이 연구는 미국 국립과학재단(National Science Foundation, NSF CHE-1847830)의 지원을 받았습니다.

1. 폴리비닐알코올(PVA) 용액 만들기
<ol><li>물과 PVA 폴리머 펠릿( 재료 표 참조)을 측정하여 중량 기준 20% PVA 대 물 비율로 10mL 용액을 만듭니다.</li>
	<li>100°C로 설정된 열판 위에서 유리 제품의 물을 가열합니다.</li>
	<li>PVA 폴리머 펠릿을 가열된 물에 넣습니다. 자석 교반 막대를 삽입합니다.</li>
	<li>열을 80°C로 줄이고 PVA가 완전히 녹을 때까지 저어줍니다.</li>
	<li>오염을 방지하기 위해 유리 제품의 상단을 덮으십시오.</li>
	<li>완전히 용해되면 20% PVA 용액을 실온에서 보관할 수 있도록 적절한 보관 용기에 넣습니다.</li>
</ol>2. PVA 코팅 실리콘(Si) 웨이퍼 준비
<ol><li>실리콘(Si) 웨이퍼( 재료 표 참조)를 ~10 x 10mm2 개의 정사각형으로 자릅니다.</li>
	<li>이소프로필 알코올을 사용하여 Si 기판을 청소하고 건조시킵니다.</li>
	<li>깨끗한 Si 웨이퍼를 스핀 코터의 척에 놓습니다( 재료 표 참조).<ol><li>약 10μL의 PVA 용액을 Si 기판의 중앙에 떨어뜨립니다. 기포 형성을 피하십시오.</li>
		<li>분당 1,500회전(rpm)에서 30초 동안 스핀 코팅하여 Si 기판을 균일한 PVA 필름으로 코팅합니다. 알림: 지정된 부피의 액체 및 스핀 코팅 매개변수는 스핀 코팅과 다음 단계에서 PS 비드를 PVA 표면에 배치하는 사이의 빠른 건조를 방지하기 위해 충분한 두께로 기판 표면에 균일한 PVA 층을 생성합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>PS 비드를 옮기기 전에 오염을 방지하기 위해 스핀 코터에서 샘플을 제거하고 깨끗한 샘플 용기에 넣습니다.</li>
</ol>3. PVA 코팅된 표면에 PS 비드 놓기
<ol><li>이소프로필 알코올을 사용하여 Si 기판을 세척하고 건조시킵니다.</li>
	<li>피펫을 사용하여 물에 현탁된 PS 비드 1μL를 기판 중앙에 놓습니다.</li>
	<li>샘플을 벤토나이트 점토 건조제가 들어 있는 보관함에 넣어 물을 증발시킵니다. 알림: 이 단계는 s를 보존합니다.amp습도에 대한 노출을 줄임으로써.</li>
	<li>PVA 코팅 기판(2.4단계)과 건조된 PS 비드가 있는 기판(3.3단계)을 광학 현미경 아래에 놓습니다. 크기에 따라 단일 비드는 간단한 쌍안경을 사용하여 볼 수 있거나 더 높은 광학 배율이 필요합니다.</li>
	<li>초미세 핀셋을 사용하여 비드를 부드럽게 풉니다( 재료 표 참조). 가는 헤어 브러시를 사용하여 느슨한 구슬 몇 개를 모으고 갓 PVA 코팅된 웨이퍼 위에 페인트 브러시의 머리카락을 가볍게 두드립니다. 여러 번 쓸면 구슬이 브러시의 털 안에 축적될 수 있습니다. 붓 털의 윗부분을 두드려 PS 비드 가루를 방해하면 끈적끈적한 PVA 표면에 비즈가 방출됩니다. 알림: PVA 필름 표면에 섬유와 오염 물질이 방출되지 않도록 페인트 브러시의 품질이 높고 깨끗해야 합니다. PVA가 완전히 건조되지 않도록 이 단계에서 빠르게 움직이는 것이 중요합니다.</li>
	<li>광학 현미경 검사로 개별 PS 비드가 PVA 표면에 부착되는 것이 확인될 때까지 이 단계를 반복합니다.</li>
	<li>샘플을 깨끗한 용기에 보관하십시오. s를 허용amp완전히 말리십시오. 알림: 추가 분석을 시도하기 전에 샘플을 완전히 식히고 건조시켜야 합니다. AFM 높이 측정 또는 표면 프로파일러 측정은 연속적인 PVA 필름의 두께를 평가할 수 있습니다.</li>
</ol>4. AFM 특성화를 위한 샘플 로딩
알림: 설명된 프로토콜은 nanoIR2( 재료 표 참조) 플랫폼의 표준 작동 절차를 기반으로 하지만 측정에 사용되는 AFM 모델에 따라 조정해야 합니다.
<ol><li>금속 AFM 디스크와 접착 탭을 사용하여 PVA 및 PS 비드 샘플을 AFM 스테이지에 장착하여 샘플이 샘플 홀더에 단단히 부착되도록 합니다.</li>
	<li>nanoIR 프로브(예: FORTGG)를 AFM 프로브 홀더에 장착합니다. 참고: AFM 캔틸레버는 길이 225μm, 너비 27μm, 두께 2.7μm이며 팁 반경은 10nm 미만입니다. 캔틸레버는 양면에 45nm 두께의 금 필름으로 코팅되어 샘플의 상단 IR 조명에 대한 반응을 제한합니다( 재료 표 참조). 나노IR 분광법 측정의 경우, 사용하기 전에 폴리디메틸실록산이 없는 환경에 보관된 캔틸레버를 사용하는 것이 좋습니다.</li>
	<li>레이저 정렬 손잡이를 돌려 캔틸레버 빔의 자유 끝에 판독 레이저를 정렬합니다(레이저 위치의 x 및 y 조정 및 감지기 위치의 수직 조정).<ol><li>검출기의 SUM 신호를 최대화합니다.</li>
		<li>~0V의 수직 편향 신호에 해당하는 레이저가 AFM 판독 시스템의 위치 감지 감지기 중앙과 정렬되도록 편향 손잡이를 돌려 감지기의 위치를 조정합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>AFM "프로브" 제어판에서 로드 아이콘을 클릭합니다.<ol><li>마법사 화면의 지시를 따릅니다. 초점 화살표를 사용하여 nanoIR 캔틸레버의 초점면을 결정합니다. XY 변위 컨트롤을 사용하여 캔틸레버를 화면 중앙(흰색 십자 표시로 정렬)에 배치합니다.</li>
		<li>그런 다음 초점 화살표를 클릭하여 샘플 표면의 초점면을 찾습니다.</li>
		<li>시스템의 광학 뷰와 XY 변위 컨트롤을 사용하여 캔틸레버 팁을 관심 비드 위에 배치하고 Next(다음)를 클릭합니다.</li>
		<li>참여 화면에서 "스탠드오프"를 50μm 로 설정하고 Approach Only를 클릭합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>Engage 절차를 시작하여 이미징을 위한 팁에 접근합니다.</li>
</ol>5. 다중합체 시료의 지형 및 나노IR 이미지 생성
<ol><li>표준 "접촉 모드"에서 지형 이미지를 획득합니다. PS 비드에 대한 캔틸레버의 위치가 설정되면 AFM "프로브" 제어판에서 맞물림 아이콘을 클릭하여 접근을 시작합니다. 0.2V의 편향 차이의 맞물림 설정점은 ~100nN의 힘에 해당하는 전체 연구에 사용됩니다. AFM "스캔" 제어판에서 스캔 속도를 0.8Hz로 설정하고, 스캔 크기 (높이 및 너비)를 설정하고, 이미징에 사용할 라인당 포인트 수 및 이미지당 라인 수를 설정합니다(여기서는 512 x 512가 사용됨). 스캔을 클릭하여 지형 이미지를 획득합니다. 참고: 캔틸레버(18)의 교정은 캔틸레버가 사파이어 기판과 상호 작용하여 얻은 편향-거리 곡선의 기울기로부터 편향 감도(nm/V 단위)를 결정함으로써 수행된다(보충 그림 1A). 캔틸레버 강성은 열 튜닝19(보충 그림 1B)에 의해 결정된다. 캔틸레버의 공명은 로렌츠 함수를 사용하여 장착됩니다. 캔틸레버 강성(N/m 단위)은 등분할 정리<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/65357/65357eq01.jpg" style="margin: auto;">를 사용하여 결정되며, 여기서 KB는 볼츠만 상수, T는 온도(T = 295K), P는 열 튜닝 데이터20의 로렌츠 피팅을 적분하여 결정된 캔틸레버의 열 변동 파워 스펙트럼 면적입니다.</li>
	<li>nanoIR 측정의 경우 AFM 팁을 지형 이미지에서 식별된 관심 형상에 놓습니다.<ol><li>nanoIR 제어판에서 소리굽쇠 아이콘을 선택하여 캔틸레버의 접촉 공진 주파수를 결정합니다. 재료의 광열 팽창을 자극하는 조명 파수를 설정합니다. 스윕할 레이저 펄스 주파수의 범위를 설정하고 nanoIR 레이저의 듀티 사이클을 설정합니다. "Laser Pulse Tune Window"에서 Acquire 를 선택합니다.</li>
		<li>두 번째 접촉 공진의 피크에 마커 막대(녹색 수직선)를 배치하여 nanoIR 측정을 위한 팁-샘플 시스템의 두 번째 접촉 공진을 선택합니다. 알림: 접촉 공진 모드의 선택은 캔틸레버 및 샘플의 유형에 따라 달라질 수 있습니다.</li>
		<li>최적화를 클릭하여 IR 레이저 초점 영역의 중심을 캔틸레버 팁의 위치에 맞춥니다. 정렬은 프로브된 물질의 흡수 대역에 해당하는 선택된 IR 조명 파수에서 수행됩니다. 캔틸레버는 레이저 풋프린트의 중앙에 위치합니다(보충 그림 2). 알림: 정렬은 레이저 모델에 따라 다른 파수에 따라 달라질 수 있습니다.</li>
		<li>IR 레이저 조명의 배경을 획득합니다. 이는 선택한 펄스 주파수에서 방출 파장 범위에서 IR 양자 캐스케이드 레이저(QCL)의 출력을 측정하는 것으로 구성됩니다(보충 그림 3). 이는 나노IR 스펙트럼의 배경 보정에 중요합니다.</li>
		<li>파수 범위(여기서 Start 및 Stop은 각각 1,530cm-1 및 1,800cm-1로 설정됨), 스텝 크기(2cm-1) 및 측정에 사용되는 평균 수를 선택하여 nanoIR 스펙트럼을 획득합니다. 측정된 광열 진폭을 감쇠된 배경으로 나누어 표시된 스펙트럼의 배경 보정을 수행하며, 이는 5.2.4단계에서 수집된 배경에 측정을 위해 선택한 전력의 백분율을 곱하는 것으로 구성됩니다.</li>
	</ol></li>
	<li>nanoIR 이미징의 경우 이미징을 위해 관심 영역을 선택합니다.<ol><li>"Laser Pulse Tune Window"(소리굽쇠 아이콘으로 액세스)에서 위상 고정 루프(PLL) 자동 조정을 활성화합니다.</li>
		<li>최소 및 최대 주파수를 조정하여 일반 제어판의 두 번째 공진 모드를 중심으로 스윕 범위를 생성합니다.</li>
		<li>PLL 제어판에서 0 을 클릭하여 위상을 0으로 설정한 다음 "Laser Pulse Tune 창"에서 확인을 클릭합니다.</li>
		<li>nanoIR 제어판 내의 상자에 확인 표시를 하여 IR 이미징 활성화 를 선택합니다.</li>
		<li>"Imaging View" 제어판에서 Height (Imaging View 1), Amplitude 2 (Imaging View 2) 및 Phase 2 (Imaging View 3)를 선택하여 샘플의 지형 및 화학 이미지를 획득합니다. 획득 방향을 Trace(또는 Retrace)로 설정합니다. 라인 핏 라인은 종종 획득되는 샘플의 지형 이미지를 관찰하는 데 필요합니다. 캡처 맞춤은 없음으로 설정해야 합니다. 참고: 캡처된 스캔 방향 또는 사용된 색상 팔레트와 같은 스캔 기본 설정은 필요에 따라 조정할 수 있습니다.</li>
		<li>AFM "스캔" 제어판에서 스캔 아이콘을 선택합니다.</li>
		<li>이미지를 저장하려면 "캡처" 제어판에서 지금 또는 프레임 끝 아이콘을 선택합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>데이터를 내보내려면 데이터 목록에서 이미지 또는 스펙트럼 파일 이름을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하십시오. 내보내기 를 선택하고 내보낼 파일의 형식을 선택합니다. 원하는 컴퓨터 폴더 위치에 파일을 저장합니다.</li>
</ol>

Exploring Multiphase Polymeric Systems by Nanoscale Infrared Spectroscopy(나노스케일 적외선 분광법으로 다상 고분자 시스템 탐구)

<ol>
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나노IR 분광법과 결합된 AFM은 접촉 모드의 캔틸레버와 펄스 조정 가능한 IR 광원을 사용하여 나노 단위의 화학 정보를 제공할 수 있습니다. 고분자 재료의 부피에 유한 치수의 흡수체를 내장하는 것과 같은 모델 시스템은 이미지 형성 메커니즘에 대한 이해를 높이고 도구의 성능을 결정하는 데 중요합니다. 여기에 제시된 PS/PVA 구성의 경우, PVA 필름의 표면 위 또는 아래에 위치하는 안정적인 PS 비?...

원자력 현미경(AFM)은 나노 단위 분해능 1,2,3으로 다양한 샘플의 형태를 이미지화하고 특성화하는 데 필수적입니다. 날카로운 팁과 시료 표면의 상호 작용으로 인한 AFM 캔틸레버의 편향을 측정함으로써 국부 강성 측정 및 팁-샘플 접착을 위한 나노 스케일 기능적 이미징 프로토콜이 개발되었습니다 4,5. 연질 응집 물질 및 고분자 분석의 경우, 국소 영역의 나노 역학 및 나노 화학적 특성을 탐구하는 AFM 측정이 6,7,8 이후에 많이 요구됩니다. 나노스케일 적외선(nanoIR) 분광법이 등장하기 전에 AFM 팁은 AFM 힘 곡선에서 다른 영역의 존재를 평가하고 팁-샘플 상호 작용의 특성을 공제하기 위해 화학적으로 수정되었습니다. 예를 들어, 이 접근법은 50nm 레벨9 미만에서 사이클로헥산 처리된 폴리스티렌-블록-폴리(tert-부틸 아크릴레이트) 블록 공중합체 박막의 표면에서 폴리(tert-부틸 아크릴레이트)의 미세도메인 변형을 밝히는 데 사용되었습니다.
적외선(IR)과 AFM의 결합은 고분자 과학 분야에 상당한 영향을 미쳤습니다6. 종래의 IR 분광법은 고분자 물질(10,11)의 화학 구조를 연구하기 위해 널리 사용되는 기술이지만, 영역이 샘플을 조사하는 데 사용되는 IR 빔의 크기에 비해 너무 작기 때문에 개별 상 및 계면 거동에 대한 정보를 제공하지 못합니다. IR 미세분광법은 광학 회절 한계6에 의해 제한되기 때문에 문제가 됩니다. 이러한 측정은 IR 빛에 의해 여기되는 전체 영역의 기여도를 평균화합니다. 프로브 영역 내부에 나노 스케일 위상이 존재하여 발생하는 신호는 후처리 중에 디콘볼루션해야 하는 복잡한 지문을 나타내거나 감지 가능한 수준 이하의 신호 레벨로 인해 손실됩니다. 따라서 복잡한 매질에서 나노 단위의 화학적 특징을 탐구하기 위해 나노 단위의 공간 분해능과 높은 IR 감도를 제공할 수 있는 도구를 개발하는 것이 필수적입니다.
나노IR 분광법을 달성하기 위한 계획은, 먼저 금속 AFM 팁을 나노 안테나(12,13)로 사용하고, 보다 최근에는 시료(12,14,15)의 IR 조명 중에 발생하는 광열 팽창의 변화를 모니터링하는 AFM 캔틸레버의 능력을 이용하여 개발되었다. 후자는 프로브된 물질의 흡수 대역에 맞게 조정된 펄스가 있는 조정 가능한 IR 광원을 사용하여 샘플이 방사선을 흡수하고 광열 팽창을 겪도록 합니다. 이 접근 방식은 유기 및 고분자 재료에 매우 적합합니다. 펄스 여기(excitation)는 시료 표면과 접촉하는 AFM 캔틸레버가 진동의 형태로 효과를 감지할 수 있도록 합니다. 주파수 스펙트럼에서 관찰된 시스템의 접촉 공진 중 하나의 진폭은 AFM 팁(15) 아래의 물질의 나노IR 흡수 스펙트럼을 구성하는 조명 파장의 함수로서 모니터링된다. 나노IR 이미징 및 분광법의 공간 분해능은 물질의 광열 팽창의 다양한 효과에 의해 제한됩니다. 접촉 모드 AFM을 사용하는 광열 나노IR 분광법은 50nm 스케일 미만의 공간 분해능14로 물질의 진동 흡수 스펙트럼 특성을 얻을 수 있으며 최근 작업은 α-synuclein16,17의 단량체 및 이량체의 검출을 입증하는 것으로 평가되었습니다. 그러나 다양한 고분자 필름의 부피에 내장된 유한 치수의 흡수체의 경우와 같이 다양한 구성으로 조립된 이종 고분자 재료에 대한 나노IR 측정 성능에 대한 정량적 연구는 여전히 제한적입니다.
이 기사는 표면 분석 중 나노IR의 광열 팽창 및 공간 분해능의 민감도를 평가하기 위해 알려진 치수의 내장 기능을 가진 고분자 어셈블리를 만드는 것을 목표로 합니다. 이 프로토콜은 실리콘 기판 위에 폴리비닐 알코올(PVA) 폴리머 박막을 준비하고 PVA 필름 위에 또는 내장된 3차원 폴리스티렌(PS) 비드를 배치하여 모델 시스템을 형성하는 방법을 다룹니다. NanoIR 이미징 및 분광학 측정은 PVA 필름 위 또는 아래에 위치한 동일한 PS 비드에 의해 생성된 신호를 평가하는 맥락에서 설명됩니다. nanoIR 신호에 대한 비드 위치의 영향을 평가합니다. nanoIR 맵에서 비드의 공간 발자국을 평가하는 방법에 대해 논의하고 여러 파라미터의 효과를 고려합니다.

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	<tbody>
		<tr>
			<td>10|0 2200 Golden Taklon Round</td>
			<td>Zem</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5357-8NM Tweezers</td>
			<td>Pelco</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Adhesive Tabs</td>
			<td>Ted Pella</td>
			<td>16079</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AFM metal specimen disks</td>
			<td>Ted Pella</td>
			<td>16208</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Binocular</td>
			<td>AmScope</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cantilever for nanoIR measurements</td>
			<td>AppNano</td>
			<td></td>
			<td>FORTGG</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cell culture dishes</td>
			<td>Greiner bio-one GmbH</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Desiccator</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Floating optical table</td>
			<td>Newport</td>
			<td>RS 4000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hotplate</td>
			<td>VWR</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isopropanol&#160;</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kimwipes</td>
			<td>KIMTECH</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnetic stir bar</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microparticles based on polystyrene size: 5 &#181;m</td>
			<td>SIGMA-ALDRICH</td>
			<td>79633</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>nanoIR2 microscope</td>
			<td>Bruker</td>
			<td></td>
			<td>Contact mode NanoIR2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nitrogen Tank</td>
			<td>Airgas</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Petri dishes</td>
			<td>Greiner bio-one GmbH</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyvinyl Alcohol</td>
			<td>SIGMA-ALDRICH</td>
			<td>363170</td>
			<td>this polymer was only 87%-89% hydrolyzed, which explains the presence of residual C=O at 1730 cm-1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Quantum Cascade Laser</td>
			<td>Daylight Solutions</td>
			<td></td>
			<td>1550-1800 cm-1 range</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon wafer</td>
			<td>MEMC St. Peters</td>
			<td>#901319343000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spin coater</td>
			<td>Oscilla</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

advances in nanoscale infrared spectroscopy to explore multiphase polymeric systems

다상 고분자 시스템은 수십 나노미터에서 수 마이크로미터까지 다양한 치수의 국소 영역을 포함합니다. 이들의 조성은 일반적으로 적외선 분광법을 사용하여 평가되며, 이는 프로브된 부피에 포함된 다양한 물질의 평균 지문을 제공합니다. 그러나 이 접근 방식은 재료의 위상 배열에 대한 세부 정보를 제공하지 않습니다. 종종 나노 크기의 두 고분자 상 사이의 계면 영역도 접근하기 어렵습니다. 광열 나노스케일 적외선 분광법은 원자력 현미경(AFM)의 민감한 프로브를 사용하여 적외선에 의해 여기된 물질의 국부적 반응을 모니터링합니다. 이 기술은 깨끗한 금 표면의 개별 단백질과 같은 작은 특징을 조사하는 데 적합하지만 3차원 다성분 물질의 특성 분석은 더 어렵습니다. 이는 AFM 팁에 의해 조사되는 나노 스케일 영역과 비교하여 샘플에 대한 레이저 초점화와 고분자 성분의 열적 특성에 의해 정의되는 광열 팽창을 겪는 상대적으로 많은 양의 물질 때문입니다. 폴리스티렌(PS) 비드와 폴리비닐 알코올(PVA) 필름을 사용하여 PVA 필름에서 PS의 위치에 따른 함수로 표면 분석을 위한 광열 나노스케일 적외선 분광법의 공간 발자국을 평가합니다. 나노 크기의 적외선 이미지에 대한 특징 위치의 영향을 조사하고 스펙트럼을 획득합니다. 광열 나노 규모 적외선 분광법 분야의 미래 발전에 대한 몇 가지 관점이 제공되며, 고분자 구조가 내장된 복잡한 시스템의 특성화를 고려합니다.

Atomic force microscopy (AFM) has become essential to image and characterize the morphology of a wide variety of samples with nanoscale resolution1,2,3. By measuring the deflection of an AFM cantilever resulting from the interaction of the sharp tip with the sample surface, nanoscale functional imaging protocols for local stiffness measurements and tip-sample adhesion have been developed4,5. For soft condensed matter and polymer analysis, AFM measurements exploring the nanomechanical and nanochemical properties of local domains are highly sought after6,7,8. Before the emergence of nanoscale infrared (nanoIR) spectroscopy, AFM tips were chemically modified to assess the presence of different domains from the AFM force curve and deduct the nature of the tip-sample interaction. For instance, this approach was used to unveil the transformation of microdomains of poly(tert-butyl acrylate) at the surface of cyclohexane-treated polystyrene-block-poly(tert-butyl acrylate)block copolymer thin films at the sub 50 nm level9.
The combination of infrared (IR) light with AFM has had a significant impact on the field of polymer science6. Conventional IR spectroscopy is a widely used technique for studying the chemical structure of polymeric materials10,11, but it fails to provide information on individual phases and interphase behavior, as the regions are too small compared to the size of the IR beam used to probe the sample. The problem holds with IR microspectroscopy, as it is restricted by the optical diffraction limit6. Such measurements average the contributions of the entire region excited by the IR light; the signals resulting from the presence of nanoscale phases inside the probed region either exhibit complex fingerprints that should be deconvoluted during post-processing or are lost due to a signal level below the detectable level. Hence, it is essential to develop tools capable of nanoscale spatial resolution and high IR sensitivity to explore nanoscale chemical features in complex media.
Schemes to achieve nanoIR spectroscopy have been developed, first using a metallic AFM tip as a nanoantenna12,13, and more recently exploiting the AFM cantilever&#39;s ability to monitor changes in the photothermal expansion incurred during IR illumination of the sample12,14,15. The latter uses a pulsed, tunable IR light source tuned to an absorption band of the material probed, which causes the sample to absorb radiation and undergo photothermal expansion. This approach is well-suited for organic and polymeric materials. The pulsed excitation makes the effect detectable by the AFM cantilever in contact with the sample surface in the form of an oscillation. The amplitude of one of the contact resonances of the system observed in the frequency spectrum is then monitored as a function of illumination wavelength, which constitutes the nanoIR absorption spectrum of the material beneath the AFM tip15. The spatial resolution of nanoIR imaging and spectroscopy is limited by various effects of the photothermal expansion of the material. It has been evaluated that photothermal nanoIR spectroscopy using contact mode AFM can acquire the vibrational absorption spectra properties of materials with sub 50 nm scale spatial resolution14, with recent work demonstrating the detection of monomers and dimers of &#945;-synuclein16,17. However, quantitative studies of the performance of nanoIR measurements on heterogeneous polymeric materials assembled in various configurations, such as the case of absorbers of finite dimensions embedded in the volume of various polymeric films, remain limited.
This article aims to create a polymeric assembly with an embedded feature of a known dimension to evaluate the sensitivity of photothermal expansion and spatial resolution of nanoIR during surface analysis. The protocol covers the preparation of a polyvinyl alcohol (PVA) polymer thin film on a silicon substrate and the placement of a three-dimensional polystyrene (PS) bead onto or embedded in the PVA film, which constitutes the formation of the model system. NanoIR imaging and spectroscopy measurements are described in the context of evaluating the signals generated by the same PS bead positioned on or beneath the PVA film. The influence of the bead position on the nanoIR signals is evaluated. Methods to assess the spatial footprint of the bead in the nanoIR map are discussed, and the effects of several parameters are considered.

저자 스포트라이트: 다상 고분자 시스템을 탐구하기 위한 나노스케일 적외선 분광법의 발전  

다상 고분자 시스템을 탐구하기 위한 나노스케일 적외선 분광법의 발전

Our group focuses on advancing the field of nanoscale functional imaging and spectroscopy to study complex systems with an emphasis on nanoscale infrared spectroscopy. Our research aims to develop methods that allows us to make sense of the behavior of heterogeneous systems by studying their nanoscale properties. Understanding the role of actuations at different frequencies to extract information about the sample is essential.As this is complicated, developing samples that can be modeled with physics simulation packages is also important. A nanoscale infrared spectroscopy determining the penetration depth of the measurement and understanding how subsurface features affect the signal detected by the AFM tip is very important. This protocol proposes a simple approach to create a model system that enables quantifying the penetration depth of nanoscale infrared spectroscopy, and the effect of JUUL heating on the sample response involved in the measurement of multi-phase polymer materials.Our team will continue to focus on developing new ideas to improve nanoscale infrared spectroscopy and other nanoscale functional tools to explore real-life systems at a small scale.

PS((C8H8)n) 비드를 깨끗한 Si 기질(그림 1A) 및 PVA((CH2CHOH)n)(그림 1B,C) 상에 증착하였다. Si에 대한 비드의 접착력이 좋지 않기 때문에 이 샘플에 대해 접촉 모드에서 nanoIR 이미징을 얻을 수 없었습니다. 대신, nanoIR에서 샘플의 광학 보기를 사용하여 금 코팅된 AFM 프로브를 약 100nN의 추정 힘으로 접촉 모드...

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이 프로토콜은 3차원 다중 고분자 시료의 특성 분석에서 광열 나노스케일 적외선 분광법의 성능을 평가하기 위한 원자력 현미경 및 나노스케일 적외선 분광법의 적용에 대해 설명합니다.

Multiphase polymeric systems encompass local domains with dimensions that can vary from a few tens of nanometers to several micrometers. Their composition ...

우리 그룹은 나노 크기의 적외선 분광법에 중점을 둔 복잡한 시스템을 연구하기 위해 나노 크기의 기능 이미징 및 분광학 분야를 발전시키는 데 중점을 둡니다. 우리의 연구는 나노 단위의 특성을 연구하여 이종 시스템의 거동을 이해할 수 있는 방법을 개발하는 것을 목표로 합니다. 시료에 대한 정보를 추출하기 위해 다양한 주파수에서 작동의 역할을 이해하는 것이 중요합니다.이는 복잡하기 때문에 물리 시뮬레이션 패키지로 모델링할 수 있는 샘플을 개발하는 것도 중요합니다. 나노 단위의 적외선 분광법은 측정의 침투 깊이를 결정하고 지하 특징이 AFM 팁에 의해 감지된 신호에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 것이 매우 중요합니다. 이 프로토콜은 나노 스케일 적외선 분광법의 침투 깊이와 다상 고분자 물질 측정과 관련된 샘플 응답에 대한 JUUL 가열의 영향을 정량화할 수 있는 모델 시스템을 만들기 위한 간단한 접근 방식을 제안합니다.우리 팀은 나노 규모의 적외선 분광법 및 기타 나노 규모의 기능 도구를 개선하여 실제 시스템을 소규모로 탐색하기 위한 새로운 아이디어를 개발하는 데 계속 집중할 것입니다.

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Research

JoVE Journal

Engineering

Advances in Nanoscale Infrared Spectroscopy to Explore Multiphase Polymeric Systems

589 조회수.  University of Central Florida. 우리 그룹은 나노 크기의 적외선 분광법에 중점을 둔 복잡한 시스템을 연구하기 위해 나노 크기의 기능 이미징 및 분광학 분야를 발전시키는 데 중점을 둡니다. 우리의 연구는 나노 단위의 특성을 연구하여 이종 시스템의 거동을 이해할 수 있는 방법을 개발하는 것을 목표로 합니다. 시료에 대한 정보를 추출하기 위해 다양한 주파수에서 작동의 역할을 이해하는 것이 중요합...