Visualizando a estrutura da solução em interfaces sólido-líquido usando mapeamento tridimensional de força rápida

Aqui, apresentamos um protocolo para o uso de mapeamento tridimensional de força rápida - uma técnica de microscopia de força atômica - para visualizar a estrutura da solução em interfaces sólido-líquido com a resolução subnanométrica, mapeando as interações ponta-amostra dentro da região interfacial.

Entre os desafios para uma variedade de campos de pesquisa estão a visualização de interfaces sólido-líquido e a compreensão de como elas são afetadas pelas condições da solução, como concentrações de íons, pH, ligantes e aditivos vestigiais, bem como a cristalografia e a química subjacentes. Nesse contexto, o mapeamento tridimensional de força rápida (3D FFM) surgiu como uma ferramenta promissora para investigar a estrutura da solução em interfaces. Esta capacidade é baseada na microscopia atômica da força (AFM) e permite a visualização direta de regiões interfaciais em três dimensões espaciais com definição do sub-nanômetro. Aqui, fornecemos uma descrição detalhada do protocolo experimental para aquisição de dados FFM 3D. As principais considerações para otimizar os parâmetros operacionais, dependendo da amostra e da aplicação, são discutidas. Além disso, os métodos básicos para processamento e análise de dados são discutidos, incluindo a transformação dos observáveis do instrumento medido em mapas de força de amostra de ponta que podem ser vinculados à estrutura da solução local. Finalmente, lançamos luz sobre algumas das questões pendentes relacionadas à interpretação de dados 3D FFM e como essa técnica pode se tornar uma ferramenta central no repertório da ciência de superfície.

Muitos fenômenos interessantes ocorrem dentro de alguns nanômetros de uma interface sólido-líquido, onde as teorias clássicas para interações coloidais se quebram¹. Moléculas de solvente e íons se organizam em padrões inesperados² e diversos processos, como catálise³, adsorção de íons ^4,5, transferência de elétrons ^6,7, montagem biomolecular⁸, agregação de partículas⁹, fixação^10,11 e montagem^12,13, pode ocorrer. No entanto, poucas técnicas podem caracterizar a estrutura da solução na interface, particularmente com resolução 3D sub-nanométrica. Nesse contexto, o mapeamento tridimensional de força rápida (3D FFM) - uma técnica baseada em microscopia de força atômica (AFM) - surgiu como uma ferramenta útil para determinar a estrutura da solução interfacial^14,15 e entender seu impacto em tais fenômenos.

Geralmente, as técnicas do AFM empregam um modilhão com uma ponta nanosized para caracterizar superfícies usando duas classes principais de medições: a imagem latente topográfica que mede a altura de uma carcaça em cada pixel do xy ou as medidas da força que quantificam propriedades mecânicas, interações coloidais^16,17, ou forças adesivas entre uma ponta funcionalizada e a carcaça. Hoje, as capacidades deste instrumento versátil vão muito além dessas aplicações tradicionais; Usuários qualificados que operam instrumentos modernos podem medir propriedades elétricas, magnéticas e químicas da superfície acoplando microscopia de força à espectroscopia e outros métodos¹⁸. Talvez os avanços mais fascinantes tenham sido a capacidade de imagear materiais e processos em suas soluções nativas, com resolução espacial em nanoescala, em tempo real 19,20,21. Esta última capacidade facilitou o desenvolvimento do 3D FFM, que estende as medições de AFM para a terceira dimensão espacial, combinando curvas de força 1D com imagens topográficas¹⁴. Especificamente, a ponta adquire curvas de força consecutivas em cada coordenada xy para produzir um mapa 3D das forças detectadas pela ponta na interface sólido-líquido. A novidade aqui é que uma ponta suficientemente rápida e sensível pode detectar pequenos gradientes de força correspondentes à distribuição local de moléculas para mapear a estrutura da solução interfacial.

Até o momento, o 3D FFM foi desenvolvido por apenas alguns grupos de pesquisa, o que, em nossa opinião, não se deve às suas limitações técnicas, mas sim à necessidade de customização de instrumentos internamente para realizar essas medições. No entanto, o FFM 3D foi comercializado recentemente e agora está acessível a pesquisadores de todas as disciplinas relevantes. Do ponto de vista científico, essa técnica tem um apelo amplo e multidisciplinar. Por exemplo, os primeiros experimentos 3D FFM foram realizados em sistemas de solução mineral 15,22,23,24, onde questões importantes incluíam a compreensão dos mecanismos de crescimento e dissolução de cristais, a adsorção de íons e moléculas e o papel das camadas de hidratação na agregação e fixação de partículas. Experimentos bem-sucedidos identificaram átomos de cálcio e magnésio em uma rede cristalina de dolomita²⁵, visualizaram a estrutura da solução em torno de defeitos de ponto de calcita²⁶ e imagearam a adsorção de íons em superfícies de mica^27,28 e fluorita^24,29.

Além de visualizar interfaces mineral-solução, o FFM 3D pode fornecer insights sobre questões fundamentais na física de superfície e coloidal, como o dimensionamento de interações coloidais de curto alcance, a estrutura de camadas duplas elétricas em nível molecular e a natureza e origens das forças de solvatação. Essas medições têm implicações importantes para a pesquisa eletroquímica e de baterias, pois o 3D FFM pode mapear interfaces eletrodo-eletrólito e sondar sua resposta a campos elétricos³. Outras aplicações na ciência dos materiais incluem a compreensão de fenômenos que ocorrem nas superfícies de membranas de separação, catalisadores heterogêneos e revestimentos de polímeros. À medida que essa capacidade se desenvolve ainda mais, prevemos que ela também desempenhará um papel importante na imagem de biomoléculas e no delineamento do papel das interações, íons e moléculas de solvente em sua automontagem.

Um dos principais aspectos para o avanço da interpretação de dados no FFM 3D é o benchmarking com outras ferramentas experimentais e de simulação que foram usadas anteriormente para estudar interfaces sólido-líquido. Por exemplo, técnicas baseadas em refletividade ou difração de raios-X medem perfis de densidade eletrônica que podem ser mapeados para a distribuição de íons e moléculas de solvente em função da altura da interface 30,31,32,33. Essa abordagem tem sido bem-sucedida para uma variedade de sistemas de solução mineral, mas permanece limitada a grandes superfícies atomicamente lisas e muitas vezes é incapaz de produzir dados resolvidos lateralmente. Outras técnicas, como a espectroscopia de geração de frequência de soma, fornecem evidências de aspectos particulares da estruturação do solvente em superfícies minerais, como a orientação das moléculas de solvente na superfície, mas não a visualização direta da estrutura^34,35. Além disso, as simulações de dinâmica molecular avançaram significativamente e agora podem sondar rotineiramente perfis de distribuição de solventes em superfícies cristalinas 4,36,37,38,39. Embora cada uma dessas técnicas tenha seus próprios desafios e limitações, elas formam um conjunto complementar de ferramentas para investigar a estrutura da solução interfacial; O 3D FFM está pronto para contribuir significativamente para esse respeito e expandir a gama de sistemas sólido-líquido que podem ser estudados, bem como as questões de pesquisa que podem ser respondidas.

Um pré-requisito para implementar o FFM 3D em uma amostra específica é a capacidade de obter imagens topográficas com a resolução espacial desejada. Para um protocolo experimental detalhado sobre imagens AFM de alta resolução, o leitor é encaminhado para um manuscrito recente de Miller et ^al.20. Para uma operação ideal do FFM 3D, é altamente recomendável primeiro dominar a técnica de imagem de alta resolução descrita nele. A maioria das recomendações desse protocolo são aplicáveis e necessárias para o FFM 3D. No protocolo a seguir, destacamos brevemente as principais etapas para imagens de alta resolução, mas nos concentramos em considerações específicas para FFM 3D.

1. Carregando e calibrando a ponta do AFM

1. Limpe a ponta do cantilever mergulhando-a em água e solventes de isopropanol consecutivamente por vários minutos para remover contaminantes e adsorbatos orgânicos. Outros métodos comuns de limpeza incluem tratamento de superfície com plasma de argônio ou ozônio ultravioleta.
   NOTA: Seja consistente na preparação da amostra e do cantilever ao comparar diferentes conjuntos de dados. Mudanças no processo de limpeza podem afetar as propriedades da ponta, como química da superfície, hidrofilicidade ou mesmo forma e, portanto, influenciar as forças medidas⁴⁰.
2. Limpe o suporte do cantilever com água e solventes de isopropanol também.
3. Carregue o cantilever no suporte usando o suporte clamp ou parafuso, como típico para o instrumento AFM em uso. Conecte o suporte do modilhão ao AFM.
4. Alinhe o ponto do laser na ponta para maximizar o sinal de resposta usando o software do AFM, e zere então o sinal da deflexão.
5. Meça a constante da mola cantilever no ar. Esta etapa é automatizada na maioria dos microscópios modernos, registrando as flutuações térmicas do cantilever e ajustando o primeiro pico de ressonância a um modelo simples de oscilador harmônico realizado seguindo o protocolo do fabricante.
   NOTA: A medição da constante da mola é frequentemente negligenciada em algumas aplicações AFM, mas é crucial para a interpretação correta dos dados 3D FFM, particularmente para converter dados de observáveis de instrumentos em forças medidas, conforme descrito em uma seção posterior.

2. Carregando o substrato e a solução

1. Desconecte e remova o suporte do modilhão do estágio AFM e adicione ~ 60 μL da solução de imagem na ponta do cantilever. Certifique-se de que a ponta esteja totalmente imersa na solução. Tome cuidado para evitar a criação de bolhas de ar durante este processo.
   NOTA: A solução de imagem pode ser qualquer coisa relacionada à investigação científica. Como solução de teste, use [KCl] = 10 mM ou mesmo água pura.
2. Corte a amostra (por exemplo, mica) imediatamente antes das medições para obter uma superfície lisa e limpa. Enxágue a amostra com a solução de imagem e adicione ~ 100 μL da mesma solução de imagem na superfície da amostra.
   1. Coloque o substrato limpo no estágio de amostra. O tamanho do substrato varia de acordo com o experimento; Pode ser tão grande quanto um wafer de 1 x 1 cm² ou tão pequeno quanto nanopartículas depositadas em uma superfície.
      NOTA: Como em qualquer outra medição de AFM, ter uma superfície limpa é muito crítico para obter dados 3D confiáveis, pois a interface é particularmente sensível à contaminação por orgânicos e outros resíduos²⁷.
3. Retorne e prenda o suporte do cantilever em sua posição no palco. Abaixe cuidadosamente a posição do cantilever até que a solução caia na ponta e a amostra entre em contato. O estágio de amostra é controlado pelo software do instrumento ou por um botão físico no corpo do instrumento.
4. Permitir que a superfície da amostra se equilibre quimicamente e troque iões com a solução de imagiologia durante cerca de 10 min.
   1. Como etapa opcional, remova a ponta do cantilever, substitua a solução de imagem por uma alíquota nova, retorne o suporte do cantilever e aproxime-se da amostra até que a ponta esteja novamente imersa na solução.

3. Parâmetros ajustados do instrumento para medidas Amplitude-moduladas do AFM

1. Adquira outro gráfico térmico enquanto a ponta está imersa na solução. Neste ponto, certifique-se de que a constante da mola esteja fixada no valor calculado na etapa 1.5, enquanto um parâmetro do instrumento (por exemplo, AmpInVOLS parâmetro) é usado para ajustar o pico térmico. Novamente, esta etapa é automatizada na maioria dos microscópios modernos com alguns cliques na seção de gráfico térmico no software do instrumento.
   NOTA: Este parâmetro calibra a conversão do sinal eletrônico detectado pelo instrumento para a distância ponta-amostra em valores nanométricos para que o experimentalista possa obter dados confiáveis da posição e deflexão da ponta.
2. Ajuste a ponta do cantilever ajustando a frequência de acionamento (ν_exc) na frequência de ressonância (ν_e) e, posteriormente, centralizando a mudança de fase em 90° perto da frequência de ressonância. Estes são parâmetros do instrumento que os usuários podem controlar usando o protocolo do fabricante ao operar o instrumento no modo modulado de amplitude.
   NOTA: Alguns instrumentos do AFM usam a excitação fototérmica, para que a frequência da ressonância seja o mesmo valor obtido na etapa 3,1. Este método de excitação da ponta é altamente vantajoso para o mapeamento de força 3D, pois permite condições de imagem estáveis, mesmo em amplitudes de acionamento muito baixas.
3. Localize a altura aproximada da superfície da amostra e aproxime-se cuidadosamente da ponta até que ela se encaixe na superfície. Faça isso alterando a amplitude do ponto de ajuste para aproximadamente ~ 70% da amplitude livre usando o parâmetro Set Point no software do instrumento. À medida que a ponta se aproxima da superfície, a amplitude cai até atingir o valor do ponto de ajuste e, portanto, é determinada como engatada na superfície.
4. Obtenha uma única curva de força começando a ~200 nm de distância da superfície. Normalmente, isso é feito no painel Força do software do instrumento. Antes de retirar a ponta, ajuste novamente e centralize a mudança de fase a 90° como na etapa 3.2. A frequência de ressonância diminuirá ligeiramente devido às interações ponta-superfície.
   NOTA: Esta etapa garante que, durante as medições 3D FFM subsequentes, a mudança de fase seja de aproximadamente 90 graus na posição da ponta retraída.
5. Altere a amplitude definida para ~70% da amplitude livre. Não use valores de ponto de ajuste muito baixos (força grande e aplicada), pois isso pode danificar prematuramente a ponta.
6. Adquira uma imagem topográfica. Para superfícies lisas, como mica, comece com uma imagem de ~20 x 20 nm² . Para superfícies mais ásperas, comece criando imagens de áreas maiores antes de localizar rapidamente uma área atomicamente lisa de 20 x 20 nm² para a imagem. Examine cuidadosamente as imagens adquiridas. Neste ponto, a resolução da imagem 2D deve ser pelo menos equivalente à resolução de mapeamento de força 3D desejada.
   NOTA: Deve-se tomar cuidado para minimizar os danos causados pela ponta. Por exemplo, não tire mais imagens do que o necessário e use pontos de ajuste suaves, grandes ganhos de imagem e baixas taxas de varredura ao criar imagens de áreas grandes e ásperas.
7. Usando o software do instrumento, reduza a amplitude do inversor para aproximadamente 0,25 nm e ainda mais baixa quando possível. Reduza o ponto de ajuste de acordo sempre para ser menor que a amplitude da unidade e adquira imagens de teste. Com uma seleção adequada da ponta e das condições de imagem, a amplitude do inversor pode ser reduzida para ~0,1 nm. No entanto, tenha muito cuidado ao obter imagens com uma amplitude tão pequena em uma topografia de superfície áspera que possa danificar a ponta.
   NOTA: Para uma melhor resolução vertical, a amplitude da unidade deve ser menor do que os recursos da solução que se está tentando resolver. A menor amplitude livre que pode ser alcançada de forma realista é limitada pelo ruído térmico associado ao cantilever e à configuração instrumental. Pode-se avaliar qualitativamente a relação sinal-ruído enquanto ajusta o cantilever, analisando a amplitude de pico em comparação com o ruído da linha de base.
8. Adquira curvas de força simples a partir de uma distância ponta-amostra de 200 nm. Posteriormente, reduza a distância ponta-amostra para as curvas de força para 50 nm, 10 nm e, finalmente, 5 nm.
   NOTA: Otimize as condições de medição de forma que a amplitude na posição da ponta retraída seja a mais baixa possível (< 0,25 nm); a mudança de fase na posição da ponta retraída é de ~90°; a frequência de excitação (ν_exc) é igual ou muito próxima da frequência de ressonância (ν_e), o que simplifica a conversão de observáveis do instrumento em forças medidas nas etapas posteriores; e o ponto de ajuste é baixo o suficiente para que a mudança de fase (e amplitude) caia significativamente (em ~ 40-50%) nos últimos dois nanômetros da medição de força. A força aplicada pode ser aumentada ainda mais (ponto de ajuste diminuído). A desvantagem é que a ponta é danificada mais rapidamente neste processo.
9. Certifique-se de retirar a ponta depois que a aquisição da curva de força for interrompida. Se a ponta permanecer engatada e próxima à superfície, ela pode se deslocar e colidir com a superfície.
   NOTA: A Figura 1 traça curvas de força 1D para o sistema muscovita-água adquirido em [NaCl] = solução de 10 mM, especificamente as respostas de fase (φ), amplitude (A) e deflexão (δ). Nesta fase, esses perfis devem mostrar evidências das características que são almejadas nos mapas 3D e manifestadas como características oscilatórias que são mais óbvias na curva de fase. Observe que a coordenada de altura para esses dados brutos é arbitrária. Mais detalhes sobre processamento e análise de dados são fornecidos em uma seção posterior.

4. Aquisição de mapas de força 3D

NOTA: Encontrar os parâmetros ideais para medições 3D FFM dependerá da superfície da amostra, da ponta do cantilever e da solução de imagem. Diretrizes gerais são fornecidas como ponto de partida, mas os parâmetros apropriados para cada amostra exigirão a obtenção e análise de conjuntos de dados com várias condições de medição. As etapas a seguir mostram como adquirir os mapas de força 3D para o sistema de água mineral. Todos os parâmetros descritos nas etapas 4.2 - são definidos usando o software do instrumento.

1. Execute todas as etapas conforme descrito nas seções 2 e 3.
2. Defina a distância ponta-sample (z) para 2-5 nm. Essa distância é suficiente para resolver as características da solução interfacial, pois a ponta está próxima da superfície e também permite que a ponta se equilibre com a solução a granel quando se retrai para a posição mais distante.4.3.
3. Defina a Área de Digitalização como 3 x 3 nm² ou 10 x 10 nm², com uma Resolução de 64 x 64 pixels² -128 x 128 pixels².
   NOTA: Outras aplicações, como imagens de biomoléculas, podem exigir tamanhos de varredura maiores em todas as três dimensões espaciais.
4. Defina a Taxa de Aquisição da Curva de Força para 200-800 Hz, o que corresponde a 15-120 s por conjunto de dados 3D. O ideal é diminuir esse número o máximo possível para minimizar a distorção da imagem e o desvio térmico da ponta, mantendo uma resolução decente na direção z . Para essas taxas e dimensões de varredura, 50-100 pix/nm são obtidos na direção z após o processamento dos dados, o que geralmente é suficiente para resolver a estrutura da solução interfacial.
5. Como ponto de partida, escolha um valor para o ponto de ajuste de modo que a mudança de fase caia rotineiramente para ~ 50-60 ° em cada curva de força. O ponto de ajuste pode ser definido como 50% da amplitude livre. No entanto, isso depende especialmente do tipo de amostra que está sendo medida e exigirá tentativa e erro. Por exemplo, usar um ponto de ajuste baixo (alta pressão) pode danificar a ponta ou deformar a superfície no caso de moléculas moles. Por outro lado, um ponto de ajuste alto (baixa pressão) pode não ser suficiente para penetrar e sondar as camadas de hidratação.
6. Verifique se o software está gravando quatro observáveis chaves que são necessários para analisar os dados modulados amplitude do AFM: altura da ponta, amplitude, fase, e deflexão. Observe que vários canais de dados podem existir para rastrear a altura da ponta, dependendo do instrumento e do software. Como o 3D FFM requer uma resolução muito alta, é importante usar os perfis de altura de ponta mais suaves com o menor ruído eletrônico sobreposto do instrumento. Além de registrar essas variáveis-chave, outros parâmetros operacionais e metadados são necessários para analisar e reconstruir as forças exercidas na ponta (normalmente salvas em seu arquivo de dados por padrão), conforme discutido em uma seção posterior.
   NOTA: 3D FFM foi demonstrado em ambos os modos AFM modulados em amplitude e modulação de frequência. Em relação à qualidade e análise dos dados, os dois métodos são equivalentes. Consequentemente, o modo de operação preferido é deixado a critério e experiência do experimentalista. Uma possível vantagem para o modo modulado em amplitude é a estabilidade da ponta em distâncias z maiores, que permite ao usuário obter dados 3D que se estendem >10 nm na solução. Em comparação, uma desvantagem desse modo diz respeito à imagem de moléculas moles com escalas de tempo de relaxamento mais lentas do que o movimento do cantilever. A última aplicação apresenta uma oportunidade para a FFM investigar o relaxamento interfacial em materiais moles e líquidos viscosos. Nesses casos, os perfis de amplitude medidos podem mostrar histerese nos ciclos de aproximação e retração, o que cria incerteza sobre a altura real da ponta.

5. Processamento de dados do mapa de força 3D

NOTA: As etapas a seguir podem ser executadas no software de análise de dados preferido usando códigos gerados internamente ou, alternativamente, usando os arquivos de processamento de dados fornecidos nas Informações de Suporte.

1. Carregue os dados brutos em um software de análise preferido para cálculos e visualização.
   NOTA: Os observáveis necessários para análise são amplitude (A), mudança de fase (φ) e deflexão da ponta (δ) em função do deslocamento da altura (z), bem como propriedades da ponta, como frequência de ressonância (ν_e), constante de mola (k) e fator de qualidade (Q). Outros parâmetros operacionais incluem as dimensões de varredura, taxa de varredura, frequência de excitação da ponta (ν_exc) e amplitude de acionamento (A₀). O último valor é normalmente registrado em unidades de tensão, mas pode ser prontamente convertido em nanômetros com base no valor de calibração obtido na Etapa 3.1.
2. Extraia a imagem topográfica equivalente do conjunto de dados 3D registrando o deslocamento de altura mais distante da ponta em cada coordenada xy . Usando esses dados, calcule a inclinação da amostra ajustando linhas retas aos perfis de altura média nas direções de varredura x e y . Mesmo que a superfície seja atomicamente lisa, como a mica, espera-se uma inclinação da amostra de vários graus, e a inclinação da altura correspondente deve ser contabilizada antes da análise dos dados.
   NOTA: Na maioria dos instrumentos modernos, esta etapa é automatizada para imagens topográficas regulares, mas deve ser feita manualmente para dados 3D FFM. Obviamente, esse método deve ser ligeiramente ajustado se o usuário medir superfícies mais complexas, como cristais com bordas de várias etapas.
3. Linearize os perfis de deslocamento de altura. Lembre-se de que a ponta no FFM 3D segue trajetórias senoidais semelhantes em todos os ciclos de aproximação e retração. No entanto, a extensão mais distante da ponta varia dependendo do local cristalográfico em que está pousando, e as alturas das pontas registradas obviamente não são idênticas à última figura significativa. Assim, os valores de altura medidos em todas as trajetórias da ponta são discretizados para obter um único perfil z linear para todas as curvas de força.
   NOTA: O tamanho do compartimento depende dos parâmetros de medição e da escala de comprimento das características de interesse. Para a maioria das aplicações, 0,2 Å é uma resolução de altura suficiente. Esse valor é mais de dez vezes menor que o tamanho de uma molécula de água; O uso de tamanhos de caixa menores não oferece vantagens e, de fato, está dentro do ruído mecânico e eletrônico do instrumento.
4. Calcule os valores médios observáveis correspondentes aos compartimentos de altura para cada curva de força individual. Este método produz um volume 3D dos dados de fase/amplitude que podem ser facilmente fatiados e visualizados em qualquer direção.
   NOTA: Em princípio, os perfis de força da abordagem e retração da ponta devem ser semelhantes. Pode-se testar se é mais apropriado usar dados de um ou de ambos, dependendo da amostra específica. Em particular, biomoléculas e moléculas maiores mais macias podem mostrar efeitos de histerese nos ciclos de aproximação / retração. Nesse caso, o usuário é aconselhado a modificar as condições de imagem conforme descrito acima.
5. Ajuste os perfis de altura levando em consideração a deflexão da ponta. Esta etapa é opcional e deixada a critério do usuário. Por exemplo, com cantilevers com grandes constantes de mola (>200 N/m), a deflexão da ponta na solução salina diluída é normalmente inferior a <0,08 Å., o que não influencia significativamente os dados.
   NOTA: Com base na amostra específica, o usuário pode 1) negligenciar a deflexão da ponta para balanços muito rígidos após verificar novamente se seu efeito é insignificante, 2) corrigir a altura da ponta usando a média do perfil de deflexão de todo o conjunto de dados, 3) corrigir a altura da ponta para cada curva de força individual usando os dados de deflexão da ponta correspondentes dessa curva de força. A última opção é intuitivamente a mais "correta" e deve ser exercida quando possível, mas essa abordagem geralmente introduz mais ruído nos dados que supera o mérito dessa correção.
6. Suavize o conjunto de dados usando um filtro mediano 3D. Na maioria dos casos, essa etapa opcional reduz o ruído sem comprometer a resolução. É útil manter uma versão dos dados não filtrados também para verificações de consistência durante as etapas de análise posteriores. Além disso, o usuário pode explorar métodos de filtragem mais avançados, como métodos baseados em análise de componentes principais, que estão prontamente disponíveis na maioria dos softwares de processamento de dados.
7. Salve os resultados processados, bem como os metadados úteis (parâmetros de medição importantes para transformar os observáveis do AFM em força de amostra de ponta) em um arquivo de dados que pode ser usado para análise subsequente.
   NOTA: Os três arquivos de processamento de dados fornecidos nas Informações de Suporte podem ser usados para executar as funções listadas nesta seção. O primeiro arquivo carrega os dados brutos do FFM 3D e cria um arquivo hdf5 que inclui os dados e metadados relevantes; Esta é simplesmente uma transferência dos dados para um arquivo mais amigável que pode ser acessado mais facilmente para processamento. O segundo arquivo processa os dados brutos, de acordo com as etapas descritas acima, extraindo a imagem de altura equivalente, linearizando os perfis de deslocamento de altura, classificando os valores de dados nos compartimentos de altura correspondentes, suavizando o conjunto de dados usando um filtro e salvando os resultados processados em um arquivo de dados de saída. O usuário também pode ativar alguns recursos para plotar exemplos de curvas de força (brutas e processadas), fatias xz/xy e a correção da inclinação do substrato, bem como realizar outras verificações de consistência de pós-processamento. Esses scripts de processamento de dados são fáceis de usar e anotados, mostrando as etapas exatas para os usuários ajustarem parâmetros e extraírem dados dos arquivos brutos do instrumento.

A Figura 2A apresenta um esquema do mapeamento de força 3D. Similar a outras técnicas do AFM que operam-se na amplitude modulada modo, um modilhão de oscilação é feito a varredura através da superfície. Além da altura da ponta em cada coordenada, os observáveis do instrumento, como mudança de fase e amplitude, são coletados à medida que a ponta se aproxima e se retrai da superfície. O resultado é um conjunto de dados 3D de observáveis - notad...

Selecionando a ponta do AFM
Como em toda a aplicação do AFM, as características chaves da ponta da ponta de prova são a freqüência da ressonância, o tamanho do modilhão, o raio da ponta, o material da ponta, e a constante da mola. Quase toda a literatura 3D FFM até o momento relatou o uso de pontas rígidas e de alta frequência. Os exemplos mais comuns são pontas à base de silício (por exemplo, AC55TS, PPP-NCH, Tap300-G, etc.) pontas que podem ser utiliza...

Os autores declaram não haver interesses financeiros concorrentes ou outros conflitos de interesse.

Agradecemos à Dra. Marta Kocun (Pesquisa de Asilo), Dr. Takeshi Fukuma (Kanazawa), Dr. Ricardo Garcia (CSIC Madrid), Dra. Angelika Kühnle (Bielefeld), Dr. Ralf Bechstein (Bielefeld), Sebastien Seibert (Bielefeld) e Dr. Hiroshi Onishi (Kobe) pelas discussões úteis.

O desenvolvimento do protocolo experimental 3D FFM foi apoiado como parte do IDREAM (Interfacial Dynamics in Radioactive Environments and Materials), um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia financiado pelo Departamento de Energia dos EUA (DOE), Escritório de Ciência (SC), Escritório de Ciências Básicas de Energia (BES). O desenvolvimento do código de análise de dados 3D FFM foi apoiado pelo Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório (LDRD) no Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) por meio do programa Linus Pauling Distinguished Postdoctoral Fellowship, ao qual a E.N. agradece o apoio. O desenvolvimento da capacidade de medição 3D FFM foi realizado no PNNL com o apoio da Divisão de Ciência e Engenharia de Materiais, Programa de Ciências de Síntese e Processamento do BES. O PNNL é um laboratório nacional multiprograma operado para o DOE pelo Battelle Memorial Institute sob o contrato nº. DEAC05-76RL0-1830.