用光学杠杆方法测量液滴和超疏水基板之间的相互作用力

摘要

该协议旨在研究水滴和空气中超疏水基板之间的相互作用。这包括校准测量系统,测量具有不同网格分数的超疏水基板的相互作用力。

摘要

本文旨在研究空气中液滴与超疏水基板之间的相互作用力。设计了一种基于光学杠杆方法的测量系统。在测量系统中,毫米悬臂用作力敏感元件。首先,使用静电对光学杠杆的力灵敏度进行校准,这是测量相互作用力的关键步骤。其次,用纳米粒子和铜网格制备三种具有不同网格分数的超疏水基板。最后,通过系统测量了液滴与具有不同网格分数的超疏水基板之间的相互作用力。该方法可用于测量亚微牛顿尺度上的力,分辨率为纳米牛顿。深入研究液滴和超疏水性结构的接触过程,有助于提高涂层、薄膜和印刷的生产效率。本文设计的力测量系统也可用于微力测量的其他领域。

引言

水滴和超疏水表面的接触在日常生活和工业生产中很常见:水滴从莲叶1、2的表面滑落,水滴在水中快速^{移动3 ,4,5,6}.船舶外表面的超疏水涂层可以帮助降低船舶的腐蚀程度,降低航行7、8、9、10的阻力。在研究液滴和超疏水表面的接触过程方面,工业生产和仿生学研究具有十分重要的意义。

为了观察液滴在固体表面上的扩散过程,Biance使用高速相机拍摄了接触过程,发现惯性系统持续时间主要由11的液滴大小固定。Eddi使用高速相机从底部和侧面拍摄了滴滴与透明板之间的接触过程,全面揭示了粘性滴接触半径的变化与^时间12。保罗森将一种电气方法与高速摄像机观察相结合,从而将响应时间....

方案

1. S_OL校准系统的装配

1. 根据图2所示的原理图组装S_OL校准系统。
2. 将激光固定到支架上,使激光与水平方向之间的角度为 45°。
3. 将 PSD 固定到另一个支架上,使 PSD 垂直于激光。将 PSD 连接到数据采集设备,将数据采集设备连接到计算机。
   注:这些角度由实验者的视觉测量确定,不需要精确为 45° 或 90°。
4. 将悬臂的较宽端固定到保持装置上,而另一端则挂起。将保持装置固定到二维高精度位移阶段。
   注:悬臂的尺寸如图3所示。
5. 通过夹紧装置将板电极固定到纳米定位 z 级。
   注:纳米定位 z 级可使电极沿 z 轴移动,位移分辨率为 1 nm。
6. 电容式桥的正极与悬臂,用板电极连接负极。
7. 安装一个高速摄像机,其视线垂直于悬臂。
8. 调整板电极的位置,使板电极与悬臂之间的垂直距离约为100μm,重叠长度约为0.5 mm。
   注: 这些距离通过图像处理进行检查。

2. 电容梯度的测量

1. 使用计算机控制电容桥,实时收集板电极和悬臂之间的电容变化。将采样速率设置为 0.5 Hz。
2. 通过计算机控制纳米定位....

结果

表1显示了板电极的位移和悬臂与电极之间相应的电容。电容C和位移z之间的关系由二次多项式使用MATLAB中的多合函数拟合,如图4所示。 一阶系数 P 可以通过拟合函数获得。P的最终值为0.2799 pF/mm,这是根据10个实验结果计算的平均值。

表2显示了一个实验中PSD的电源电压和相应的输出电压。PSD V_p的输出电压与电源电压V_s之间的关系由线性函数拟合,如图5所示,其中V_p1和V_p2是差分测量值和V_p0之间(V _s=0 处 PSD 输出电压的初始值)。S_OL可以通过

讨论

在此协议中,组装和校准了基于光学杠杆方法的测量系统,用于测量液滴与超疏水基板之间的相互作用力。在所有步骤中,使用静电校准 S_OL至关重要。校准实验的结果验证Eq.(8):P(1/V_p1-1/V_p2)与2(1/V_s1^2-1/V_s2²⁾成正比,从而可以获得通过 PSD 的输出电压测量的力。通过测量不同疏水性液滴与超疏水基板之间的相互作用力的实验,相互作用力随着疏水能力的增加而减小,从而验证了水相基材的疏水性和表面能量。

基于毫米硅悬臂的力测量方法是对传统方法的重要补充。与高速相机方法相比,光学杠杆法能精确测量纳米牛顿尺度上的力。AFM通常用于测量微米尺度物体之间的相互作用力,而本文所设计的系统可应用于空气中毫米尺度的物体。该方法可用于测量亚微牛顿尺度的力,其分辨率可达纳米牛顿的尺度。

本文提出的测量相互作用力.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
相机	Shenzhen Andonstar Tech Co.， Ltd	数码显微镜 A1	帧率：30 帧/秒;焦距： 5 mm - 30 mm
电容式电桥	Andeen-Hagerling	AH2550A	电容式电桥用于测量悬臂和板电极之间的电容。
数据采集设备	National Instruments	USB-4431	数据采集设备用于读取输出电压数据。
直流电源	Keithley	2410	电压范围：±5 μV;准确度：0.012%
网格	电子显微镜中国	AGH100、AGH150、AGH300	AGH100、AGH150 和 AGH300 的网格分数分别为 46.18%、51.39% 和 58.79%
激光器	深圳市红外激光技术有限公司。	HW650AD100-10BD	激光波长：650 nm
纳米颗粒	Rust-Oleum	274232	NeverWet 多表面排液处理是一种革命性的超疏水涂层。
纳米定位 z 平台	Physik Instrumente	P622。ZCD	行程范围 50 µM 至 250 µm （350 µm 开环）;分辨率达 0.1 nm;线性误差仅为 0.02%
位置敏感探测器	Hamamatsu Photonics K.K.	S1880	二维 PSD 用于将光信号转换为电信号。