该方案旨在研究液滴与空气中超疏水基底之间的相互作用。包括校准测量系统，并测量在具有不同网格分数的超疏水基底上的相互作用力。
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本文内容
摘要
摘要
本文旨在研究液滴与超疏水基底在空气中的相互作用力。设计了一种基于光杠杆法的测量系统，采用毫米级悬臂梁作为该测量系统中的力敏感元件。首先，利用静电力对光杠杆的力灵敏度进行标定，这是测量相互作用力的关键步骤。其次，使用纳米颗粒和铜网制备了三种具有不同网格分数的超疏水基底。最后，利用该系统测量了液滴与不同网格分数的超疏水基底之间的相互作用力。该方法可实现亚微牛顿量级的力测量，分辨率达纳牛顿量级。对液滴与超疏水结构接触过程的深入研究，有助于提升涂层、薄膜和印刷等领域的生产效率。本文设计的力测量系统也可应用于其他微力测量领域。
引言
液滴与超疏水表面的接触在日常生活和工业生产中十分常见：例如水滴从荷叶表面滑落1,2，以及水黾在水面快速移动3,4,5,6。在船舶外表面涂覆超疏水涂层有助于降低船舶腐蚀程度，并减小航行阻力7,8,9,10。研究液滴与超疏水表面之间的接触过程，对工业生产和仿生学研究具有重要意义。
为了观察液滴在固体表面的铺展过程，Biance 使用高速相机拍摄了接触过程，发现惯性阶段的持续时间主要由液滴尺寸决定11。Eddi 从底部和侧面利用高速相机拍摄了液滴与透明板之间的接触过程，全面揭示了黏性液滴接触半径随时间的变化规律12。Paulsen 将电学方法与高速相机观测相结合，从....
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方案
1. SOL 校准系统的组装
- 根据图2所示的示意图组装SOL校准系统。
- 将激光器固定在支架上，使激光器与水平方向的夹角为45°。
- 将PSD固定在另一支架上，使PSD与激光束垂直。将PSD连接至数据采集设备，并将数据采集设备连接至计算机。
注意：这些角度由实验人员通过目测确定，无需精确为45°或90°。 - 将悬臂梁较宽的一端固定在夹持装置上，另一端保持悬空。将夹持装置固定在二维高精度位移平台上。
注意：悬臂梁的尺寸如图3所示。 - 通过夹紧装置将平板电极固定在纳米定位z轴平台上。
注意：纳米定位z轴平台可使电极沿z轴方向移动，位移分辨率为1 nm。 - 将电容电桥的正极与悬臂梁连接，负极与平板电极连接。
- 安装一台高速相机，其视线方向与悬臂梁垂直。
- 调节平板电极的位置，使平板电极与悬臂梁之间的垂直距离约为100 μm，重叠长度约为0.5 mm。
注意：这些距离通过图像处理进行校验。
2. 电容梯度的测量
- 使用计算机控制电容桥，实时采集平板电极与悬臂梁之间的电容变化。将采样率设....
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结果
一次实验中测得的平板电极位移以及悬臂与电极之间的相应电容值如表1所示。电容C与位移z之间的关系通过MATLAB中的polyfit函数拟合为二次多项式，结果如图4所示。拟合函数可得到一阶系数P。P的最终值为0.2799 pF/mm，该值由十次实验结果计算得出的平均值。
一次实验中电源电压及PSD的相应输出电压如表2所示。PSD输出电压Vp与电源电压Vs之间的关系通过线性函数拟合，如图5所示，其中Vp1和Vp2为测量值与Vp0（当Vs=0时PSD输出电压的初始值）之间的差值。SOL可通过
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讨论
在本实验方案中，组装并校准了一种基于光学杠杆方法的测量系统，用于测定液滴与超疏水基底之间的相互作用力。在整个流程中，使用静电力校准 SOL 至关重要。校准实验结果验证了公式（8）：P(1/Vp1-1/Vp2) 与 2(1/Vs12-1/Vs22) 成正比，从而可通过位置敏感探测器（PSD）的输出电压获得待测力的数值。通过测量液滴与不同疏水性能的超疏水基底之间相互作用力的实验发现，随着基底疏水能力的增强，相互作用力逐渐减小，这验证了基底疏水性与表面能之间的关系。
基于毫米级硅悬臂梁的力测量方法是对传统方法的重要补充。与高速相机法相比，光杠杆法能够精确测量纳牛顿量级的力。原子力显微镜（AFM）通常用于测量微米尺度物体之间的相互作用力，而本文设计的系统可用于空气中毫米尺度物体的力测量。该方法可实现亚微牛顿量级的力测量，其分辨率可达纳牛顿量级。
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者感谢天津市自然科学基金（编号：18JCQNJC04800）、摩擦学 国 家 重 点 实 验 室 摩擦学科学基金（编号：SKLTKF17B18）以及国家自然科学基金（资助号：51805367）对本研究的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 相机 | 深圳安盾科技有限公司 | 数字显微镜 A1 | 帧率：30 帧/秒；焦距：5 mm - 30 mm |
| 电容电桥 | Andeen-Hagerling | AH2550A | 电容电桥用于测量悬臂与板电极之间的电容。 |
| 数据采集设备 | 国家仪器公司 | USB-4431 | 数据采集设备用于读取输出电压数据。 |
| 直流电源 | 吉时利 | 2410 | 电压范围：±5 μV；精度：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 多表面液体排斥处理是一种革命性的超疏水涂层。 |
| 纳米定位 Z 轴平台 | Physik Instrumente | P622.ZCD | 行程范围 50 µm 至 250 µm（开环 350 µm）；分辨率可达 0.1 nm；线性误差仅 0.02% |
| 位置敏感探测器 | 滨松光子学株式会社 | S1880 | 二维位置敏感探测器（PSD）用于将光信号转换为电信号。 |
参考文献
- Guo, Z., Liu, W. Biomimic from the superhydrophobic plant leaves in nature: Binary structure and unitary structure. Plant Science. 172 (6), 1103-1112 (2007).
- Koch, K., Bhushan, B., Barthlott, W. Diversity of structure, morphology and wetting of plant s....
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