nikolem. Zjistila jsem, že po účincích hydroxidu vlákno nijak výrazně nezměnilo svůj vzhled od původního. Při působení kyseliny však změny nastaly. Vlákno dosti zesláblo a také změnilo svou barvu v pozorovaném světle. Jevilo se téměř jako průhledné. Tím jsem dokázala, že čedičové vlákno zásaditému prostředí poměrně dobře odolává, kdežto kyselému prostředí podléhá a výrazně ztrácí na pevnosti.
LEN A KONOPÍ
Při pozorování těchto vláken se dvěma nikoly nastává výše popsaný jev- interference. Ze snímku elementárního vlákna je poměrně dobře vidět, jak s rostoucí tloušťkou roste dráhové zpoždění. Uprostřed vlákna, kde je jeho největší průměr dominuje karmínově červená barva, směrem do stran pak přechází v oranžově-žlutou, žlutou, modrozelenou až k modré a nakonec
k indigové. Len a konopí jsem sledovala se dvěma nikoly nejprve se sádrovcovou destičkou a následně bez sádrovcové destičky. Sádrovcová destička slouží jako kompenzátor (pomocná destička) s interferenční barvou červeně fialovou, která odpovídá retardaci kolem 560 µm, tedy přibližně 1λ sodíkového světla. Z obrázků je patrné, že u lnu pozorovaného sádrovcovou destičkou natočenou ve směru 0° došlo ke změnám pestrých barev na šeď a u konopí tento jev nenastal. Tím se potvrdilo tvrzení, že len a konopí mají rozdílnou orientaci fibrilárních svazků ve vlákně. Při pozorování elementárního vlákna lnu si lze všimnout kolének, která jsou pro něj specifická. Z přiložených snímků je také dobře rozpoznat úhel zhášení. V poloze 90° se vlákna jeví jako tmavá, kdežto při natočení o 45° je velmi dobře vidět, jak se vlákno rozsvítilo.
Při průchodu polarizátorem (spodním nikolem) dochází k polarizaci světla v předozadní rovině. Rovina kmitání analyzátoru (horního nikolu) je pravolevá. Je- li analyzátor zasunut, dochází k vyhasnutí světla.
Schématické znázornění vzniku interferenčních barev při pozorování opticky anizotropního krystalu se zkříženými nikoly.
Čedič v polarizovaném světle
Elementární vlákno lnu při natočení o 45°
Elementární vlákno lnu při natočení o 90°
Len bez sádrovcové destičky
Len se sádrovcovou destičkou
Konopí bez sádrovcové destičky
Konopí se sádrovcovou destičkou
METODA FÁZOVÉHO KONTRASTU
Fázový kontrast je při mikroskopování jeden z jevů, které zlepšují obraz málo kontrastních preparátů. Využívá se jej také tam, kde preparát obsahuje části s různou optickou hustotou. Lidské oko není schopné registrovat změnu fází – registruje pouze změnu intenzity (obr. ). a)
b)
c)
Obr. Fázový posun světelného paprsku a) normální průchod světelného paprsku b) změna intenzity světla (útlum) c) změna fáze – intenzita zůstává na stejné úrovni, fáze se mění Efektu se dosáhne zavedením tzv. fázové destičky do optického systému mikroskopu, která způsobí fázové zpoždění určité části světla. Fázová destička se zavádí do horní do horní ohniskové roviny objektivu, do míst vedlejších ohybových maxim. Dalšího zvýšení kontrastu se dociluje oslabením neodchýlených paprsků. Oslabuje se maximum paprsků přicházejících z oblasti štěrbin a zároveň paprsků přicházejících z oblasti pruhů (obr. ). Obojí neodchýlené paprsky procházejí stejným místem horní ohniskové roviny objektivu, kam se vkládá slabě absorbující destička, která sousedí s fázovou destičkou. Při pozorování s fázovým kontrastem se rozdíl indexů lomu projevuje jako rozdíl světlosti obou prostředí.
Obr. Uspořádání optických částí při fázovém kontrastu.
Seřízení mikroskopu pro pozorování ve fázovém kontrastu
1. Mikroskop musí být vybaven kondenzorem pro fázový kontrast (kondenzor s diafragmou) a objektivem s fázovou destičkou (je označován nápisem Phv) 2. Mikrosop vyžaduje seřízení pro každé nastavení zvětšení (objektiv) zvlášť. 3. Místo jednoho okuláru nasadíme přídavný mikroskop a posuvem okuláru přídavného mikroskopu zaostříme na kroužky fázové destičky. 4. Posuvem diafragmy v kondenzoru vycentrujeme kroužky tak, aby se překrývaly. 5. Vyměníme přídavný mikroskop za okulár mikroskopu a pozorujeme. Další vysvětlující schema k fázovému kontrastu je na obr.
Obr. Vysvětlující schéma k fázovému kontrastu. 1 Diafragma 2 Kondenzor 3 Preparát 4 Objektiv 5 Fázová destička 6 Okuár
