Le NIST améliore la microscopie optique pour des mesures précises du volume de microgouttelettes

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

Mesurer le volume, le mouvement et le contenu de gouttelettes microscopiques est important pour étudier la propagation des virus aéroportés (y compris ceux qui causent la COVID-19), comment les nuages reflètent la lumière du soleil pour refroidir la Terre, comment les imprimantes à jet d'encre créent des motifs finement détaillés, et même comment une bouteille de soda se fragmente en particules de plastique à l'échelle nanométrique qui polluent les océans.

En améliorant l'étalonnage d'un microscope optique conventionnel, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont mesuré pour la première fois le volume de gouttelettes individuelles inférieures à 100 trillièmes de litre avec une incertitude inférieure à 1 %. C'est une amélioration de dix fois par rapport aux 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 cube du diamètre — de microgouttelettes sphériques. Cependant, la précision de la microscopie optique est limitée par de nombreux facteurs, comme la capacité de l'analyse d'image à localiser la frontière 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 mis au point un système dans lequel ils pouvaient mesurer simultanément le volume de microgouttelettes en vol en utilisant la microscopie et une technique indépendante, connue sous le nom de 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, alors la masse totale enregistrée sur une balance peut être utilisée pour calculer le volume moyen d'une gouttelette. Bien que cette information soit précieuse, comme les gouttelettes peuvent varier en taille, l'imagerie de gouttelettes individuelles par microscopie optique permet une mesure plus directe et complète.

Pour améliorer la précision de la localisation des bords des microgouttelettes, les chercheurs ont testé deux objets standards pour imiter une microgouttelette et étalonner les frontières d'image. Pour chaque objet standard, une distance précisément et exactement mesurée entre ses bords permet l'étalonnage des frontières d'image correspondantes.

Le premier objet standard consistait en des bords métalliques tranchants séparés par une distance étalonnée pour représenter le diamètre d'une microgouttelette. De tels « bords de couteau », qui supposent une frontière plate entre le bord d'une microgouttelette et l'espace environnant, sont couramment utilisés pour tester les systèmes optiques mais ne ressemblent que de loin aux microgouttelettes.

L'autre objet standard consiste en des sphères en plastique aux diamètres étalonnés, 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 étalonner leurs mesures de frontières d'image, le volume des microgouttelettes dérivé de la microscopie correspondait précisément à celui de la gravimétrie. (Les chercheurs ont constaté que les bords de couteau donnaient une correspondance moins bonne.) Les scientifiques ont également étalonné 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.

Avec ces améliorations, la microscopie optique a résolu le volume des microgouttelettes à un trillième de litre. Les normes et 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, plus l'optique du microscope est peu avancée, plus une mesure de microscopie peut bénéficier de normes et étalonnages pour améliorer la précision de l'analyse d'image.

Dans leur expérience principale, les chercheurs ont utilisé une imprimante pour projeter un jet de microgouttelettes de cyclopentanol, un alcool visqueux qui s'évapore lentement. Ils ont contrôlé précisément le jet pour produire un nombre connu de microgouttelettes. Alors que le jet de microgouttelettes volait de l'imprimante vers un récipient à quelques centimètres, elles étaient rétroéclairées et imagées avec le microscope optique. Les chercheurs ont ensuite pesé le récipient et son accumulation de nombreuses microgouttelettes.

Avec le microscope optique étalonné et vérifié en le comparant à la méthode gravimétrique, l'équipe s'est lancée dans une autre expérience, remplaçant le cyclopentanol par des microgouttelettes d'eau contenant des nanoparticules de polystyrène, qui sont des standards courants mais non officiels 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 par une.

Après s'être déposées sur la surface, les microgouttelettes d'eau se sont évaporées, laissant derrière elles les nanoparticules. L'équipe a ensuite compté les nanoparticules, qui étaient marquées avec un colorant fluorescent. De cette façon, 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'illumination plus rapide que celui employé par l'équipe, les scientifiques auraient la capacité de mesurer le volume, le mouvement et le contenu d'un spray ou nuage de microgouttelettes, ont déclaré les chercheurs. De telles mesures pourraient jouer un rôle clé dans de futures études pour des applications épidémiologiques, environnementales et industrielles.