Messung der Wechselwirkungskraft zwischen einem Tröpfchen und einem superhydrophoben Substrat durch die Optische Hebelmethode

Diese Methode kann helfen, wichtige Fragen auf dem Gebiet der Bionik und Strömungsmechanik zu beantworten, wie superhydrophobe Strukturen von Lotusblättern und die Tröpfchenkoaleszenzprozesse. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass eine Kraft auf der Skala von Sub-Mikronewtons mit einer Auflösung von Nanonewtongemessen werden kann. Diese Methode könnte Einen Einblick in den Kontaktprozess von Tröpfchen und superhydrophoben Strukturen geben.

Und es kann auch auf andere Bereiche der Mikrokraftmessung angewendet werden. Personen, die diese Technik noch nie durchgeführt haben, werden Schwierigkeiten haben, weil der Abstand zwischen Tröpfchen und den superhydrophoben Substraten schwer genau zu kontrollieren ist. Bereiten Sie das Messsystem auf einer geeigneten Laborbank vor.

In der Mitte des Systems befindet sich der Siliziumausleger, der über einer nanopositionierenden Z-Stufe aufgehängt wird. Der fünf Millimeter lange Ausleger ist am Ende des Halters montiert. Eine Hochgeschwindigkeitskamera ist mit der Sichtlinie senkrecht zum Ausleger.

Die nanopositionierte Z-Stufe hat eine Stütze, die eine Elektrode hält, die an dieser Stelle. Schließlich sind ein Laser und ein positionsempfindlicher Detektor angeordnet, um die Auslegerverformung zu messen. Nach der Messung des Kapazitätsgradienten verwenden Sie ein computergesteuertes DC-Netzteil, um den optischen Hebel zu kalibrieren.

Dieser Schaltplan bietet und übersichtt die Einstellungen für die Kalibrierung. Eine Plattenelektrode befindet sich auf der Nanopositionierungs-Z-Stufe. Er liegt 100 Mikrometer unter dem Ausleger mit einer Überlappungslänge von einem halben Millimeter.

Der Ausleger und die Elektrode bilden einen Kondensator, wobei der positive Zug des Gleichstromnetzteils mit dem Ausleger und der negative Zug mit der Plattenelektrode verbunden ist. Passen Sie als Nächstes die relativen Positionen des Lasers, des positionsempfindlichen Detektors und des Auslegers an. Ordnen Sie sie so an, dass der Laserstrahl vom Ausleger zum Detektor reflektiert wird.

Stellen Sie am Computer die Erfassungsrate der Detektorausgangsspannung auf einen Kilohertz ein. Stellen Sie in der DC-Netzteilsteuerungssoftware die Startspannung auf Null Volt ein. Stellen Sie die Endspannung auf 125 Volt ein.

Lassen Sie die Spannung in 25-Volt-Schritten erhöhen. Halten Sie jeden Spannungswert fünf Sekunden lang. Überwachen Sie bei abwechslungsreicher Spannung den Spannungsausgang des positionsempfindlichen Detektors.

Führen Sie nach dieser Messsequenz eine analoge Sequenz aus, die mit der Spannung bei 125 Volt beginnt und in Schritten von 25 Volt auf Null Volt abnimmt. Verwenden Sie die Daten aus fünf vollständigen Messungen, um ein Diagramm zu erstellen, in dem die Steigung die Konstante der Proportionalität zwischen der Wechselwirkungskraft und der positionsempfindlichen Detektorausgangsspannung ist. Um sich auf die Messungen vorzubereiten, trennen Sie das Gleichstromnetzteil von der Platte und dem Ausleger.

Arbeiten Sie als Nächstes mit der NanopositionierungZ-Stufe. Identifizieren Sie die Elektrode auf ihrer Plattenstütze und entfernen Sie beides, indem Sie die Stütze von der Bühne abschrauben. An ihrer Stelle, schrauben Sie eine neue Plattenstütze auf die z-Bühne, bevor Sie fortfahren.

Stellen Sie sicher, dass die Sichtlinie der Hochgeschwindigkeitskamera senkrecht zum Ausleger ist. Als nächstes erhalten Sie eine superhydrophobe Struktur für die Plattenstütze. Verwenden Sie die Struktur mit einem Kontaktwinkel von fast 180 Grad, um das Wassertröpfchen aus dem Ausleger aufzuhängen.

Für das Experiment diese Struktur an der Plattenstütze auf der Z-Bühne anbringen. Mit einer Mikropipette legen Sie ein zwei Mikroliter Tropfen Wasser auf die superhydrophobe Struktur. Beginnen Sie nun mit der Nanopositionierungs-Bühnensoftware.

Gehen Sie in dieser Software in die Geschwindigkeitsdialogbox und stellen Sie die Geschwindigkeit auf 10 Mikrometer pro Sekunde ein. Klicken Sie auf die Vorwärtsschaltfläche, um das Tröpfchen nach oben zu starten. Klicken Sie auf Stopp, wenn das Tröpfchen das freie Ende des Auslegers kontaktiert.

Nach ein oder zwei Sekunden bewegen Sie die Z-Bühne manuell vom Ausleger weg. Ein halbkugelförmiges Wassertropfen sollte von der unteren Oberfläche des Auslegers aufgehängt bleiben. Um fortzufahren, entfernen Sie die superhydrophobe Struktur aus der Plattenstütze und erhalten Sie ein superhydrophobes Substrat, um es zu ersetzen.

Dieses Substrat besteht aus einem Kupferkorn mit auf Nanopartikeln gesprühten. Das Substrat wird auf einen Zylinder geklebt. Dieses Substrat hat einen Rasteranteil von 46,18%Platzieren Sie das Substrat auf dem Plattenträger.

Passen Sie die Position des superhydrophoben Substrats so an, dass es 100 Mikrometer vom hämischen Tröpfchen auf dem Ausleger entfernt ist. Mit dem Detektor, Laser und Kamera auf, kehren Sie mit der Nanopositionierung Sättregelsoftware zu arbeiten. Legen Sie in der Geschwindigkeitsdialogbox die Geschwindigkeit auf 10 Mikrometer pro Sekunde fest.

Klicken Sie auf die Vorwärtsschaltfläche, um das Substrat nach oben zu bewegen. Klicken Sie auf Stopp, wenn das Substrat und das Tröpfchen Inkontakt treten. Klicken Sie auf die Zurück-Taste, um das superhydrophobe Substrat nach unten zu bewegen.

Klicken Sie auf die Stopp-Taste, wenn das Substrat und das Tröpfchen getrennt sind. Es gibt verschiedene Szenarien, die in diesen Plots der Interaction Force Verse Zeit dargestellt werden. Erster Fokus auf die Daten in der schwarzen Kurve, die für das Substrat mit Rasteranteil 46,18% ist Zunächst sind das Substrat und das Tröpfchen weit von Kontakt.

An diesem Punkt ist die Kraft Null. Wenn der Abstand zwischen Demsubstrat und dem Tröpfchen abnimmt, entsteht eine abstoßende Kraft. Dies spiegelt sich in der Zunahme der Kraft wider.

Sobald das Substrat und das Tröpfchen in Kontakt kommen, wird die Kraft zwischen den beiden attraktiv, was zu einer Abnahme der Kurve führt, da das Tröpfchen das Substrat allmählich durch Kapillarwirkung befeuchten. Schließlich oszilliert der Ausleger um eine Gleichgewichtsposition. Wenn andere höhere Gitterfraktionen verwendet werden, nimmt die Stärke der Kraft zwischen dem Tröpfchen und dem Substrat ab.

Beim Versuch dieses Verfahrens ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass die relevante Position zwischen Laser, PSD und dem Ausleger nicht geändert werden kann. Das kann die Genauigkeit der Messergebnisse gewährleisten. Nach der Entwicklung ebnet diese Technik einen Weg für Forschungen auf dem Gebiet der Spannungskraftmessung, um die Kraft bei Tröpfchen bei Kontakt mit Substrat in der Luft zu erforschen.