NIST, 광학 현미경 개선으로 미세 물방울 부피 정밀 측정 달성

재채기, 비구름, 잉크젯 프린터: 이 모두는 리터 병을 채우는 데 수십억 개가 필요한 아주 작은 액체 방울을 생성하거나 포함합니다.

미세한 방울의 부피, 움직임, 내용물을 측정하는 것은 공기 중 바이러스(코로나19 유발 바이러스 포함) 확산 연구, 구름이 햇빛을 반사해 지구를 냉각시키는 방식, 잉크젯 프린터가 정교한 패턴을 생성하는 방식, 심지어 탄산음료 병이 해양을 오염시키는 나노스케일 플라스틱 입자로 분해되는 방식을 연구하는 데 중요합니다.

기존 광학 현미경의 보정을 개선함으로써, 미국 국립표준기술연구소(NIST) 연구자들은 100조 분의 1 리터(100 아토리터)보다 작은 개별 방울의 부피를 1% 미만의 불확도로 측정하는 데 최초로 성공했습니다. 이는 이전 측정보다 10배 향상된 것입니다.

광학 현미경은 작은 물체의 위치와 치수를 직접 이미징할 수 있으므로, 구형 미세 방울의 부피(직경의 세제곱에 비례)를 결정하는 데 측정을 사용할 수 있습니다. 그러나 광학 현미경의 정확도는 방울 가장자리와 주변 공간 사이의 경계를 이미지 분석이 얼마나 잘 찾아내는지 등 여러 요인에 의해 제한됩니다.

광학 현미경의 정확도를 개선하기 위해 NIST 연구자들은 기기에 대한 새로운 표준과 보정을 개발했습니다. 또한 현미경과 중량법(gravimetry)이라는 독립적인 기술을 사용하여 비행 중인 미세 방울의 부피를 동시에 측정할 수 있는 시스템을 고안했습니다.

중량법은 용기에 축적된 많은 미세 방울의 총 질량을 달아 부피를 측정합니다. 방울의 개수가 제어되고 밀도(단위 부피당 질량)가 측정되면, 저울에 기록된 총 질량을 사용하여 한 방울의 평균 부피를 계산할 수 있습니다. 이는 가치 있는 정보이지만 방울 크기가 다양할 수 있으므로, 광학 현미경으로 단일 방울을 이미징하면 더 직접적이고 완전한 측정이 가능합니다.

미세 방울 가장자리를 찾는 정확도를 개선하기 위해 연구자들은 미세 방울을 모방하고 이미지 경계를 보정하기 위해 두 가지 표준 물체를 테스트했습니다. 각 표준 물체에 대해 가장자리 사이의 정확하고 정밀하게 측정된 거리는 해당 이미지 경계의 보정을 허용합니다.

첫 번째 표준 물체는 미세 방울의 직경을 나타내도록 보정된 거리로 분리된 날카로운 금속 가장자리로 구성되었습니다. 이러한 '나이프 에지'는 미세 방울 가장자리와 주변 공간 사이의 평평한 경계를 가정하며, 광학 시스템 테스트에 일반적으로 사용되지만 미세 방울과는 겨우 유사할 뿐입니다.

다른 표준 물체는 보정된 직경의 플라스틱 구체로 구성되어 현미경에서 미세 방울과 매우 유사한 이미지를 생성합니다. 실제로 과학자들은 플라스틱 구체를 사용하여 이미지 경계 측정을 보정했을 때, 현미경에서 유도된 미세 방울 부피가 중량법에서 얻은 것과 정확히 일치함을 발견했습니다. (나이프 에지는 더 좋지 않은 일치를 보였습니다.) 과학자들은 또한 초점과 왜곡을 포함한 광학 현미경의 여러 다른 측면을 보정했으며, SI 단위계와의 연결을 유지했습니다.

이러한 개선으로 광학 현미경은 미세 방울의 부피를 1조 분의 1 리터(1 펨토리터)까지 분해할 수 있게 되었습니다. 이 표준과 보정은 실용적이며 기초 및 응용 연구에 사용되는 많은 유형의 광학 현미경에 적용할 수 있다고 연구자들은 언급했습니다. 사실 현미경 광학이 덜 발전할수록 표준과 보정을 통해 이미지 분석 정확도를 개선하는 데 더 많은 이점을 얻을 수 있습니다.

주요 실험에서 연구자들은 프린터를 사용하여 점성이 있는 알코올인 시클로펜타놀 미세 방울 제트를 발사했습니다. 이 알코올은 천천히 증발합니다. 그들은 정확히 알려진 수의 미세 방울을 생성하도록 제트를 정밀하게 제어했습니다. 미세 방울 제트가 프린터에서 몇 센티미터 떨어진 용기로 날아가는 동안, 그들은 후방 조명을 하고 광학 현미경으로 이미징했습니다. 연구자들은 그런 다음 용기와 축적된 많은 미세 방울의 무게를 측정했습니다.

보정된 광학 현미경을 중량법과 비교하여 검증한 후, 팀은 시클로펜타놀을 폴리스티렌 나노입자를 포함한 물 미세 방울로 대체하는 또 다른 실험에 착수했습니다. 이는 플라스틱 오염 연구 등 많은 과학자들이 관심 있는 시료 유형과 더 유사합니다. 연구자들은 프린터를 사용하여 개별 물 미세 방울을 표면에 한 번에 한 줄씩 증착했습니다.

표면에 착륙한 후 물 미세 방울은 증발하여 나노입자를 남겼습니다. 팀은 형광 염료로 표지된 나노입자를 세었습니다. 이렇게 하여 각 미세 방울 부피 내에 부유한 입자 수를 기록했으며, 이는 농도 측정을 제공합니다. 이 측정은 벌크 액체를 샘플링하고 소량의 나노입자를 포함하는 미세 방울의 특성을 연구하는 방법입니다.

이 방법과 팀이 사용한 것보다 더 빠른 조명 시스템을 사용하면 과학자들은 미세 방울 스프레이나 구름의 부피, 움직임, 내용을 측정하는 능력을 갖게 될 것이라고 연구자들은 말했습니다. 이러한 측정은 역학, 환경, 산업 응용 분야의 미래 연구에서 핵심적인 역할을 할 수 있습니다.