Name: Creating Topographical and NanoIR Images of the Multipolymer Sample
Uploaded: 2023-06-23T14:55:00
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creating topographical and nanoir images of the multipolymer sample

Exploration des systèmes polymères multiphasiques par spectroscopie infrarouge à l’échelle nanométrique

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.

Pleins feux sur l’auteur : Progrès de la spectroscopie infrarouge à l’échelle nanométrique pour explorer les systèmes polymères multiphasiques  

Avancées dans la spectroscopie infrarouge à l’échelle nanométrique pour explorer les systèmes polymériques multiphasiques

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.

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Creating Topographical and NanoIR Images of the Multipolymer Sample  

Création d’images topographiques et nanoIR de l’échantillon multipolymère

Pour les mesures NanoIR, positionnez la pointe du microscope à force atomique, ou AFM, sur la caractéristique d’intérêt identifiée à partir de l’image topographique. Sélectionnez l’icône du diapason dans le panneau de commande NanoIR pour déterminer les fréquences de résonance de contact du porte-à-faux. Définissez ensuite un nombre d’onde d’illumination pour exciter la dilatation photothermique dans le matériau.Ensuite, définissez une plage de fréquence d’impulsion laser pour balayer et définir le cycle de service du laser NanoIR. Sélectionnez Acquérir dans la fenêtre de réglage de l’impulsion laser. Positionnez la barre de marquage au sommet pour sélectionner la deuxième résonance de contact du système d’échantillonnage de pointe pour les mesures NanoIR.Cliquez sur le bouton optimisé pour aligner le centre de la région focale du laser IR avec la position de la pointe en porte-à-faux. Acquérir un arrière-plan d’éclairage laser IR. Sélectionnez la plage de numéros d’onde, la taille de pas et le nombre de moyennes pour le spectre NanoIR.Effectuez ensuite une correction de fond des spectres en divisant l’amplitude photothermique par le bruit de fond atténué. Activez le réglage automatique de la boucle à verrouillage de phase, ou PLL, dans la fenêtre de réglage de l’impulsion laser. Ajustez ensuite la fréquence maximale et minimale pour créer une plage de balayage centrée sur le deuxième mode de résonance dans le panneau de commande général.Cliquez sur zéro dans le panneau de configuration PLL, puis cliquez sur OK dans la fenêtre de réglage de l’impulsion laser. Activez l’imagerie IR en cochant la case Imagerie IR activée dans le panneau de configuration NanoIR. Dans le panneau de configuration de la vue d’imagerie, choisissez la hauteur, l’amplitude deux et la phase deux pour acquérir les images topographiques et chimiques de l’échantillon.Définissez ensuite la direction d’acquisition pour tracer ou retracer. Sélectionnez l’icône de numérisation dans le panneau de configuration de numérisation AFM. Sélectionnez ensuite l’icône « Maintenant » ou « Fin du cadre » dans le panneau de configuration de la capture pour enregistrer l’image.Pour exporter les données, cliquez avec le bouton droit de la souris sur les noms des fichiers d’image ou de spectre dans les listes de données. Sélectionnez Exporter, puis choisissez le format de fichier à exporter. Enfin, enregistrez le fichier dans le dossier de l’ordinateur souhaité.Le spectre NanoIR du polystyrène a donné deux bandes IR correspondant au mode d’étirement de la fraction phényle à 1 600 nombre d’onde et un sous-ensemble de l’étirement de l’anneau à 1 730 nombre d’onde. Le spectre NanoIR de PVA a montré un meilleur accord avec le spectre FDIR, avec la bande d’absorption prédominante centrée à 1 730 nombre d’onde. Les spectres NanoIR ont été utilisés pour sélectionner les nombres d’ondes d’illumination pour l’imagerie chimique de la bille de polystyrène déposée à la surface du PVA et de la bille de polystyrène recouverte de PVA.Ensuite, les spectres ont été collectés au-dessus d’une bille de polystyrène recouverte de PVA à différentes puissances laser. Le signal de polystyrène à 1 600 nombre d’onde était significativement inférieur à celui de PVA à 1 750 nombre d’onde. Cependant, il a été noté que l’augmentation de la puissance du laser entraînait un rapport plus élevé.

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Creating Topographical and NanoIR Images of the Multipolymer Sample

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