Análisis de alto rendimiento de los impactos de gotas líquidas

Los impactos de caída de líquido en superficies son de gran interés tanto para la comprensión de los fenómenos fundamentales¹ como para los procesos industriales^2. Los impactos de caída según se han estudiado durante más de 100 años^3,pero aún no se han investigado completamente muchos aspectos. La fotografía de alta velocidad se utiliza casi universalmente para estudios de impactos de caída⁴ porque proporciona datos ricos y accesibles que permiten realizar mediciones analíticas con una buena resolución de tiempo. Los resultados de un impacto de caída en una superficie sólida^5,6,7 van desde la simple deposición hasta salpicaduras⁸. Los impactos en superficies superhidrofóbicas se estudian a menudo ya que pueden generar resultados particularmente interesantes, incluyendo el rebote de caída^9,10,11,12. El protocolo descrito aquí fue desarrollado para estudiar los impactos de las gotas de agua en las superficies de polímeros con patrones de microescala, y en particular la influencia del patrón en los resultados de impacto de caída^13,14.

El resultado de un experimento de impacto de caída puede verse afectado por una amplia gama de variables posibles. El tamaño y la velocidad de la gota pueden variar, junto con las propiedades del fluido, como la densidad, la tensión superficial y la viscosidad. La gota puede ser newtoniana¹⁵ o no newtoniana¹⁶. Se ha estudiado una gran variedad desuperficies de impacto, incluyendo líquido^7,17,sólido^18,y elástico¹⁹ superficies. Varias configuraciones experimentales posibles fueron descritas previamente por Rein et al.¹⁷. La gota puede tomar diferentes formas. Puede oscilar, girar o impactar en un ángulo con respecto a la superficie. La textura de la superficie y factores ambientales como la temperatura pueden variar. Todos estos parámetros hacen que el campo de impactos de gotas sea extremadamente amplio.

Debido a esta amplia gama de variables, los estudios de fenómenos dinámicos de humectación líquida a menudo se limitan a centrarse en temas relativamente específicos o estrechos. Muchas de estas investigaciones utilizan un número moderado de experimentos (por ejemplo, 50-200 puntos de datos) obtenidos de vídeos de alta velocidad procesados manualmente^10,20,21,22. La amplitud de estos estudios está limitada por la cantidad de datos que puede obtener el investigador en un período de tiempo razonable. El procesamiento manual de vídeos requiere que el usuario realice tareas repetitivas, como medir el diámetro de las gotas impactantes, a menudo logradas con el uso de software de análisis de imágenes (Fiji²³ y Tracker²⁴ son opciones populares). La medida más utilizada para caracterizar los impactos de caída es el diámetro de una caída de esparcimiento^25,26,27,28.

Debido a las mejoras en el procesamiento de imágenes, los métodos automáticos asistidos por ordenador están empezando a mejorar la eficiencia de la recopilación de datos. Por ejemplo, ahora están disponibles algoritmos de análisis de imágenes para la medición automática del ángulo de contacto²⁹ y la tensión superficial mediante el método de caída colgante^30. Se pueden obtener mejoras de eficiencia mucho mayores para la fotografía de alta velocidad de impactos de caídas, que produce películas que consisten en muchas imágenes individuales para el análisis, y de hecho algunos estudios recientes han comenzado a utilizar el análisis automatizado^15,18, aunque el flujo de trabajo experimental no ha cambiado claramente. Otras mejoras en el diseño experimental para experimentos de impacto de caída han surgido de los avances en fuentes de luz LED disponibles comercialmente, que se pueden combinar con cámaras de alta velocidad a través de la técnica de sombras^31,32,33,34.

En este artículo se describe un método estandarizado para la captura y el análisis de películas de impacto de caída. El objetivo principal es permitir una recopilación eficiente de grandes conjuntos de datos, que deberían ser generalmente útiles para la amplia variedad de estudios de impacto de caída descritos anteriormente. Con este método, se puede obtener el contorno digitalizado y resuelto en el tiempo de una caída que afecta para 100 experimentos al día. El análisis calcula automáticamente los parámetros de impacto de gotas (tamaño, velocidad, números de Weber y Reynolds) y el diámetro de dispersión máximo. El protocolo es directamente aplicable para cualquier parámetro básico de gotas (incluyendo líquido, tamaño y velocidad de impacto), material de sustrato o condiciones ambientales. Los estudios que escanean una amplia gama de parámetros experimentales se pueden llevar a cabo en un período de tiempo relativamente corto. El método también fomenta estudios de alta resolución, cubriendo una pequeña gama de variables, con múltiples experimentos repetidos.

Las ventajas de este método las proporciona el experimento estandarizado y una estructura de datos y un flujo de trabajo claros. La configuración experimental produce imágenes con propiedades coherentes (espaciales y de contraste) que se pueden pasar a un código de análisis de imágenes personalizado (incluido como un archivo de codificación suplementario que se ejecuta en MATLAB) para el procesamiento rápido de vídeos grabados inmediatamente después del experimento. La integración del procesamiento y la adquisición de datos es una razón principal para mejorar la velocidad general de la recopilación de datos. Después de una sesión de adquisición de datos, cada vídeo se ha procesado y todos los datos sin procesar relevantes se almacenan para su posterior análisis sin necesidad de volver a procesar el vídeo. Además, el usuario puede inspeccionar visualmente la calidad de cada experimento inmediatamente después de que se lleva a cabo y repetir el experimento si es necesario. Un paso de calibración inicial garantiza que la configuración experimental se pueda reproducir entre diferentes sesiones de laboratorio con buena precisión.

Se supone que para implementar este método el usuario tiene acceso a una cámara de alta velocidad dispuesta para que visualique la superficie desde un punto de vista horizontal (de lado). En la Figura 1se muestra una representación esquemática de esta disposición, incluida la definición de ejes cartesianos. El sistema debe tener la capacidad de posicionar con precisión la cámara y la muestra en tres dimensiones (X, Y y Z). Se implementa un método de sombreado para iluminar la gota y se coloca a lo largo de la trayectoria óptica de la cámara. El sistema debe utilizar un sistema de iluminación LED de corriente directa (DC) de alta calidad (incluyendo una lente de condensador de colisión) que se puede mover en direcciones X y Z para alinear la trayectoria óptica con la cámara. También se supone que el usuario tiene acceso a una bomba de jeringa que puede programar para producir gotas individuales de volumen deseado cuando se conecta a una aguja en particular³⁵. La gota cae bajo gravedad de modo que su velocidad de impacto es controlada por la posición de la aguja por encima de la superficie. Aunque esta configuración es bastante genérica, la Tabla de Materiales enumera equipos específicos utilizados para obtener los resultados representativos, y observa algunas restricciones potenciales impuestas por la elección del equipo.

Figura 1: Representación esquemática de la configuración experimental mínima. Una cámara de alta velocidad se coloca en las gotas de imagen que impactan verticalmente en una muestra de lado a lado. Una fuente de luz LED está alineada con la línea de visión de la cámara para la sombra. Se utiliza una aguja para la producción individual de gotas y se definen ejes cartesianos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La descripción del método se centra en la medición de los bordes de las gotas líquidas a medida que caen e impactan. Las imágenes se obtienen desde el punto de vista lateral comúnmente utilizado. Es posible investigar la propagación de gotas desde vistas laterales y de abajo hacia arriba utilizando dos cámaras de alta velocidad^13,14, pero la vista de abajo hacia arriba no es posible para materiales opacos, y una vista de arriba hacia abajo produce complicaciones de alineación. El flujo de trabajo básico podría utilizarse para mejorar la investigación de cualquier objeto pequeño (de 2 a 3 mm de diámetro) que afecte a las superficies, y podría utilizarse para objetos más grandes o más pequeños con cambios menores adicionales. Las mejoras y alternativas a la configuración experimental y al método se consideran más adelante en la sección de discusión.

1. Configuración de la cámara de alta velocidad

1. Establezca el campo de visión fijo (FOV) para la cámara y calcule el factor de conversión de píxel a mm.
   1. Coloque un marcador de alineación (por ejemplo, un marcador de longitud lateral de 4 mm con el código de análisis de imagen proporcionado) en la posición central de la etapa de muestra para que esté frente a la cámara. Ajuste el aumento de la cámara para que el marcador cuadrado se ajuste al FOV. Asegúrese de que el marcador está enfocado y capture una imagen.
      NOTA: El código de análisis de imágenes requiere que una gota con imágenes cubra más del 1% del FOV total, de lo contrario se clasifica como ruido. Del mismo modo, la gota no debe ocupar más del 40% del FOV, de lo contrario se identifica como un evento de procesamiento de imágenes fallido.
   2. Bloquee el aumento de la lente y asegúrese de que esto permanece inalterado durante un lote de experimentos.
   3. Cargue la interfaz gráfica de usuario (GUI) para el software de análisis de impacto de gotas haciendo clic en el icono dentro de MATLAB.
   4. Ejecute el código de análisis de imagen. En la GUI, haga clic en el botón calibrar cámara y seleccione la imagen obtenida en el paso 1.1.1. Introduzca el tamaño del cuadrado de calibración en mm y haga clic en Aceptar.
   5. Mueva el rectángulo que se muestra en la pantalla hasta que el cuadrado de calibración sea el único objeto dentro de él. Haga clic en Aceptar y el software calculará automáticamente el factor de conversión. Si la calibración automática falla, siga la guía de software para realizar la calibración manual.
2. Alinee el sistema experimental.
   1. Preparar el líquido que se utiliza para la dispensación de gotas individuales.
      1. Coloque el soporte de la aguja alrededor del nivel de los ojos del usuario para facilitar la carga.
      2. Purgue manualmente el tubo para eliminar cualquier líquido empujando el aire a través de una jeringa. Asegúrese de que el tubo no esté retorcido y de que la aguja esté segura y limpia. Fije la aguja y el tubo para que la aguja sea vertical.
         NOTA: Si es necesario, limpie la aguja de acero con etanol en un baño ultrasónico.
      3. Llene la jeringa con el líquido que se está investigando (por ejemplo, agua) y adjúntela a la bomba de jeringa controlada por ordenador. Purgue la aguja con la bomba de jeringa (haga clic y mantenga pulsado el botón de dispensación) hasta que no haya burbujas en el líquido.
      4. Ajuste la bomba de la jeringa de modo que dispensará el volumen necesario para la liberación de una gota individual.
         NOTA: Para los resultados representativos, el diámetro medio de las gotas fue de 2,6 mm utilizando una tasa de dosificación de 0,5 ml/min y un volumen dispensado de 11 ml. La velocidad de bombeo debe ser lo suficientemente lenta para que las gotas se formen y liberen bajo gravedad, y esto se puede ajustar a través de la prueba y el error. El volumen de la gota se puede aproximar como¹⁴
         
         donde D es el diámetro de la aguja,_LG es la tensión de la superficie de gas líquido, y es la densidad de fluido.
   2. Alinee la muestra (por ejemplo, polidimetilsiloxano plano [PDMS]) colocándola debajo de la aguja y dispensando una sola gota con la bomba de la jeringa. Compruebe que el gota aterriza y se extiende en el área de la muestra que es de interés, y si no altera la posición de la muestra según sea necesario.
      NOTA: Si la alineación de las gotas está resultando difícil, compruebe que la aguja esté montada correctamente en el soporte de la aguja verticalmente y no esté doblada. La muestra ahora está alineada con respecto a los ejes X e Y y no se debe mover durante los experimentos.
   3. Alinee y enfoque la cámara.
      1. Dispensar una sola gota en la muestra. Ajuste la posición vertical (Z) del soporte de la muestra hasta que la superficie esté nivelada con el centro del FOV de la cámara.
      2. Ajuste la posición horizontal (X) de la cámara para que la gota de la muestra esté alineada en el centro del FOV. Ajuste las posiciones vertical (Z) y horizontal (X) del LED para que coincidan con la posición de la cámara, de modo que el centro de la luz aparezca en el centro del FOV. Ajuste la distancia (Y) de la cámara desde la gota para que la gota entre en foco.
         NOTA: El sistema ahora está alineado y calibrado. Si el posicionamiento de todos los equipos no cambia, el protocolo se puede pausar y reiniciar sin realinear. La alineación de la muestra en la dirección vertical (Z) debe repetirse para muestras de espesor variable.
   4. Establezca las condiciones de grabación de la cámara.
      1. Establezca la velocidad de fotogramas de la cámara en un valor óptimo para el objeto que se está grabando.
         NOTA: La velocidad de fotogramas óptima de la cámara (fps) se puede predecir utilizando³¹
         
         donde N es la frecuencia de muestreo (número de imágenes capturadas como el objeto cubre la escala de longitud, normalmente 10), V es la velocidad de la gota, y j es la escala de longitud de imagen (por ejemplo, el FOV).
      2. Establezca el tiempo de exposición de la cámara en un valor lo más pequeño posible mientras conserva suficiente iluminación. En esta etapa, ajuste la apertura de la lente al ajuste más pequeño disponible mientras conserva suficiente iluminación.
         NOTA: Una estimación del tiempo mínimo de exposición (t_e) es dada por³¹
         
         donde k es la escala de longitud (por ejemplo, el tamaño de un píxel), PMAG es el aumento principal y V es la velocidad de la gota.
      3. Ajuste el gatillo de la cámara. Utilice un disparador de modo final para que la cámara almacena en búfer la grabación y, a continuación, se detenga en el desencadenador (por ejemplo, un clic del ratón del usuario).
         NOTA: Se puede utilizar un sistema de disparo automático para automatizar este proceso.

2. Realización de experimentos

1. Prepare el sistema de archivos del equipo para un lote de experimentos.
   1. Cree una carpeta para almacenar películas para el lote actual de experimentos. Establezca esta carpeta como la ubicación de guardado para el software de la cámara siguiendo la guía del fabricante de la cámara. Asegúrese de que el formato de archivo para las imágenes capturadas es .tif.
   2. Haga clic en el botón Establecer ruta en la GUI de análisis de imágenes y elija la misma carpeta que en el paso 2.1.1, que indica al software que supervise esta carpeta en busca de nuevos vídeos.
   3. Cree la estructura de carpetas para un lote de experimentos.
      1. Haga clic en el botón Crear carpetas en la GUI de análisis de imágenes e introduzca cuatro valores como se le solicite: 1) la altura mínima de liberación de gotas, 2) la altura máxima de liberación, 3) el paso de altura entre cada experimento y 4) el número de experimentos repetidos en cada altura.
         NOTA: La velocidad del impacto se puede aproximar como V á (2gh)^1/2, donde g es la aceleración debido a la gravedad y h es la altura de liberación de caída.
      2. Haga clic en Aceptar para ejecutar el script Crear carpetas.
         NOTA: Ahora se ha creado un rango de carpetas en el directorio de este experimento. Estas carpetas se denominan "height_xx" donde xx es el alto de la liberación de gotas. En cada una de estas carpetas, las carpetas vacías están listas para almacenar datos para cada experimento de repetición. Repita la sección 2.1 para cada nueva superficie o fluido que se va a estudiar.
2. Prepare la superficie según sea necesario para el experimento. Para el impacto en una superficie seca y sólida, limpie la superficie con un protocolo estándar adecuado y déjela completamente seca.
3. Registre un evento de impacto de gotas.
   1. Coloque la muestra en la etapa de la muestra. Si es necesario, gire la superficie para alinearla con la cámara. Mueva la aguja a la altura de liberación de gotas deseada.
   2. Asegúrese de que la vista de la cámara no esté obstruida y, a continuación, capture y guarde una imagen (que se utilizará más adelante durante el procesamiento de imágenes) utilizando el software de la cámara. Comience la grabación de vídeo para que la cámara esté grabando y almacenando en búfer (es decir, llenando la memoria interna de la cámara).
   3. Dispensar una sola gota en la muestra utilizando la bomba de jeringa (paso 1.2.1.4). Active la grabación para que se detenga una vez que se haya completado el evento de impacto. Retire la superficie del soporte de la muestra y séquela, según corresponda.
4. Prepare el archivo de vídeo para su posterior análisis.
   1. Recorta el video.
      1. Usando el software adecuado (por ejemplo, el software de cámara de alta velocidad), escanee a través del video para encontrar el primer fotograma en el que la gota está completamente dentro del FOV. Recorte el inicio del vídeo a este fotograma.
      2. Avance por el número de fotogramas necesarios para capturar los fenómenos de interés durante el experimento de impacto (por ejemplo, 250 fotogramas suelen ser suficientes para los impactos capturados a 10.000 fps). Recorta el final del vídeo a este fotograma.
      3. Guarde el vídeo como un archivo .avi, estableciendo la ruta de guardado en la carpeta correspondiente para el lote experimental actual, la altura de lanzamiento y el número de repetición.
   2. En la GUI de análisis de imágenes, haga clic en el botón Ordenar archivos. Confirme visualmente que la imagen de fondo tomada en el paso 2.3.2 ahora se muestra en la pantalla. Esto encuentra el archivo .avi guardado más reciente y el archivo .tif y los mueve a la misma carpeta, suponiendo que se tomaron al mismo tiempo.
   3. Haga clic en el botón Ejecutar seguimiento para iniciar el procesamiento de imágenes. El vídeo se mostrará con el procesamiento de imágenes resultante superpuesto. Compruebe cualitativamente que el procesamiento de imágenes funciona correctamente viendo el vídeo.
      NOTA: Al finalizar el procesamiento de imágenes, el código de procesamiento de imágenes mostrará una imagen de la gota al máximo pliego. Si no se calibra correctamente la cámara, se puede realizar un procesamiento de imagen incorrecto. Si es necesario, repita la calibración hasta que el procesamiento de la imagen se realice correctamente.
   4. Repita las secciones 2.3 y 2.4, ajustando la altura de la aguja según sea necesario para llevar a cabo todos los experimentos en este lote.
      NOTA: Cada carpeta experimental ahora contendrá una serie de archivos .mat. Estos archivos contienen los datos extraídos por el software de procesamiento de imágenes y guardados para análisis futuros, incluyendo el contorno de colocación, área, cuadro delimitador y perímetro para cada fotograma.

3. Análisis de datos sin procesar

1. En la GUI de análisis de imágenes, haga clic en el botón Procesar datos para iniciar el cálculo de las variables principales a partir de los datos procesados sin procesar. Si se ejecuta después de la sesión experimental, se pedirá al usuario que seleccione la carpeta que contiene el lote de experimentos que se van a procesar.
2. Introduzca los cuatro valores que se le indiquen: 1) velocidad de fotogramas de grabación (fps), 2) densidad de fluido (kg/m³), 3) tensión de superficie fluida (N/m) y 4) viscosidad del fluido (Pas).
   NOTA: El software tiene una velocidad de fotogramas predeterminada de 9.300 fps y las propiedades fluidas del agua en condiciones ambientales. Los valores introducidos se utilizan para calcular los números de Weber y Reynolds.
3. Guarde los datos en el archivo videofolders.mat y expórtelos como un archivo .csv.
   NOTA: El código cargará el archivo prop_data.mat para un solo experimento, calculará la posición del centro de gotas, encontrará el marco de impacto (definido como el último fotograma antes de que el centro de la gota se desacelere) y el fotograma en el que se maximiza el pliego horizontal de la gota. Los datos de salida guardados serán la velocidad de impacto (utilizando un ajuste polinómico de^1a orden a la posición vertical del centro de gotas en función del tiempo), el diámetro equivalente de la gota (calculado asumiendo la simetría rotacional sobre el eje Z para encontrar el volumen de gotas, luego encontrar el diámetro de una esfera con ese volumen^36),el diámetro de gota en el spread máximo y los números de Impacto weber y Reynolds.

La conversión de distancias medidas de imágenes en píxeles a milímetros se logra con el uso de un cuadrado de referencia conocido. Este cuadrado debe estar despejado en el FOV de la cámara y en el foco(Figura 2A). El enfoque incorrecto del cuadrado de referencia(Figura 2B) producirá un error sistemático en las variables calculadas, por ejemplo, la velocidad. Para reducir el error al calcular el factor de conversión, el cuadrado de referencia debe cubrir la mayor cantidad posible del FOV. La longitud lateral del cuadrado debe ser conocida por una precisión tan alta como sea posible, dado el límite de resolución de la cámara.

El software de identificación de gotas se basa en la superficie de la muestra que se presenta horizontalmente a la cámara, como se muestra en la Figura 2C. Las superficies dobladas o mal resueltas(Figura 2D) producirán errores de procesamiento de imágenes. El software se puede utilizar para analizar gotas que afectan a superficies planas que no son horizontales, siempre y cuando el borde de la superficie produzca un contraste agudo contra el fondo.

Para asegurarse de que el software rastrea todo el pliego de gotas, la gota debe aterrizar en el centro de la muestra(Figura 2E). Si el sistema está alineado incorrectamente, la gota puede desviarse de la posición central y estará desenfocada(Figura 2F). Si la gota está desenfocada, el tamaño calculado será incorrecto. Este efecto es a menudo causado por una mala alineación del sistema utilizado para mover la aguja verticalmente lejos de la superficie, lo que producirá una deriva en la ubicación del impacto en función de la altura. Se sugiere que el usuario implemente un sistema de placa de pan óptico (o similar) para garantizar la alineación paralela y perpendicular.

Para garantizar que los bordes de imagen de la gota impactante aparezcan nítidos, se sugiere que se debe utilizar el menor tiempo de exposición posible con la fuente de luz disponible(Figura 2G). La alineación incorrecta de la trayectoria de iluminación en relación con la cámara a menudo conduce a un ajuste de otros ajustes, como la apertura de la cámara y el tiempo de exposición. Esto produce un borde difuso a la gota viajeana (Figura 2H)

Figura 2: Problemas comunes con la calibración incorrecta del sistema. (A) Cuadrado de calibración correctamente alineado y enfocado. (B) Cuadrado de calibración fuera de foco, produciendo un factor de calibración incorrecto. (C) La superficie de la muestra es horizontal y proporciona un alto contraste entre la superficie de la muestra y el fondo. (D) La muestra está en un ángulo con respecto a la cámara, produciendo una superficie reflectante. (E) Gota aterriza en el centro de la muestra en el plano de enfoque. (F) Gota aterriza fuera del centro y no está en foco debido a la amplia apertura utilizada. (G) Se realiza una imagen con bordes afilados debido a un corto tiempo de exposición (10 s). (H) La iluminación subóptima y un tiempo de exposición más largo (99 s) producen desenfoque de movimiento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La iluminación y alineación incorrectas de la muestra pueden producir deslumbramiento y sombras en las imágenes grabadas. A menudo producen artefactos en las etapas de procesamiento de imágenes, lo que puede reducir el número de puntos de datos de buena calidad recopilados. El deslumbramiento es común para fluidos transparentes si la trayectoria de iluminación no está alineada horizontalmente. El software debe ser capaz de rastrear todo el contorno de la gota en las imágenes de vídeo(Figura 3A). Si no se completa el seguimiento, los valores medidos, como la longitud de la gota de propagación, serán incorrectos(Figura 3B).

Figura 3: Longitud de una gota que afecta en función del número de fotograma de vídeo (fotograma de impacto 0). Cada punto de datos azul corresponde a las imágenes de inserción. (A) La iluminación correcta permite que el software trace todo el contorno de la gota (línea amarilla). Los puntos de contacto (cruces verdes) se identifican correctamente, y la longitud registrada de la gota de dispersión es una función suave del número de fotograma. (B) La iluminación deficiente produce deslumbramiento en el líquido y el borde izquierdo de la gota no se traza correctamente. La longitud registrada de la gota de propagación demuestra imprecisiones en los datos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Archivo de codificación suplementario. Haga clic aquí para descargar este archivo.

Los autores no tienen nada que revelar.