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NIST 提高了光学显微镜测量微滴体积的能力

导读喷嚏、雨云和喷墨打印机:它们都会产生或含有微小的液滴,以至于需要数十亿个液滴才能装满一升瓶子。测量微小液滴的体积、运动和内容对于研

喷嚏、雨云和喷墨打印机:它们都会产生或含有微小的液滴,以至于需要数十亿个液滴才能装满一升瓶子。

测量微小液滴的体积、运动和内容对于研究空气传播的病毒如何传播(包括导致 的病毒)、云如何反射阳光以冷却地球、喷墨打印机如何创建精细的图案,甚至汽水瓶碎片变成纳米级塑料颗粒,污染海洋。

通过改进传统光学显微镜的校准,美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的研究人员首次以小于 1% 的不确定性测量了小于 100 万亿分之一升的单个液滴的体积。这比以前的测量提高了十倍。

由于光学显微镜可以直接对小物体的位置和尺寸进行成像,因此它们的测量值可用于确定球形微滴的体积(与直径的立方成正比)。然而,光学显微镜的准确性受到许多因素的限制,例如图像分析对液滴边缘与周围空间之间边界的定位能力。

为了提高光学显微镜的精度,NIST 研究人员为这些仪器开发了新的标准和校准。他们还设计了一个系统,在该系统中,他们可以使用显微镜和称为重力测量的独立技术同时测量飞行中微滴的体积。

重量法通过称量容器中积累的许多微滴的总质量来测量体积。如果控制液滴的数量并测量密度(每单位体积的质量),则可以使用标尺上记录的总质量来计算一个液滴的平均体积。尽管这是有价值的信息,因为液滴的大小可能会有所不同,但通过光学显微镜对单个液滴进行成像可以实现更直接和更完整的测量。

尽管如此,称量容器内的物品是一种行之有效的方法,而且重量测量很容易与国际单位制 (SI) 联系起来,并且具有很高的可信度。这种测量是最可靠的,因为这些单位是基于自然的基本常数,不会随时间变化。因此,该团队使用重量法来检查显微镜在确定液滴尺寸方面的可靠性。

为了提高定位微滴边缘的准确性,研究人员测试了两个标准物体来模拟微滴并校准图像边界。对于每个标准物体,精确测量其边缘之间的距离可以校准相应的图像边界。

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