Zpracovatelské vlastnosti textilních vláken 2.

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