[논문 리뷰] In situ imaging of the three-dimensional shape of soft responsive particles at fluid interfaces by atomic force microscopy

Jacopo Vialetto, Shivaprakash N. Ramakrishna외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Pickering emulsions and particle stabilization인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 액체-액체 인터페이스에서 pNIPAM 마이크로젤의 현장 3차원 원자력 현미경(AFM) 영상 촬영을 통해 양측 유체 상에서의 영상 촬영을 통해 3차원 형상의 완전한 재구성 가능성을 입증한다. 이 기법은 고해상도로 표면 변형, 비대칭 팽창 및 온도 의존성 구조 변화를 드러내며, 외부에서 촬영하거나 2차원 영상 촬영 방식의 한계를 극복한다.

ABSTRACT

The reconfiguration of soft, deformable particles upon adsorption at the interface between two fluids underpins many aspects of their dynamics and interactions, ultimately controlling the macroscopic properties of particle monolayers of relevance for materials, such as particle-stabilized emulsions and foams, and processes, e. g. particle-based lithography. In spite of its importance, experimentally determining the three-dimensional shape of soft particles at fluid interfaces with high resolution remains an elusive task. In this work, we take poly(N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) microgels as model soft particles and demonstrate that their conformation at the interface between an aqueous and an oil phase can be fully reconstructed by means of in-situ atomic force microscopy (AFM) imaging. We show that imaging the particle topography from both sides of the interface allows one to characterize the in-plane deformation of the particle under the action of interfacial tension and to visualize the occurrence of asymmetric swelling in the two fluids. Additionally, the technique enables investigating different fluid phases and particle architectures, as well as studying in situ the effect of temperature variations on particle conformation. We envisage that these results open up an exciting range of possibilities to provide microscopic insights between the single-particle behavior of soft objects at fluid interfaces and macroscopic material properties of relevance for applications and fundamental studies alike.

연구 동기 및 목표

• 부드럽고 변형 가능한 입자들이 액체 인터페이스에서 고해상도로 3차원 형상을 실험적으로 측정하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 표본 이동 없이 현장에서 고해상도 3차원 재구성 기법을 개발하기 위해.
• 인터페이셜 장력과 용매 차이가 부드러운 마이크로젤의 비대칭 변형과 팽창을 유도하는 방식을 규명하기 위해.
• 반응성 마이크로젤의 온도 유도 구조 변화를 실시간으로 현장에서 모니터링할 수 있도록 하기 위해.
• 입자 안정화 시스템에서 단일 입자 거동과 거시적 물성 간의 직접적인 연관성을 제공하기 위해.

제안 방법

• pNIPAM 마이크로젤을 수상 및 기름 상에서 PeakForce 탭핑 모드를 이용해 현장에서 AFM 영상 촬영하였다.
• 인터페이스를 안정화하고 양측에서 접근할 수 있도록 실리콘 웨이퍼에 얕은 저장조를 갖춘 특수 마이크로유체 셀을 제작하였다.
• 안정성과 해상도를 향상시키기 위해 PeakForce 설정값(5–500 pN), 진동 주파수(1–2 kHz), 스캔 속도(0.2–1 Hz) 등의 영상 설정을 최적화하였다.
• 인터페이스의 양측에서 높이 프로파일을 추출하고, 수상 측의 데이터를 뒤집어 3차원 형상 재구성하였다.
• 반경 방향 높이 프로파일을 y축을 중심으로 회전시켜 3차원 재구성을 생성하였으며, 적분을 통해 부피 계산이 가능하도록 하였다: 𝑉𝑖𝑛𝑡 = 𝜋∫[𝑓(𝑟)]² 𝑑𝑟.
• 노이즈 감소에는 Gwyddion을, 프로파일 정렬 및 여러 마이크로젤 간 평균화에는 MATLAB을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 액체 인터페이스에서 부드럽고 반응성 마이크로젤의 3차원 형상을 고해상도로 현장에서 어떻게 재구성할 수 있는가?
• RQ2 인터페이셜 장력이 서로 다른 유체 상에서 마이크로젤의 비대칭 변형과 팽창을 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 온도 변화가 액체 인터페이스에서 pNIPAM 마이크로젤의 구조 및 팽창 거동에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 인터페이셜 상호작용과 용매 차이가 부드러운 입자의 기계적 거동을 부피 거동과 비교해 얼마나 변화시키는가?
• RQ5 현장 AFM 영상 촬영이 환경 조건에서 실시간으로 동적 구조 변화를 해상도 있게 해석할 수 있는가?

주요 결과

• 수상 및 기름 상에서의 영상 촬영을 통해 pNIPAM 마이크로젤의 3차원 형상 재구성이 성공적으로 이루어졌으며, 비대칭 팽창과 변형이 드러났다.
• 수상 측에서의 영상는 더 높은 노이즈 수준을 보였지만, 최소 10개 이상의 마이크로젤에 걸쳐 상관 평균화 및 프로파일 정렬을 통해 이를 보완하였다.
• 이 기법은 인터페이셜 장력으로 인한 인터페이셜 변형을 시각화할 수 있었으며, 헥사데칸 및 1-데카놀 시스템에서 뚜렷한 구조 변화가 관찰되었다.
• 온도 의존성 구조 변화는 현장에서 직접 관찰되었으며, 마이크로젤 형상에 영향을 미치는 부피 전이 온도의 영향을 확인하였다.
• 반경 프로파일 적분 공식을 사용하여 수상 상에서 마이크로젤이 占하는 부피를 정량적으로 계산하였다: 𝑉𝑖𝑛𝑡 = 𝜋∫[𝑓(𝑟)]² 𝑑𝑟.
• 이 방법은 기존의 외부 촬영 기법에 비해 직접적이고 비침습적이며 고해상도의 대안을 제공하며, 기판 유도 간섭 현상 방지를 비롯해 동적 인터페이셜 거동의 실시간 모니터링이 가능하다.