قياس قوة التفاعل بين القطرة والركيزة فائقة رهاب الماء بواسطة طريقة ليفر البصرية

الاتصال بين قطرة وسطح سوبر مسعور ة شائعة جدا في الحياة اليومية والإنتاج الصناعي: قطرات الماء انزلاق من سطح ورقة اللوتس^1،2، وstrider المياه السفر بسرعة فوق الماء^{3 4،5،6}. يمكن لطلاء سوبر هيدروفوبيك على السطح الخارجي للسفينة تساعد على الحد من درجة التآكل للسفينة والحد من مقاومة الملاحة^7،8،9،10. هناك قيمة كبيرة للإنتاج الصناعي والبحوث الحيوية في دراسة عملية الاتصال بين قطرة وسطح سوبر هيدروفوبيك.

لمراقبة عملية انتشار قطرات على سطح صلب، استخدم بيانس كاميرا عالية السرعة لتصوير عملية الاتصال ووجد أن مدة نظام بالقصور الذاتي يتم إصلاحها بشكل رئيسي من قبل حجم قطرة¹¹. قام Eddi بتصوير عملية الاتصال بين القطرة واللوحة الشفافة من الأسفل والجانب باستخدام كاميرا عالية السرعة، والتي كشفت بشكل شامل عن اختلاف دائرة نصف قطرها الاتصال من قطرة لزجة مع الوقت¹². بولسن الجمع بين طريقة كهربائية مع مراقبة الكاميرا عالية السرعة، وبالتالي تقليل وقت الاستجابة إلى 10 NS^13،14.

كما تم استخدام المجهر الذري للقوة (AFM) لقياس قوة التفاعل بين القطرة/الفقاعة والأسطح الصلبة. Vakarelski استخدام ناتئ AFM لقياس قوى التفاعل بين اثنين من الفقاعات الصغيرة (حوالي 80-140 ميكرومتر) في محلول مائي خلال الاصطدامات التي تسيطر عليها على نطاق ميكرومتر إلى نانومتر¹⁵. استخدم شي مزيجاً من AFM وانعكاس التداخل على النقيض من المجهر (RICM) لقياس قوة التفاعل في وقت واحد والتطور الصدغي للطبقة المائية رقيقة بين فقاعة الهواء وأسطح الميكا من هيدروفوبيسيتي ^{مختلفة 16,17}.

ومع ذلك، بما أن الكانتيلفيرز التجارية المستخدمة في AFM صغيرة جدا، فإن بقعة الليزر المشععة على ناتئ سوف تغمرها قطرات أو فقاعات. وAFM لديها صعوبات في قياس قوة التفاعل بين قطرات وقطرات / ركائز في الهواء.

في هذه الورقة، تم تصميم نظام قياس يستند إلى طريقة رافعة بصرية لقياس قوة التفاعل بين قطرات وركائز فائقة hydrophobic. يتم معايرة حساسية قوة العتلة البصرية (S_OL)بواسطة قوة كهروستاتيكية¹⁸، ومن ثم يتم قياس قوى التفاعل بين قطرات وركائز مختلفة فائقة hydrophobic بواسطة نظام القياس.

الرسم التخطيطي لنظام القياس مبين في الشكل 1. الليزر وموضع الكاشف الحساسة (PSD) تشكل نظام رافعة البصرية. يستخدم الكملي كانتيليفر السيليكون كعنصر حساس في النظام. يتم إصلاح الركيزة على النانو وضع z-المرحلة، والتي يمكن أن تتحرك في الاتجاه الرأسي. عندما تقترب الركيزة من القطرة، فإن قوة التفاعل تؤدي إلى الانحناء. وهكذا، فإن موقف بقعة الليزر على PSD تغيير، وسوف الجهد الناتج من PSD تغيير. الجهد الناتج من PSD V_P يتناسب مع قوة التفاعل F_ط، كما هو مبين في مكافئ. (1).

(1)

من أجل الحصول على قوة التفاعل، يجب معايرة_{S OL} أولا. يتم استخدام القوة الكهربائية كقوة قياسية في معايرة_{S OL}. كما هو مبين في الشكل 2، وناتئ والقطب تشكل مكثف لوحة موازية ، والتي يمكن أن تولد قوة كهرباء في اتجاه عمودي. يتم تحديد قوة الكهروستاتيكية F_ES من قبل الجهد من التيار الكهربائي العاصمة ق_ق، كما هو مبين في مكافئ. (2)^19،20،21.

(2)

حيث C هو السعة من مكثف لوحة موازية، z هو النزوح من نهاية ناتئ الحرة، وdC/dz يسمى التدرج السعة. ويمكن قياس السعة بواسطة جسر السعة. ويمكن تركيب العلاقة الرياضية بين C و z بواسطة متعدد الحدود التربيعي، كما هو مبين في مكافئ. (3).

(3)

حيث Q و P و CT هي معاملات المصطلح التربيعي، والمصطلح الأولي والمصطلح الثابت على التوالي. ولذلك، يمكن التعبير عن القوة الكهروستاتيكية F_es على أنها مكافئة. (4).

(4)

بما أنّ التداخل منطقة من اثنان لوحات من المكثف جدّا صغيرة, القوة مرنة يتصرّف على ال [كنتلفير] يستطيع كنت عبّر عن ك [إق]. (5), وفقا ل [هوك] قانون:

(5)

حيث ك هو صلابة ناتئ.

عندما تكون القوة المرنة وقوة كهرباء ثابتة المطبقة على ناتئ متساوية (أي،F_ط = F_ES)،كانت ناتئ في التوازن. (6) يمكن أن تستمد من Eqs. (1) و (2) و (5):

(6)

من أجل تقليل عدم اليقين من نتائج المعايرة، يتم استخدام طريقة الفرق لحساب_{S OL}. نتائج تجربتين تؤخذ على النحو V_s1، V_p1 و V_s2، V_p2، ويتم استبدالها في مكافئ (6):

(7)

تحويل المعادلات وطرح المعادلة السفلية من المعادلة العليا في Eq. (7)، يتم القضاء على المعلمات Q و k. ثم يتم الحصول على صيغة المعايرة من_S OL، كما هو مبين في مكافئ. (8):

(8)

إجراء سلسلة من التجارب، يتم رسم منحنى مع P (1 /V_p1-1 /V_P2)كما تنسيق و 2 (1 /V_s1²-1 /V_S2²⁾كما abscissa. الميل من المنحنى S_OL.

بعد الحصول على S_OL، سيتم استبدال القطب بركائز مختلفة فائقة hydrophobic. وستقاس قوى التفاعل بين القطرات والركائز فائقة الرهاب المائي بالنظام المبين في الشكل 1.

1. تجميع نظام معايرة_{S OL}

1. تجميع نظام المعايرة S_OL وفقا للمخطط التخطيطي المبين في الشكل 2.
2. إصلاح الليزر لدعم، مما يجعل زاوية بين الليزر والاتجاه الأفقي تكون 45 درجة.
3. إصلاح PSD إلى دعم آخر، مما يجعل PSD عمودي ليزر. قم بتوصيل PSD بجهاز الحصول على البيانات وجهاز الحصول على البيانات بالكمبيوتر.
   ملاحظة: يتم تحديد هذه الزوايا بواسطة القياس البصري للمربّب ولا يلزم أن تكون بالضبط 45 درجة أو 90 درجة.
4. إصلاح نهاية أوسع من ناتئ إلى جهاز عقد بينما يتم تعليق الطرف الآخر. إصلاح جهاز عقد إلى ثنائية الأبعاد عالية الدقة مرحلة الإزاحة.
   ملاحظة: يتم عرض أبعاد ناتئ في الشكل 3.
5. إصلاح القطب لوحة إلى nanopositioning z-المرحلة بواسطة جهاز لقط.
   ملاحظة: يمكن أن النانو وضع ي مرحلة جلب القطب للتحرك على طول المحور z مع قرار الإزاحة من 1 نانومتر.
6. ربط القطب الإيجابي للجسر بالسعة مع ناتئ والقطب السلبي مع قطب لوحة.
7. تثبيت كاميرا عالية السرعة، خط البصر هو عمودي على ناتئ.
8. ضبط موقف القطب لوحة، مما يجعل المسافة العمودية بين القطب لوحة وناتئ تكون حوالي 100 ميكرومتر، وطول التداخل حوالي 0.5 ملم.
   ملاحظة: يتم التحقق من هذه المسافات بواسطة معالجة الصورة.

2. قياس التدرج السعة

1. استخدام الكمبيوتر للسيطرة على جسر السعة لجمع التغيرات السعة بين قطب لوحة وناتئ في الوقت الحقيقي. تعيين معدل أخذ العينات إلى 0.5 هرتز.
2. التحكم في nanopositioning z-المرحلة بواسطة الكمبيوتر لدفع القطب لوحة إلى خطوة إلى أعلى مع خطوة من 10 ميكرومتر ورقم خطوة من 6 والبقاء لمدة 10 ثانية بعد كل حركة.
3. قم بتغيير اتجاه حركة قطب اللوحة إلى أسفل، وكرر الخطوة 2.2.
4. تحديد العلاقة بين السعة وإزاحة قطب اللوحة في نتيجة القياس، والحصول على قيمة P وفقا لEQ. (3).
5. كرر الخطوات من 2.1 إلى 2.4 5x وحساب متوسط قيمة P.

3. معايرة رافعة البصرية

1. افصل الاتصال بين الجسر بالسعة والقطب الناتئ / لوحة.
2. توصيل القطب الإيجابي من التيار الكهربائي العاصمة مع ناتئ والقطب السلبي مع قطب لوحة.
3. ضبط الموقف النسبي بين الليزر، PSD والناتئ لجعل الليزر ينعكس على PSD بواسطة ناتئ.
   ملاحظة: بقعة الليزر هو دائرة حوالي 2 ملم في القطر.
4. التحكم في التيار الكهربائي العاصمة عن طريق الكمبيوتر لتطبيق الجهد متفاوتة مع مرور الوقت على مكثف لوحة موازية. في الوقت نفسه، جمع الجهد الناتج من PSD في الوقت الحقيقي من قبل جهاز الحصول على البيانات.
   1. تعيين معدل أخذ العينات من جهاز الحصول على البيانات إلى 1000 هرتز.
   2. تعيين الجهد الأولي للامدادات الطاقة العاصمة إلى 0 V وعقد لمدة 5 s.
   3. زيادة الجهد بنسبة 25 فولت وعقد لمدة 5 ق.
   4. كرر الخطوة 3.4.3 4x حتى يزيد الجهد إلى 125 V.
   5. تقليل الجهد بنسبة 25 فولت وعقد لمدة 5 ق.
   6. كرر الخطوة 3.4.5 4x حتى ينخفض الجهد إلى 0 V.
5. تحديد العلاقة حول الجهد الناتج من PSD والجهد العرض العاصمة في نتيجة القياس، والحصول على قيمة_{S OL} وفقا لEq. (8).
6. كرر الخطوات 3.4-3.5 5x وحساب متوسط قيمة_{S OL}.

4. إعداد ركائز فائقة رهاب الماء

1. إعداد ثلاث شبكات النحاس دائرية مع نفس قطر 3 مم وكسور الشبكة المختلفة. وكسور شبكتها هي 46.18 في المائة و51.39 في المائة و58.79 في المائة على التوالي.
   ملاحظة: هذه الشبكات النحاسية هي المنتجات التجارية التي تم شراؤها.
2. رش الجسيمات النانوية على ثلاث شبكات نحاسية للحصول على ركائز فائقة رهاب الماء مع بنية صغيرة وهيدروفوبيسيتي.
   1. رش المعطف الأساسي على شبكة النحاس.
   2. رش المعطف العلوي على شبكة النحاس عندما يكون المعطف الأول جافًا.
      ملاحظة: يتم تعبئة الجسيمات النانوية في علبة مع رئيس رذاذ. وسيتم رش الجسيمات النانوية عن طريق الضغط على رأس رذاذ عند استخدامها.
3. الغراء شبكات النحاس على جانب اسطوانات بقطر 3 ملم للحصول على سطح فائقة hydrophobic هيكل مع انحناء 1/3 مم^-1.

5. قياس قوة التفاعل بين قطرات وركائز فائقة hydrophobic

1. افصل الاتصال بين التيار الكهربائي وقطب الكتول/الصحن. إزالة قطب لوحة من nanopositioning z-المرحلة.
2. إصلاح دعم لوحة إلى nanopositioning z-المرحلة.
3. تثبيت كاميرا عالية السرعة، خط البصر هو عمودي على ناتئ.
4. تعليق قطرة على السطح السفلي من نهاية حرة من ناتئ.
   1. ضع هيكلًا فائقًا للرهاب المائي بزاوية اتصال تبلغ 180 درجة تقريبًا على دعم اللوحة.
   2. ضع قطرة 2 ميكرولتر على بنية فائقة رهاب الماء باستخدام ميكروبيبتيتور.
   3. التحكم في nanopositioning z-المرحلة باستخدام البرمجيات (على سبيل المثال، PIMikroMove) لدفع قطرة للتحرك صعودا.
      1. في مربع الحوار، قم بتعيين السرعة إلى 10 μm/s.
      2. انقر فوق زر الأمام وتبدأ القطرة في التحرك صعودا.
      3. انقر فوق الزر إيقاف عندما يتصل القطرة مع نهاية حرة من ناتئ.
   4. البقاء لمدة 1 أو 2 ثانية، ومن ثم السيطرة على nanopositioning z-المرحلة لدفع هيكل سوبر هيدروفوبيك بعيدا عن ناتئ.
      ملاحظة: بما أن ناتئ السيليكون هو مائي، يتم تعليق القطرة على السطح السفلي للنهاية الحرة للناتئ، وتشكيل قطرة نصف كروية بقطر حوالي 0.5 ملم.
   5. إزالة هيكل فائقة hydrophobic مع زاوية اتصال من 180 درجة تقريبا من دعم لوحة.
5. ضع الركيزة فائقة hydrophobic مع جزء الشبكة من 46.18٪ على دعم لوحة.
6. ضبط موقف دعم لوحة، مما يجعل المسافة العمودية بين الركيزة فائقة hydrophobic وقطرة نصف كروية يكون حوالي 100 ميكرومتر.
   ملاحظة: يتم التحقق من المسافة بواسطة معالجة الصورة.
7. قم بتشغيل PSD والليزر وكاميرا عالية السرعة.
8. السيطرة على جهاز الحصول على البيانات عن طريق الكمبيوتر لجمع الجهد الناتج من PSD في الوقت الحقيقي. تعيين معدل أخذ العينات إلى 100 كيلو هرتز.
9. تعيين السرعة إلى 10 ميكرومتر / س في البرنامج، ثم انقر فوق زر الأمام، بحيث الركيزة فائقة hydrophobic يتحرك تدريجيا أقرب إلى قطرة.
10. انقر فوق زر إيقاف عند الركيزة فائقة hydrophobic ونقطة الاتصال قطرة.
11. تعيين السرعة إلى 10 μm / s في البرنامج، ثم انقر فوق زر العودة لدفع الركيزة فائقة hydrophobic للتحرك إلى أسفل.
12. انقر فوق زر إيقاف عندما يتم فصل الركيزة فائقة hydrophobic من قطرة.
13. رسم منحنى الجهد الناتج من PSD متفاوتة مع مرور الوقت.
14. كرر الخطوات 5.4-5.13 باستخدام ركائز فائقة رهاب الماء مع أجزاء الشبكة من 51.39٪ و 58.79٪.
15. تحليل العلاقة بين قوة التفاعل والجزء الشبكي من الركيزة فائقة hydrophobic.

ويرد في الجدول 1إزاحة قطب اللوحة والسعة المقابلة بين ناتئ الناتئ والقطب المقيس في تجربة واحدة . العلاقة بين السعة C والتشريد z يتم تركيبها بواسطة متعدد الحدود التربيعي باستخدام الدالة polyfit في MATLAB، كما هو مبين في الشكل 4. يمكن الحصول على أول معامل من الدرجة P بواسطة وظيفة المناسب. القيمة النهائية لـ P هي 0.2799 pF/mm، وهو المتوسط المحسوب من عشر نتائج تجريبية.

ويرد في الجدول 2الجهد العرض والجهد الناتج المقابلة من PSD في تجربة واحدة. يتم تركيب العلاقة بين الجهد الناتج من PSD VP والجهد العرض الخامسق بواسطة وظيفة خطية، كما هو مبين في الشكل 5،حيث VP1 و VP2 هي الاختلافات بين القيم المقاسة وV p0 (القيمة الأولية للجهد الناتج من PSD في Vs=0). يمكن الحصول علىS OL من خلال ميل المنحنى في الشكل 5. القيمة النهائية لـ SOL هي 8.847 μN/V، وهو المتوسط المحسوب من 12 نتائج تجريبية.

ويرد في الشكل 6منحنيات قوى التفاعل المقيسة بين القطرات والركائز فائقة رهاب الماء التي تتفاوت مع مرور الوقت . ويتم حساب قوى التفاعل حسب Eq. (1)، حيث Vp هي الاختلافات بين الجهد الناتج قياس PSD والجهد الإخراج الأولي من PSD.

قبل النقطة أ، لم يتم الاتصال الركيزة مع قطرة، وبالتالي فإن قوة التفاعل هو 0. في المرحلة AB، المسافة بين الركيزة وقطرة صغيرة جدا. نظرا لتأثير الهوائية، سيكون هناك قوة البغيضة بين الركيزة وقطرة، مما يدل على منحنى ارتفاع في هذا الشكل. النقطة ب هي النقطة الحرجة التي تبدأ عندها الركيزة والقطرة في الاتصال. بعد النقطة B، قوة التفاعل بينهما يصبح قوة جذابة. في المرحلة قبل الميلاد، تبلل القطرة تدريجيا الركيزة فائقة رهاب الماء تحت عمل قوة الشعرية. وسوف ينحني ناتئ إلى أسفل في هذه المرحلة، مما يدل على منحنى انخفاض في هذا الشكل. عند النقطة C، يصل النظام إلى التوازن مرة أخرى، ويبدأ ناتئ الناتئ بالتذبذب في وضع التوازن.

كما هو موضح في الشكل6، فإن قوة التفاعل بين القطرة والركيزة تنخفض مع زيادة جزء الشبكة. والسبب هو أن الاتصال بين قطرات وركائز فائقة رهاب الماء هو عملية الإفراج عن الطاقة. ويرتبط الماء من الركيزة بشكل إيجابي مع جزء الشبكة. كلما كانت الهيدروفوبيليتي أقوى، كلما قل ّت الطاقة التي يتم إطلاقها أثناء الاتصال، وبالتالي فإن قوة الاتصال أصغر.

خلال التجربة وجدنا أن القوة البغيضة موجود فقط في عملية الاتصال بين القطرة والركيزة مع جزء الشبكة من 46.18%. مع الزيادة من [هدروفوبتي], ينخفض الطاقة سطحيّة من الركيزة. وعندما لا تتمكن القوة البغيضة من التوصل إلى حل للنظام، فمن الصعب قياس القوة البغيضة.

حجم القوة هو في علاقة مباشرة مع حجم قطرة. وأجريت تجربة تكميلية لتوضيح العلاقة بين قوة التفاعل وحجم القطرات. وقد استخدمت ثلاث قطرات من أحجام مختلفة في تجربة الاتصال، كما هو مبين في الشكل 7. حجم القطرة (أ) و (ب) و (ج) هي 0.0135 ميكرولتر و 0.0087 ميكرولتر و 0.0073 ميكرولتر على التوالي. في التجربة، يتم قياس حجم قطرات من خلال تغيير الجهد الناتج PSD. يتم قياس الفولتية الناتج PSD قبل وبعد تعليق قطرة بواسطة ناتئ، ومضاعفة فرقها Vد فيS OL للحصول على خطورة قطرة. يتم تحويل قيمة حجم القطرة بواسطة الجاذبية. يتم استخدام الركيزة مع جزء الشبكة من 51.39٪ في التجارب. ويرد في الشكل 8قوة التفاعل المقيسة بين القطرات الثلاث والركيزة . ومن الواضح أن قوة التفاعل يزيد مع زيادة حجم قطرة.

الشكل 1: نظام قياس قوة التفاعل. الرسم التخطيطي لنظام القياس استناداً إلى طريقة الرافعة البصرية لقياس التفاعل بين القطرات والركيزة فائقة رهاب الماء. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2: نظام معايرة SOL. الرسم التخطيطي للنظام المصمم لمعايرة حساسية قوة العتلة البصرية باستخدام قوة كهرباء. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: أبعاد ناتئ ميليمتري. عرض أعلى والارتفاع من ناتئ ميليمتري. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: العلاقة بين السعة والنزوح. منحنى تركيب متعدد الحدود التربيعي للسعة C والإزاحة z في تجربة المعايرة. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 5: العلاقة بين الجهد الناتج من PSD والجهد العرض. منحنى الطولي المناسب من P (1/Vp1-Vp2)و 2 (1/Vs12-Vs2 s22)وفقا لEq. (8). الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 6: نتائج قياس قوة التفاعل. قوى التفاعل بين قطرات وركائز فائقة hydrophobic مع أجزاء الشبكة المختلفة في الهواء. تمثل الألوان المختلفة أجزاء مختلفة من الشبكة. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 7: صور لثلاث قطرات من أحجام مختلفة مستخدمة في التجربة. حجم قطرات (أ)، (ب)، و (ج) هي 0.0135μL، 0.0087μL، و 0.0073μL على التوالي. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 8: قوة التفاعل بين ثلاث قطرات من أحجام مختلفة والركيزة. ألوان مختلفة تمثل قطرات مختلفة. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الجدول 1: نتائج المعايرة لتدرج السعة. إزاحة قطب اللوحة والسعة المقابلة بين ناتئ والقطب الكهربائي في تجربة واحدة.

الجدول 2: نتائج المعايرة لـ SOL. الجهد العرض والجهد الناتج المقابلة من PSD في تجربة واحدة.

وليس لدى صاحب البلاغ ما يكشفعنه.