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

Jacopo Vialetto, Shivaprakash N. Ramakrishna+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Pickering emulsions and particle stabilization被引用 3

一句话总结

本研究通过从两种流体相分别成像，实现了在油-水界面处对pNIPAM微凝胶的原位三维原子力显微镜（AFM）成像，成功实现了其三维形貌的完整重构。该技术以高分辨率揭示了界面形变、非对称溶胀及温度依赖的构象变化，克服了传统离线及二维成像方法的局限性。

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.

研究动机与目标

• 为解决在高分辨率下实验测定软性可变形颗粒在流体界面处三维形貌的挑战。
• 开发一种无需样品转移的原位、高分辨率软颗粒在流体界面处三维重构方法。
• 研究界面张力与溶剂差异如何引起软微凝胶的非对称形变与溶胀。
• 实现实时、原位监测响应性微凝胶在界面处的温度诱导构象变化。
• 在颗粒稳定体系中，建立单颗粒行为与宏观材料性能之间的直接关联。

提出的方法

• 在油-水界面处，采用峰值力轻敲模式对pNIPAM微凝胶进行原位AFM成像，分别从水相和油相进行观测。
• 制备了一种定制的微流体腔室，其在硅片上设有浅腔室，以稳定界面并实现双侧观测。
• 对成像参数（如峰值力设定点5–500 pN、振荡频率1–2 kHz、扫描速度0.2–1 Hz）进行优化，以确保稳定性与分辨率。
• 从界面两侧提取高度轮廓，并对水相侧轮廓进行反转，以实现三维形貌重构。
• 通过绕y轴旋转径向高度轮廓生成三维重构图像，利用积分公式计算体积：𝑉𝑖𝑛𝑡 = 𝜋∫[𝑓(𝑟)]² 𝑑𝑟。
• 数据处理采用Gwyddion进行降噪，使用MATLAB对多个微凝胶的轮廓进行对齐与平均。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在原位条件下以高分辨率重构软性响应性微凝胶在流体界面处的三维形貌？
• RQ2 界面张力在不同流体相中如何诱导微凝胶的非对称形变与溶胀？
• RQ3 温度变化如何影响pNIPAM微凝胶在流体界面处的构象与溶胀行为？
• RQ4 界面相互作用与溶剂差异在多大程度上改变了软颗粒的力学响应，相较于其体相行为？
• RQ5 原位AFM成像能否在环境条件下实时分辨动态构象变化？

主要发现

• 通过从水相和油相分别成像，成功重构了pNIPAM微凝胶在油-水界面处的三维形貌，揭示了其非对称溶胀与形变。
• 水相侧成像显示噪声水平较高，通过至少10个微凝胶的互相关平均与轮廓对齐方法有效降低了噪声。
• 该技术成功可视化了由界面张力引起的界面形变，且在正十六烷与1-癸醇体系中观察到明显的构象变化。
• 原位直接观测到温度依赖的构象变化，证实了体积相转变温度对微凝胶形貌的影响。
• 利用径向轮廓积分公式定量计算了微凝胶在水相中占据的体积：𝑉𝑖𝑛𝑡 = 𝜋∫[𝑓(𝑟)]² 𝑑𝑟。
• 该方法提供了一种直接、非侵入性且高分辨率的替代方案，避免了基底诱导的人为误差，实现了对动态界面行为的实时监测。