Profesor Nancy Burnham | Pencitraan pada nano: Meningkatkan teknik dalam mikroskop gaya atom • scientia.global

Atomic Force Microscopy (AFM) menyediakan sarana untuk permukaan gambar dengan resolusi nanometer, memungkinkan para ilmuwan untuk melihat blok dan kekuatan bangunan individu yang membentuk dunia di sekitar kita. Profesor Nancy Burnham dari Worcester Polytechnic Institute dan rekan -rekannya Lei Lyu dan Lily Poulikakos di Swiss Federal Laboratories for Material Science and Technology (EMPA) telah bekerja pada bagaimana kita dapat mengurangi artefak dalam gambar -gambar ini dan memastikan mereka ditafsirkan secara akurat. Dengan mempertimbangkan dan menerapkan teknik-teknik ini, penelitian AFM berkualitas tinggi dapat diproduksi.

Apa itu mikroskop gaya atom?

Atomic Force Microscopy (AFM) digunakan untuk membantu kita mempelajari lebih lanjut tentang beragam bahan, dari aspal ke sampel biologis, melalui pencitraan secara akurat permukaan material. Untuk melakukan ini, AFM menggunakan kantilever dengan ujung tajam di satu ujung. Kekuatan dari sampel mempengaruhi ujung, dan penekuk kantilever. Pembengkokan terdeteksi dengan menyinari laser ke kantilever, dan mengukur cahaya yang dipantulkan darinya menggunakan fotodetektor. Tip kemudian dipindai di seluruh sampel, memungkinkan gambar dibangun dari variasi dalam cahaya yang terdeteksi di fotodetektor.

Profesor Nancy Burnham dari Worcester Polytechnic Institute dan rekan -rekannya menyoroti pentingnya presentasi dan penjelasan gambar yang benar dari AFM. Gambar -gambar ini dapat berisi artefak, atau pola atau distorsi yang tidak diinginkan, yang dapat mengaburkan gambar atau berkontribusi pada hasil yang disalahartikan. Karya mereka menawarkan solusi praktis untuk membantu menghindari artefak ini, sehingga meningkatkan hasil dari pencitraan AFM.

Pemrosesan gambar di AFM

Dengan AFM, teknik pemrosesan gambar sering diperlukan untuk membantu memproses data, tetapi ini kadang -kadang dapat menghasilkan artefak. Tim Profesor Burnham mengidentifikasi bagaimana distorsi dapat terjadi karena teknik yang disebut perataan baris. Mereka menunjukkan ini dengan pencitraan struktur 'lebah' dalam bitumen, yang digunakan untuk mengikat aspal. Struktur lebah dipandang sebagai daerah garis gelap dan terang pada gambar sampel bitumen.

Ketika ujung pengaturan AFM memindai struktur lebah secara berturut-turut, ia mungkin melihat beberapa piksel abu-abu karena daerah sampel tanpa lebah, diikuti oleh beberapa piksel yang lebih ringan sebagai akibat dari garis cahaya lebah. Di baris berikutnya, mungkin melihat beberapa piksel abu -abu, diikuti oleh beberapa piksel yang lebih gelap sebagai akibat dari garis gelap lebah. Dalam proses penyelarasan baris standar, masing -masing warna piksel rata -rata baris diselaraskan dengan warna greyscale rata -rata dalam gambar. Ini berarti bahwa baris yang berisi piksel yang lebih ringan diatur ke nilai yang lebih tinggi, dan baris yang berisi piksel yang lebih gelap diatur ke nilai yang lebih rendah, yang salah mewarnai piksel latar belakang abu -abu di sekitar lebah. Ini menciptakan pola bergaris yang terdistorsi dalam gambar.

Tim Profesor Burnham menyarankan teknik pemrosesan yang berbeda. Mereka menghilangkan kelengkungan dengan menggunakan metode pengurangan yang disebut pengurangan polinomial orde kedua, dan kemudian mereka menerapkan perataan baris rata-rata. Ini memperhitungkan nilai piksel yang paling umum terjadi secara berturut -turut daripada mempertimbangkan keseluruhan gambar. Pengurangan dan perataan baris rata -rata ini membantu mengurangi distorsi di sekitar lebah dalam gambar, dan mereka dapat lebih jelas diamati.

scientia.global/wp-content/uploads/AFM-schematic_recreated_v2-1024×768.png” alt=”” width=”570″ height=”428″/>

Menggunakan lampu IR di pengaturan AFM

Peralatan yang digunakan dalam pengukuran AFM dapat memengaruhi gambar yang diambil. Profesor Burnham dan rekan-rekannya membahas AFM yang dikombinasikan dengan spektroskopi inframerah (AFM-IR), di mana, selain ujung pemindaian dan penopang AFM, sampel juga menyerap cahaya inframerah. Lampu IR yang diserap dapat digunakan untuk mengidentifikasi sifat kimia bahan, dan dapat menyebabkan sampel mengembang. Ekspansi ini dapat dideteksi dengan menggunakan kantilever dan tip untuk mengukur perubahan ketinggian sampel.

Profesor Burnham dan timnya menunjukkan betapa cahaya yang bersinar pada sampel dapat menyebabkannya memanas. Untuk beberapa bahan, perubahan suhu ini dapat menyebabkan sifat -sifat sampel hilang. Yang penting, jika daya laser yang terlalu tinggi digunakan, struktur lebah dapat dilebur dalam sampel aspal. Untuk mencegah hal ini, tim menyarankan untuk mempertimbangkan dampak pemanasan sampel dan memastikan daya laser yang cocok digunakan untuk mendapatkan gambar yang jelas tanpa terlalu panas.

Ketika sampel diterangi dengan cahaya IR, laser diimbangi pada sudut ke sampel. Setiap kekasaran di permukaan kemudian akan menyebabkan bayangan, menghentikan cahaya IR dari bersinar secara merata di seluruh sampel. Profesor Burnham telah menunjukkan ini dengan membuat replika kelopak mawar – di mana kita dapat melihat respons IR yang lebih rendah di 'lembah' yang dibuat oleh kekasaran permukaan. Profesor Burnham menyarankan bagaimana sampel dapat dimiringkan sedikit untuk membantu menerangi seluruh permukaan.

Menggunakan kekuatan dalam pengaturan AFM

Teknik AFM lain yang dipertimbangkan adalah pemetaan nanomekanik kuantitatif kuantitatif puncak (PF-QNM). Ini mengontrol gaya yang diterapkan pada ujung dan mengukur gaya pada sistem saat memindai. Profesor Burnham dan timnya menyoroti bahwa model yang digunakan untuk menyesuaikan data gaya ini hanya berlaku ketika bahan yang diuji kaku, ujungnya memiliki kelengkungan yang cukup curam, dan adhesi sampel tip rendah. Meskipun tidak semua tips dan sampel yang digunakan sesuai dengan kriteria ini, para peneliti menyoroti bagaimana data yang berguna masih dapat dikumpulkan pada sampel yang sedang dibandingkan dengan menggunakan kondisi eksperimental yang sama dan kalibrasi AFM. Jika pengaturan AFM yang berbeda perlu digunakan, Profesor Burnham menyarankan untuk menggunakan sampel dengan sifat yang diketahui untuk kalibrasi.

Tim Profesor Burnham juga mengidentifikasi bagaimana struktur sistem AFM itu sendiri dapat memengaruhi pengukuran. Misalnya, jika sampel reflektif, beberapa cahaya laser yang bersinar ke kantilever dapat mengenai sampel dan dipantulkan. Sumber cahaya reflektif yang berbeda dapat menyebabkan gangguan pada fotodetektor, memberikan osilasi pada kurva gaya. Ini dapat diperbaiki dengan menerapkan lapisan reflektif ke kantilever untuk memaksimalkan jumlah cahaya yang dipantulkan darinya ke fotodetektor. Demikian pula, para peneliti menyoroti bagaimana pengukuran permukaan dapat dipengaruhi oleh pilihan kekakuan kantilever dan jari -jari ujung. Tim menunjukkan bagaimana pencitraan lebah dalam sampel aspal berbeda ketika sampel memiliki kelengkungan yang berbeda dan menyarankan rasio kelengkungan sampel dengan jari -jari tip, di mana kita perlu mulai memperhitungkan hal ini dalam analisis gambar AFM.

Profesor Burnham dan timnya telah mempelajari teknik AFM yang berbeda dan menyoroti berbagai aspek, dari kelengkungan dan suhu sampel hingga teknik pemrosesan gambar, yang dapat menyebabkan artefak atau kesalahan representasi dalam analisis data. Dengan menetapkan metode untuk mengurangi dampak artefak ini, karya ini membantu mereka yang menggunakan AFM untuk menghasilkan gambar berkualitas tinggi yang dapat ditafsirkan dengan benar.