Visualisation de la structure de la solution aux interfaces solide-liquide à l’aide de la cartographie tridimensionnelle des forces rapides

Ici, nous présentons un protocole d’utilisation de la cartographie tridimensionnelle de la force rapide - une technique de microscopie à force atomique - pour visualiser la structure de la solution aux interfaces solide-liquide avec une résolution subnanométrique en cartographiant les interactions pointe-échantillon dans la région interfaciale.

Parmi les défis pour une variété de domaines de recherche figurent la visualisation des interfaces solide-liquide et la compréhension de la façon dont elles sont affectées par les conditions de solution telles que les concentrations d’ions, le pH, les ligands et les additifs à l’état de traces, ainsi que la cristallographie et la chimie sous-jacentes. Dans ce contexte, la cartographie tridimensionnelle des forces rapides (FFM 3D) est apparue comme un outil prometteur pour étudier la structure des solutions aux interfaces. Cette capacité est basée sur la microscopie à force atomique (AFM) et permet la visualisation directe des régions interfaciales en trois dimensions spatiales avec une résolution inférieure au nanomètre. Nous fournissons ici une description détaillée du protocole expérimental d’acquisition de données FFM 3D. Les principales considérations pour l’optimisation des paramètres de fonctionnement en fonction de l’échantillon et de l’application sont abordées. De plus, les méthodes de base pour le traitement et l’analyse des données sont abordées, y compris la transformation des observables de l’instrument mesurés en cartes de force pointe-échantillon qui peuvent être liées à la structure de la solution locale. Enfin, nous mettons en lumière certaines des questions en suspens liées à l’interprétation des données FFM 3D et comment cette technique peut devenir un outil central dans le répertoire de la science des surfaces.

De nombreux phénomènes intéressants se produisent à quelques nanomètres d’une interface solide-liquide où les théories classiques des interactions colloïdales s’effondrent¹. Les molécules de solvant et les ions s’organisent en motifs inattendus² et en divers processus, tels que la catalyse³, l’adsorption d’ions ^4,5, le transfert d’électrons ^6,7, l’assemblage biomoléculaire⁸, l’agrégation de particules 9, l’attachement ^10,11 et l’assemblage^12,13, peut survenir. Cependant, peu de techniques peuvent caractériser la structure de la solution à l’interface, en particulier avec une résolution 3D sub-nanométrique. Dans ce contexte, la cartographie tridimensionnelle des forces rapides (3D FFM) - une technique basée sur la microscopie à force atomique (AFM) - est apparue comme un outil utile pour déterminer la structure de la solution interfaciale^14,15 et comprendre son impact sur de tels phénomènes.

En général, les techniques AFM utilisent un cantilever avec une pointe de taille nanométrique pour caractériser les surfaces à l’aide de deux classes principales de mesures : l’imagerie topographique qui mesure la hauteur d’un substrat à chaque pixel xy ou les mesures de force qui quantifient les propriétés mécaniques, les interactions colloïdales^16,17 ou les forces d’adhérence entre une pointe fonctionnalisée et le substrat. Aujourd’hui, les capacités de cet instrument polyvalent s’étendent bien au-delà de ces applications traditionnelles. Les utilisateurs expérimentés utilisant des instruments modernes peuvent mesurer les propriétés électriques, magnétiques et chimiques de surface en couplant la microscopie de force à la spectroscopie et à d’autres méthodes¹⁸. Les avancées les plus fascinantes ont peut-être été la capacité d’imager les matériaux et les processus dans leurs solutions natives, avec une résolution spatiale à l’échelle nanométrique, en temps réel 19,20,21. Cette dernière capacité a facilité le développement de la FFM 3D, qui étend les mesures AFM à la troisième dimension spatiale en combinant les courbes de force 1D avec l’imagerie topographique¹⁴. Plus précisément, la pointe acquiert des courbes de force consécutives à chaque coordonnée xy pour produire une carte 3D des forces détectées par la pointe à l’interface solide-liquide. La nouveauté ici est qu’une pointe suffisamment rapide et sensible peut détecter des gradients de force mineurs correspondant à la distribution locale des molécules pour cartographier la structure de la solution interfaciale.

À ce jour, la 3D FFM n’a été développée que par quelques groupes de recherche, ce qui, à notre avis, n’est pas dû à ses limites techniques, mais plutôt à la nécessité de personnaliser les instruments en interne pour effectuer ces mesures. Cependant, la FFM 3D a été récemment commercialisée et est maintenant accessible aux chercheurs de toutes les disciplines concernées. D’un point de vue scientifique, cette technique a un attrait large et multidisciplinaire. Par exemple, les premières expériences FFM 3D ont été réalisées sur des systèmes de solutions minérales 15,22,23,24, où des questions importantes comprenaient la compréhension des mécanismes de croissance et de dissolution des cristaux, l’adsorption des ions et des molécules, et le rôle des couches d’hydratation dans l’agrégation et la fixation des particules. Des expériences réussies ont permis d’identifier des atomes de calcium et de magnésium dans un réseau cristallin de dolomite²⁵, de visualiser la structure de la solution autour des défauts ponctuels de calcite²⁶ et d’imager l’adsorption ionique aux surfaces du mica^27,28 et de la fluorite^24,29.

Au-delà de la visualisation des interfaces minéral-solution, la FFM 3D peut fournir des informations sur des questions fondamentales en physique des surfaces et colloïdale, telles que la mise à l’échelle des interactions colloïdales à courte portée, la structure des doubles couches électriques au niveau moléculaire, et la nature et les origines des forces de solvatation. Ces mesures ont des implications importantes pour l’électrochimie et la recherche sur les batteries, car la FFM 3D peut cartographier les interfaces électrode-électrolyte et sonder leur réponse aux champs électriques³. D’autres applications en science des matériaux incluent la compréhension des phénomènes qui se produisent à la surface des membranes de séparation, des catalyseurs hétérogènes et des revêtements polymères. Au fur et à mesure que cette capacité se développe, nous prévoyons qu’elle jouera également un rôle important dans l’imagerie des biomolécules et la délimitation du rôle des interactions, des ions et des molécules de solvant dans leur auto-assemblage.

L’un des aspects clés de l’avancement de l’interprétation des données dans la FFM 3D est l’analyse comparative avec d’autres outils expérimentaux et de simulation qui ont déjà été utilisés pour étudier les interfaces solide-liquide. Par exemple, des techniques basées sur la réflectivité ou la diffraction des rayons X mesurent des profils de densité électronique qui peuvent être cartographiés en fonction de la distribution des ions et des molécules de solvant en fonction de la hauteur à partir de l’interface 30,31,32,33. Cette approche a été couronnée de succès pour toute une gamme de systèmes de solution minérale, mais reste limitée à de grandes surfaces atomiquement lisses et est souvent incapable de produire des données résolues latéralement. D’autres techniques, telles que la spectroscopie de génération de fréquence de somme, fournissent des preuves d’aspects particuliers de la structuration des solvants à la surface des minéraux, tels que l’orientation des molécules de solvant à la surface, mais pas la visualisation directe de la structure^34,35. De plus, les simulations de dynamique moléculaire ont considérablement progressé et peuvent désormais sonder régulièrement les profils de distribution des solvants à la surface des cristaux 4,36,37,38,39. Bien que chacune de ces techniques ait ses propres défis et limites, elles forment une suite complémentaire d’outils pour étudier la structure des solutions interfaciales ; 3D FFM est sur le point de contribuer de manière significative à cet égard et d’élargir la gamme de systèmes solide-liquide pouvant être étudiés, ainsi que les questions de recherche auxquelles il est possible de répondre.

Une condition préalable à la mise en œuvre de la FFM 3D sur un échantillon particulier est la capacité d’obtenir des images topographiques avec la résolution spatiale souhaitée. Pour un protocole expérimental détaillé sur l’imagerie AFM à haute résolution, le lecteur est invité à se reporter à un manuscrit récent de Miller et ^al.20. Pour un fonctionnement optimal de la FFM 3D, il est fortement conseillé de maîtriser au préalable la technique d’imagerie haute résolution qui y est décrite. La plupart des recommandations de ce protocole sont applicables et nécessaires pour la FFM 3D. Dans le protocole suivant, nous soulignons brièvement les principales étapes de l’imagerie haute résolution, mais nous nous concentrons sur des considérations spécifiques pour la FFM 3D.

1. Chargement et étalonnage de la pointe AFM

1. Nettoyez l’embout en porte-à-faux en l’immergeant dans de l’eau et des solvants d’isopropanol pendant plusieurs minutes consécutives pour éliminer les contaminants et les adsorbats organiques. D’autres méthodes courantes de nettoyage comprennent le traitement de surface au plasma d’argon ou à l’ozone ultraviolet.
   REMARQUE : Soyez cohérent dans la préparation de l’échantillon et du porte-à-faux lorsque vous comparez différents ensembles de données. Des modifications dans le processus de nettoyage peuvent affecter les propriétés de la pointe telles que la chimie de surface, l’hydrophilie ou même la forme, et donc influencer les forces mesurées⁴⁰.
2. Nettoyez également le support en porte-à-faux avec de l’eau et des solvants isopropanol.
3. Chargez le cantilever dans le support à l’aide de la pince ou de la vis du support, comme c’est le cas pour l’instrument AFM utilisé. Connectez le support en porte-à-faux à l’AFM.
4. Alignez le point laser sur la pointe pour maximiser le signal de réponse à l’aide du logiciel AFM, puis mettez à zéro le signal de déviation.
5. Mesurez la constante du ressort en porte-à-faux dans l’air. Cette étape est automatisée sur la plupart des microscopes modernes en enregistrant les fluctuations thermiques du cantilever et en ajustant le premier pic de résonance à un modèle d’oscillateur harmonique simple effectué selon le protocole du fabricant.
   REMARQUE : La mesure de la constante de ressort est souvent négligée dans certaines applications AFM, mais elle est cruciale pour l’interprétation correcte des données FFM 3D, en particulier pour convertir les données des observables de l’instrument en forces mesurées, comme décrit dans une section ultérieure.

2. Chargement du substrat et de la solution

1. Débranchez et retirez le support en porte-à-faux de la platine AFM et ajoutez ~60 μL de la solution d’imagerie sur l’embout en porte-à-faux. Assurez-vous que l’embout est complètement immergé dans la solution. Prenez soin d’éviter de créer des bulles d’air pendant ce processus.
   REMARQUE : La solution d’imagerie peut être tout ce qui est lié à l’investigation scientifique. Comme solution d’essai, utilisez [KCl] = 10 mM ou même de l’eau pure.
2. Cliver l’échantillon (par exemple, le mica) immédiatement avant les mesures pour obtenir une surface lisse et propre. Rincez l’échantillon avec la solution d’imagerie, puis ajoutez ~100 μL de la même solution d’imagerie sur la surface de l’échantillon.
   1. Placez le substrat nettoyé sur la platine de l’échantillon. La taille du substrat varie en fonction de l’expérience ; Il peut s’agir d’une plaquette de 1 x 1 cm^ou d’une nanoparticules déposées sur une surface.
      REMARQUE : Comme pour toute autre mesure AFM, avoir une surface propre est très important pour obtenir des données 3D fiables, car l’interface est particulièrement sensible à la contamination par des matières organiques et d’autres résidus²⁷.
3. Retournez et fixez le support en porte-à-faux dans sa position sur la scène. Abaissez soigneusement la position en porte-à-faux jusqu’à ce que la solution gouttelette sur l’extrémité et que l’échantillon entre en contact. L’étage d’échantillonnage est soit contrôlé par le logiciel de l’instrument, soit par un bouton physique situé sur le corps de l’instrument.
4. Laissez la surface de l’échantillon s’équilibrer chimiquement et échanger des ions avec la solution d’imagerie pendant environ 10 min.
   1. En option, retirez l’embout en porte-à-faux, remplacez la solution d’imagerie par une aliquote fraîche, remettez le support en porte-à-faux et approchez-vous de l’échantillon jusqu’à ce que l’embout soit à nouveau immergé dans la solution.

3. Réglage des paramètres de l’instrument pour les mesures AFM à modulation d’amplitude

1. Obtenez un autre graphique thermique pendant que la pointe est immergée dans la solution. À ce stade, assurez-vous que la constante du ressort est fixée à la valeur calculée à l’étape 1.5, tandis qu’un paramètre d’instrument (par exemple, le paramètre AmpInVOS) est utilisé pour ajuster le pic thermique. Encore une fois, cette étape est automatisée sur la plupart des microscopes modernes en quelques clics sous la section du graphique thermique dans le logiciel de l’instrument.
   REMARQUE : Ce paramètre calibre la conversion du signal électronique détecté par l’instrument en distance pointe-échantillon en valeurs nanométriques afin que l’expérimentateur puisse obtenir des données fiables de la position et de la déviation de la pointe.
2. Réglez la pointe en porte-à-faux en réglant la fréquence d’entraînement (ν_exc) à la fréquence de résonance (ν_e), puis en centrant le déphasage à 90° près de la fréquence de résonance. Il s’agit de paramètres de l’instrument que les utilisateurs peuvent contrôler à l’aide du protocole du fabricant lors de l’utilisation de l’instrument en mode modulé en amplitude.
   REMARQUE : Certains instruments AFM utilisent l’excitation photothermique, pour laquelle la fréquence de résonance est la même valeur obtenue à l’étape 3.1. Cette méthode d’excitation de la pointe est très avantageuse pour la cartographie 3D des forces car elle permet des conditions d’imagerie stables, même à de très faibles amplitudes d’entraînement.
3. Localisez la hauteur approximative de la surface de l’échantillon et approchez-vous avec précaution de la pointe jusqu’à ce qu’elle s’engage avec la surface. Pour ce faire, modifiez l’amplitude du point de consigne à environ ~70 % de l’amplitude libre à l’aide du paramètre Point de consigne dans le logiciel de l’instrument. Lorsque la pointe s’approche de la surface, l’amplitude diminue jusqu’à ce qu’elle atteigne la valeur de consigne et qu’elle soit donc déterminée comme étant engagée à la surface.
4. Obtenez une courbe de force unique à partir d’une distance de ~200 nm de la surface. En règle générale, cela se fait dans le panneau Force du logiciel de l’instrument. Avant de retirer la pointe, réaccordez et centrez le déphasage à 90° comme à l’étape 3.2. La fréquence de résonance diminuera légèrement en raison des interactions pointe-surface.
   REMARQUE : Cette étape garantit que, lors des mesures FFM 3D ultérieures, le déphasage est d’environ 90 degrés à la position de la pointe rétractée.
5. Modifiez l’amplitude réglée à ~70 % de l’amplitude libre. N’utilisez pas de valeurs de consigne très basses (force appliquée importante) car cela pourrait endommager prématurément la pointe.
6. Acquérir une image topographique. Pour les surfaces lisses telles que le mica, commencez par une image de ~20 x 20 nm² . Pour les surfaces plus rugueuses, commencez par imager de plus grandes zones avant de localiser rapidement une zone atomiquement lisse de 20 x 20 nm² à imager. Examinez attentivement les images acquises. À ce stade, la résolution de l’imagerie 2D doit être au moins équivalente à la résolution souhaitée de la cartographie de la force 3D.
   REMARQUE : Des précautions doivent être prises pour minimiser les dommages subis par la pointe. Par exemple, ne prenez pas plus d’images que nécessaire et utilisez des points de consigne doux, des gains d’image importants et des taux de balayage faibles lorsque vous imagez des zones grandes et rugueuses.
7. À l’aide du logiciel de l’instrument, réduisez l’amplitude du variateur à environ 0,25 nm, et même plus bas si possible. Réduisez le point de consigne en conséquence pour qu’il soit toujours inférieur à l’amplitude du disque et acquérez des images de test. Avec une sélection appropriée de la pointe et des conditions d’imagerie, l’amplitude du disque peut être réduite à ~0,1 nm. Cependant, soyez très prudent lorsque l’imagerie avec une amplitude aussi faible sur une topographie de surface rugueuse pourrait endommager la pointe.
   REMARQUE : pour une meilleure résolution verticale, l’amplitude du disque doit être inférieure aux fonctionnalités de la solution que l’on tente de résoudre. La plus petite amplitude libre que l’on peut atteindre de manière réaliste est limitée par le bruit thermique associé à la configuration en porte-à-faux et instrumentale. On peut évaluer qualitativement le rapport signal/bruit tout en réglant le cantilever en analysant l’amplitude de crête par rapport au bruit de base.
8. Acquérez des courbes de force uniques à partir d’une distance pointe-échantillon de 200 nm. Par la suite, réduisez la distance pointe-échantillon pour les courbes de force à 50 nm, 10 nm et enfin 5 nm.
   REMARQUE : Optimisez les conditions de mesure de manière à ce que l’amplitude en position de pointe rétractée soit aussi faible que possible (< 0,25 nm) ; le déphasage en position de pointe rétractée est de ~90° ; La fréquence d’excitation (ν_exc) est égale ou très proche de la fréquence de résonance (ν_e), ce qui simplifie la conversion des observables de l’instrument en forces mesurées dans les étapes ultérieures ; Et le point de consigne est suffisamment bas pour que le déphasage (et l’amplitude) diminue considérablement (de ~40-50 %) dans les derniers nanomètres de la mesure de force. La force appliquée peut être encore augmentée (point de consigne diminué). Le compromis est que la pointe est endommagée plus rapidement dans ce processus.
9. Assurez-vous de retirer la pointe après l’arrêt de l’acquisition de la courbe de force. Si la pointe reste engagée et proche de la surface, elle peut dériver vers la surface et s’écraser sur celle-ci.
   REMARQUE : La figure 1 représente une courbe de force 1D pour le système muscovite-eau acquis dans une solution [NaCl] = 10 mM, en particulier les réponses de phase (φ), d’amplitude (A) et de déflexion (δ). À ce stade, ces profils devraient montrer des preuves des caractéristiques visées dans les cartes 3D et se manifester sous forme de caractéristiques oscillatoires qui sont principalement évidentes dans la courbe de phase. Notez que la coordonnée de hauteur de ces données brutes est arbitraire. De plus amples détails sur le traitement et l’analyse des données sont fournis dans une section ultérieure.

4. Acquisition de cartes de force 3D

REMARQUE : La recherche des paramètres optimaux pour les mesures FFM 3D dépendra de la surface de l’échantillon, de la pointe en porte-à-faux et de la solution d’imagerie. Des directives générales sont fournies comme point de départ, mais les paramètres appropriés pour chaque échantillon nécessiteront l’obtention et l’analyse d’ensembles de données avec diverses conditions de mesure. Les étapes suivantes montrent comment acquérir les cartes de force 3D pour le système d’eau minérale. Tous les paramètres décrits à l’étape 4.2 sont réglés à l’aide du logiciel de l’instrument.

1. Effectuez toutes les étapes décrites dans les sections 2 et 3.
2. Réglez la distance pointe-échantillon (z) sur 2-5 nm. Cette distance est suffisante pour résoudre les caractéristiques de la solution interfaciale car la pointe est proche de la surface et permet également à la pointe de s’équilibrer avec la solution en vrac lorsqu’elle se rétracte à la position la plus éloignée.4.3.
3. Définissez la zone de balayage sur 3 x 3 nm² ou 10 x 10 nm², avec une résolution de 64 x 64 pixels² -128 x 128 pixels².
   REMARQUE : D’autres applications telles que l’imagerie de biomolécules peuvent nécessiter des tailles de balayage plus grandes dans les trois dimensions spatiales.
4. Définissez l’acquisition de la courbe de vitesse de force sur 200-800 Hz, ce qui correspond à 15-120 s par jeu de données 3D. Idéalement, diminuez ce nombre autant que possible pour minimiser la distorsion de l’image et la dérive thermique de la pointe, tout en maintenant une résolution décente dans la direction z. Pour ces vitesses et dimensions de balayage, 50 à 100 pix/nm sont obtenus dans la direction z après le traitement des données, ce qui est généralement suffisant pour résoudre la structure de la solution interfaciale.
5. Comme point de départ, choisissez une valeur pour le point de consigne telle que le déphasage tombe régulièrement à ~50-60° dans chaque courbe de force. Le point de consigne pourrait être défini aussi bas que 50 % de l’amplitude libre. Cependant, cela dépend surtout du type d’échantillon mesuré et nécessitera des essais et des erreurs. Par exemple, l’utilisation d’un point de consigne bas (haute pression) peut endommager la pointe ou déformer la surface dans le cas de molécules molles. D’autre part, un point de consigne élevé (basse pression) peut ne pas être suffisant pour pénétrer et sonder les couches d’hydratation.
6. Vérifiez que le logiciel enregistre quatre observables clés nécessaires à l’analyse des données AFM modulées en amplitude : hauteur de pointe, amplitude, phase et déviation. Notez que plusieurs canaux de données peuvent exister pour suivre la hauteur de la pointe en fonction de l’instrument et du logiciel. Étant donné que la 3D FFM nécessite une très haute résolution, il est important d’utiliser les profils de hauteur de pointe les plus lisses avec le moins de bruit électronique superposé de l’instrument. En plus de l’enregistrement de ces variables clés, d’autres paramètres de fonctionnement et métadonnées sont nécessaires pour analyser et reconstruire les forces exercées sur la pointe (généralement enregistrées dans votre fichier de données par défaut), comme nous l’avons vu dans une section ultérieure.
   REMARQUE : La FFM 3D a été démontrée dans les modes AFM à modulation d’amplitude et à modulation de fréquence. En ce qui concerne la qualité et l’analyse des données, les deux méthodes sont équivalentes. En conséquence, le mode de fonctionnement préféré est laissé à la discrétion et à l’expérience de l’expérimentateur. L’un des avantages possibles du mode modulé en amplitude est la stabilité de la pointe sur de plus grandes distances z , ce qui permet à l’utilisateur d’obtenir des données 3D s’étendant sur >10 nm dans la solution. En comparaison, l’un des inconvénients de ce mode concerne l’imagerie de molécules molles avec des échelles de temps de relaxation plus lentes que le mouvement en porte-à-faux. Cette dernière application offre à FFM l’occasion d’étudier la relaxation interfaciale dans les matériaux mous et les liquides visqueux. Dans ces cas, les profils d’amplitude mesurés peuvent montrer une hystérésis dans les cycles d’approche et de rétraction, ce qui crée une incertitude quant à la hauteur réelle de la pointe.

5. Traitement des données de la carte de force 3D

REMARQUE : Les étapes suivantes peuvent être effectuées dans le logiciel d’analyse de données préféré à l’aide de codes générés en interne ou à l’aide des fichiers de traitement de données fournis dans les informations complémentaires.

1. Chargez les données brutes dans le logiciel d’analyse de votre choix pour les calculs et la visualisation.
   REMARQUE : Les observables requis pour l’analyse sont l’amplitude (A), le déphasage (φ) et la déviation de la pointe (δ) en fonction du déplacement de hauteur (z), ainsi que les propriétés de la pointe telles que la fréquence de résonance (ν_e), la constante de ressort (k) et le facteur de qualité (Q). Les autres paramètres de fonctionnement comprennent les dimensions de balayage, la vitesse de balayage, la fréquence d’excitation de la pointe (ν_exc) et l’amplitude du variateur (A₀). Cette dernière valeur est généralement enregistrée en unités de tension, mais peut être facilement convertie en nanomètres sur la base de la valeur d’étalonnage obtenue à l’étape 3.1.
2. Extrayez l’image topographique équivalente de l’ensemble de données 3D en enregistrant le déplacement de hauteur le plus éloigné de la pointe à chaque coordonnée xy . À l’aide de ces données, calculez l’inclinaison de l’échantillon en ajustant des lignes droites aux profils de hauteur moyens dans les directions de balayage x et y . Même si la surface est atomiquement lisse, comme le mica, une inclinaison de l’échantillon de plusieurs degrés est attendue, et la pente de hauteur correspondante doit être prise en compte avant l’analyse des données.
   REMARQUE : Sur la plupart des instruments modernes, cette étape est automatisée pour l’imagerie topographique régulière, mais doit être effectuée manuellement pour les données FFM 3D. De toute évidence, cette méthode doit être légèrement modifiée si l’utilisateur mesure des surfaces plus complexes telles que des cristaux avec des bords à plusieurs étapes.
3. Linéariser les profils de déplacement en hauteur. Rappelez-vous que la pointe en 3D FFM suit des trajectoires sinusoïdales similaires à chaque cycle d’approche et de rétraction. Cependant, l’étendue la plus éloignée de la pointe varie en fonction du site cristallographique sur lequel elle atterrit, et les hauteurs de pointe enregistrées ne sont évidemment pas identiques au dernier chiffre significatif. En conséquence, les valeurs de hauteur mesurées dans toutes les trajectoires de pointe sont discrétisées pour obtenir un profil z linéaire unique pour toutes les courbes de force.
   REMARQUE : La taille du bac dépend des paramètres de mesure et de l’échelle de longueur des caractéristiques d’intérêt. Pour la plupart des applications, 0,2 Å est une résolution de hauteur suffisante. Cette valeur est plus de dix fois plus petite que la taille d’une molécule d’eau ; L’utilisation de bacs plus petits n’offre pas d’avantages et se trouve en fait dans le bruit mécanique et électronique de l’instrument.
4. Calculez les valeurs moyennes observables correspondant aux plages de hauteur pour chaque courbe de force individuelle. Cette méthode produit un volume 3D des données de phase/amplitude qui peut être facilement découpé et visualisé dans n’importe quelle direction.
   REMARQUE : En principe, les profils de force de l’approche et de la rétraction de la pointe doivent être similaires. On pourrait vérifier s’il est plus approprié d’utiliser les données de l’un ou des deux ou des deux en fonction de l’échantillon spécifique. En particulier, les biomolécules et les molécules plus grandes et plus molles pourraient montrer des effets d’hystérésis dans les cycles d’approche / rétraction. Dans ce cas, il est conseillé à l’utilisateur de modifier les conditions d’imagerie comme décrit ci-dessus.
5. Ajustez les profils de hauteur en tenant compte de la déviation de la pointe. Cette étape est facultative et laissée à la discrétion de l’utilisateur. Par exemple, avec des porte-à-faux ayant de grandes constantes de ressort (>200 N/m), la déviation de la pointe dans la solution saline diluée est généralement inférieure à <0,08 Å, ce qui n’influence pas significativement les données.
   REMARQUE : Sur la base de l’échantillon spécifique, l’utilisateur peut soit 1) négliger la déviation de la pointe pour les porte-à-faux très rigides après avoir vérifié que leur effet est négligeable, 2) corriger la hauteur de la pointe en utilisant le profil de déviation moyenné à partir de l’ensemble de données, 3) corriger la hauteur de la pointe pour chaque courbe de force individuelle en utilisant les données de déviation de pointe correspondantes de cette courbe de force. Cette dernière option est intuitivement la plus « correcte » et doit être exercée lorsque cela est possible, mais cette approche introduit souvent plus de bruit dans les données qui l’emporte sur le mérite de cette correction.
6. Lissez le jeu de données à l’aide d’un filtre médian 3D. Dans la plupart des cas, cette étape facultative réduit le bruit sans compromettre la résolution. Il est également utile de conserver une version des données non filtrées pour les contrôles de cohérence lors des étapes d’analyse ultérieures. De plus, l’utilisateur peut explorer des méthodes de filtrage plus avancées, telles que les méthodes basées sur l’analyse en composantes principales, qui sont facilement disponibles avec la plupart des logiciels de traitement de données.
7. Enregistrez les résultats traités, ainsi que les métadonnées utiles (paramètres de mesure importants pour transformer les observables AFM en force de pointe-échantillonnage) dans un fichier de données qui peut être utilisé pour une analyse ultérieure.
   REMARQUE : Les trois fichiers de traitement de données fournis dans les informations complémentaires peuvent être utilisés pour exécuter les fonctions énumérées dans cette section. Le premier fichier charge les données brutes FFM 3D et crée un fichier hdf5 qui inclut les données et métadonnées pertinentes ; Il s’agit simplement d’un transfert des données dans un fichier plus convivial qui pourrait être plus facilement accessible pour le traitement. Le deuxième fichier traite les données brutes, selon les étapes décrites ci-dessus, en extrayant l’image de hauteur équivalente, en linéarisant les profils de déplacement de hauteur, en triant les valeurs de données dans les compartiments de hauteur correspondants, en lissant l’ensemble de données à l’aide d’un filtre et en enregistrant les résultats traités dans un fichier de données de sortie. L’utilisateur peut également activer certaines fonctions pour tracer des exemples de courbes de force (brutes et traitées), des tranches xz/xy et la correction de l’inclinaison du substrat, ainsi que pour effectuer d’autres contrôles de cohérence post-traitement. Ces scripts de traitement des données sont conviviaux et annotés, montrant les étapes exactes à suivre par les utilisateurs pour modifier les paramètres et extraire des données des fichiers bruts de l’instrument.

La figure 2A présente un schéma de cartographie des forces en 3D. À l’instar d’autres techniques AFM fonctionnant en mode modulé en amplitude, un cantilever oscillant est balayé sur la surface. En plus de la hauteur de la pointe à chaque coordonnée, les observables de l’instrument tels que le déphasage et l’amplitude sont collectés lorsque la pointe s’approche et se rétracte de la surface. Le résultat est un ensemble de données 3D d’o...

Sélection de l’embout AFM
Comme pour toute application AFM, les principales caractéristiques de la pointe de la sonde sont la fréquence de résonance, la taille du porte-à-faux, le rayon de la pointe, le matériau de la pointe et la constante du ressort. Presque toute la littérature 3D FFM à ce jour a signalé l’utilisation d’embouts rigides et à haute fréquence. Les exemples les plus courants sont les pointes à base de silicium (par exemple, AC55TS, PP...

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt financier concurrent ou autre conflit d’intérêts.

Nous remercions le Dr Marta Kocun (Asylum Research), le Dr Takeshi Fukuma (Kanazawa), le Dr Ricardo Garcia (CSIC Madrid), le Dr Angelika Kühnle (Bielefeld), le Dr Ralf Bechstein (Bielefeld), le Dr Sebastien Seibert (Bielefeld) et le Dr Hiroshi Onishi (Kobe) pour leurs discussions utiles.

Le développement du protocole expérimental 3D FFM a été soutenu dans le cadre de l’IDREAM (Interfacial Dynamics in Radioactive Environments and Materials), un centre de recherche sur les frontières de l’énergie financé par le ministère américain de l’Énergie (DOE), l’Office of Science (SC) et l’Office of Basic Energy Sciences (BES). Le développement du code d’analyse des données 3D FFM a été soutenu par le Laboratory Directed Research and Development Program (LDRD) du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) par le biais du programme Linus Pauling Distinguished Postdoctoral Fellowship, auquel E.N. est reconnaissant pour son soutien. Le développement de la capacité de mesure 3D FFM a été réalisé au PNNL avec le soutien de la Division de la science et de l’ingénierie des matériaux, programme des sciences de synthèse et de traitement de la BES. Le PNNL est un laboratoire national multiprogramme exploité pour le DOE par le Battelle Memorial Institute sous le contrat n°. Référence : DEAC05-76RL0-1830.