NIST는 미세 방울의 부피를 측정하는 광학 현미경의 능력을 향상시킵니다.

재채기, 비구름 및 잉크젯 프린터:모두 1리터 병을 채우는 데 수십억이 필요할 정도로 아주 작은 액체 방울을 생성하거나 포함합니다.

미세 방울의 부피, 움직임 및 내용물을 측정하는 것은 공기 중 바이러스(COVID-19를 유발하는 바이러스 포함)가 어떻게 퍼지는지, 구름이 햇빛을 반사하여 지구를 식히는 방법, 잉크젯 프린터가 어떻게 미세하게 세부적인 패턴을 만드는지, 소다병이 바다를 오염시키는 나노 크기의 플라스틱 입자로 파편화됩니다.

NIST(National Institute of Standards and Technology)의 연구원들은 기존 광학 현미경의 보정을 개선하여 1% 미만의 불확실성으로 1리터의 100조분의 1보다 작은 개별 액적의 부피를 처음으로 측정했습니다. 이는 이전 측정에 비해 10배 개선된 것입니다.

광학 현미경은 작은 물체의 위치와 치수를 직접 이미지화할 수 있기 때문에 측정값을 사용하여 구형 미세 방울의 부피(직경의 세제곱에 비례)를 결정할 수 있습니다. 그러나 광학 현미경의 정확도는 이미지 분석이 물방울의 가장자리와 주변 공간 사이의 경계를 얼마나 잘 찾을 수 있는지와 같은 많은 요인에 의해 제한됩니다.

광학 현미경의 정확도를 향상시키기 위해 NIST 연구원들은 기기에 대한 새로운 표준과 교정을 개발했습니다. 그들은 또한 현미경과 중력 측정법으로 알려진 독립적인 기술을 사용하여 비행 중인 미세 방울의 부피를 동시에 측정할 수 있는 시스템을 고안했습니다.

중량 측정은 용기에 축적된 많은 미세 방울의 총 질량을 칭량하여 부피를 측정합니다. 액적의 수를 제어하고 밀도(단위 부피당 질량)를 측정하면 저울에 등록된 총 질량을 사용하여 한 방울의 평균 부피를 계산할 수 있습니다. 이것은 귀중한 정보이지만 액적의 크기가 다양할 수 있으므로 광학 현미경으로 단일 액적을 이미징하면 보다 직접적이고 완전한 측정이 가능합니다.

미세 방울 가장자리를 찾는 정확도를 개선하기 위해 연구원들은 미세 방울을 모방하고 이미지 경계를 보정하기 위해 두 개의 표준 물체를 테스트했습니다. 각 표준 개체에 대해 가장자리 사이의 정확하고 정확하게 측정된 거리를 통해 해당 이미지 경계를 보정할 수 있습니다.

첫 번째 표준 물체는 미세 액적의 직경을 나타내기 위해 보정된 거리만큼 분리된 날카로운 금속 모서리로 구성되었습니다. 미세 방울의 가장자리와 주변 공간 사이의 평평한 경계를 가정하는 이러한 "나이프 가장자리"는 일반적으로 광학 시스템을 테스트하는 데 사용되지만 미세 방울과 약간만 유사합니다.

다른 표준 물체는 미세 방울의 이미지와 매우 유사한 현미경 이미지를 생성하는 보정된 직경의 플라스틱 구체로 구성됩니다. 실제로 과학자들은 이미지 경계 측정을 보정하기 위해 플라스틱 구를 사용할 때 현미경으로 얻은 미세 액적 부피가 중량 측정에서 얻은 것과 정확히 일치한다는 것을 발견했습니다. (연구원들은 칼날이 일치하지 않는 결과를 가져온다는 것을 발견했습니다.) 과학자들은 또한 초점과 왜곡을 포함하여 광학 현미경의 여러 다른 측면을 보정하여 SI에 대한 링크를 전체적으로 유지했습니다.

이러한 개선으로 광학 현미경은 미세 액적의 부피를 1조분의 1리터로 분해했습니다. 표준 및 보정은 실용적이며 기초 및 응용 연구에 사용되는 여러 유형의 광학 현미경에 적용될 수 있다고 연구원들은 말했습니다. 사실, 현미경 광학이 덜 발전할수록 이미지 분석의 정확성을 향상시키기 위해 표준 및 보정을 통해 현미경 측정이 더 많은 이점을 얻을 수 있습니다.

주요 실험에서 연구원들은 프린터를 사용하여 천천히 증발하는 점성 알코올인 사이클로펜탄올의 미세 방울을 분사했습니다. 그들은 제트를 정확하게 제어하여 알려진 수의 미세 방울을 생성했습니다. 미세 방울의 제트가 프린터에서 몇 센티미터 떨어진 용기로 날아갈 때 백라이트가 켜져 광학 현미경으로 이미지화되었습니다. 그런 다음 연구원들은 용기와 그 안에 쌓인 많은 미세 방울의 무게를 측정했습니다.

무게측정법과 비교하여 광학현미경을 보정하고 확인한 팀은 사이클로펜탄올을 나노플라스틱 분석의 일반적이지만 비공식적인 표준인 폴리스티렌 나노입자가 포함된 미세 물방울로 교체하는 또 다른 실험에 착수했습니다. 이 시스템은 예를 들어 플라스틱 오염 연구와 같이 많은 과학자들이 관심을 갖고 있는 샘플 유형과 더 유사합니다. 연구원들은 프린터를 사용하여 한 번에 하나씩 표면에 개별적인 미세 물방울 행을 증착했습니다.

표면에 착륙한 후, 물 미세 방울은 증발하여 나노 입자를 남겼습니다. 그런 다음 팀은 형광 염료로 표지된 나노 입자의 수를 세었습니다. 이러한 방식으로 팀은 농도 측정을 제공하는 각 미세 방울의 부피 내에 부유하는 입자의 수를 기록했습니다. 이 측정은 벌크 액체를 샘플링하고 적은 수의 나노 입자를 포함하는 미세 방울의 특성을 연구하는 방법입니다.

연구팀이 사용하는 것보다 더 빠른 이 방법과 조명 시스템을 사용하여 과학자들은 미세 방울의 스프레이 또는 구름의 부피, 움직임 및 함량을 측정할 수 있을 것이라고 연구원들은 말했습니다. 이러한 측정은 역학, 환경 및 산업 응용 분야에 대한 향후 연구에서 중요한 역할을 할 수 있습니다.