Le NIST améliore la capacité des microscopes optiques à mesurer le volume des microgouttelettes

Éternuements, nuages ​​de pluie et imprimantes à jet d'encre :ils produisent ou contiennent tous des gouttelettes de liquide si minuscules qu'il en faudrait plusieurs milliards pour remplir une bouteille d'un litre.

La mesure du volume, du mouvement et du contenu des gouttelettes microscopiques est importante pour étudier comment les virus en suspension dans l'air se propagent (y compris ceux qui causent le COVID-19), comment les nuages ​​réfléchissent la lumière du soleil pour refroidir la Terre, comment les imprimantes à jet d'encre créent des motifs finement détaillés, et même comment un des fragments de bouteille de soda en nanoparticules de plastique qui polluent les océans.

En améliorant l'étalonnage d'un microscope optique conventionnel, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont pour la première fois mesuré le volume de gouttelettes individuelles inférieures à 100 billionièmes de litre avec une incertitude inférieure à 1 %. C'est dix fois plus que les mesures précédentes.

Parce que les microscopes optiques peuvent imager directement les positions et les dimensions de petits objets, leurs mesures peuvent être utilisées pour déterminer le volume - proportionnel au diamètre au cube - des microgouttelettes sphériques. Cependant, la précision de la microscopie optique est limitée par de nombreux facteurs, tels que la capacité de l'analyse d'image à localiser la limite entre le bord d'une gouttelette et l'espace environnant.

Pour améliorer la précision des microscopes optiques, les chercheurs du NIST ont développé de nouvelles normes et étalonnages pour les instruments. Ils ont également conçu un système dans lequel ils pouvaient mesurer simultanément le volume de microgouttelettes en vol à l'aide de la microscopie et d'une technique indépendante, appelée gravimétrie.

La gravimétrie mesure le volume en pesant la masse totale de nombreuses microgouttelettes qui s'accumulent dans un récipient. Si le nombre de gouttelettes est contrôlé et que la densité - masse par unité de volume - est mesurée, la masse totale enregistrée sur une échelle peut être utilisée pour calculer le volume moyen d'une gouttelette. Bien qu'il s'agisse d'informations précieuses, car la taille des gouttelettes peut varier, l'imagerie de gouttelettes individuelles par microscopie optique permet une mesure plus directe et plus complète.

Pour améliorer la précision de la localisation des bords des microgouttelettes, les chercheurs ont testé deux objets standard pour imiter une microgouttelette et calibrer les limites de l'image. Pour chaque objet standard, une distance mesurée avec précision et exactitude entre ses bords permet de calibrer les limites d'image correspondantes.

Le premier objet standard consistait en des arêtes métalliques tranchantes séparées par une distance calibrée pour représenter le diamètre d'une microgouttelette. Ces "tranchants tranchants", qui supposent une frontière plate entre le bord d'une microgouttelette et l'espace environnant, sont couramment utilisés pour tester les systèmes optiques, mais n'ont qu'une ressemblance passagère avec les microgouttelettes.

L'autre objet standard est constitué de sphères en plastique aux diamètres calibrés, qui produisent des images au microscope très similaires à celles des microgouttelettes. En effet, les scientifiques ont découvert que lorsqu'ils utilisaient les sphères en plastique pour calibrer leurs mesures des limites de l'image, le volume de microgouttelettes dérivé de la microscopie correspondait précisément à celui de la gravimétrie. (Les chercheurs ont découvert que les tranchants des couteaux entraînaient une moins bonne correspondance.) Les scientifiques ont également calibré plusieurs autres aspects du microscope optique, y compris la mise au point et la distorsion, en maintenant les liens avec le SI tout au long.

Grâce à ces améliorations, la microscopie optique a résolu le volume de microgouttelettes à un billionième de litre. Les normes et les étalonnages sont pratiques et peuvent être appliqués à de nombreux types de microscopes optiques utilisés dans la recherche fondamentale et appliquée, ont noté les chercheurs. En fait, moins l'optique du microscope est avancée, plus une mesure de microscopie peut bénéficier de normes et d'étalonnages pour améliorer la précision de l'analyse d'image.

Dans leur expérience principale, les chercheurs ont utilisé une imprimante pour tirer un jet de microgouttelettes de cyclopentanol, un alcool visqueux qui s'évapore lentement. Ils ont contrôlé avec précision le jet pour produire un nombre connu de microgouttelettes. Lorsque le jet de microgouttelettes s'est envolé de l'imprimante dans un récipient à quelques centimètres de distance, elles ont été rétro-éclairées et imagées avec le microscope optique. Les chercheurs ont ensuite pesé le contenant et son accumulation de nombreuses microgouttelettes.

Avec le microscope optique calibré et vérifié en le comparant à la méthode de gravimétrie, l'équipe s'est lancée dans une autre expérience, en remplaçant le cyclopentanol par des microgouttelettes d'eau contenant des nanoparticules de polystyrène, qui sont des normes courantes mais non officielles pour l'analyse des nanoplastiques. Ce système ressemble davantage au type d'échantillon qui intéresse de nombreux scientifiques, par exemple pour étudier la pollution plastique. Les chercheurs ont utilisé l'imprimante pour déposer des rangées de microgouttelettes d'eau individuelles sur une surface une à la fois.

Après avoir atterri à la surface, les microgouttelettes d'eau se sont évaporées, laissant derrière elles les nanoparticules. L'équipe a ensuite compté les nanoparticules, qui ont été marquées avec un colorant fluorescent. De cette manière, l'équipe a enregistré le nombre de particules en suspension dans le volume de chaque microgouttelette, ce qui fournit une mesure de concentration. Cette mesure est à la fois un moyen d'échantillonner le liquide en vrac et d'étudier les propriétés des microgouttelettes contenant un petit nombre de nanoparticules.

En utilisant cette méthode et un système d'éclairage plus rapide que celui utilisé par l'équipe, les scientifiques auraient la capacité de mesurer le volume, le mouvement et le contenu d'un spray ou d'un nuage de microgouttelettes, ont déclaré les chercheurs. De telles mesures pourraient jouer un rôle clé dans les études futures pour des applications épidémiologiques, environnementales et industrielles.