Medición de la fuerza de interacción entre una gota y un sustrato superhidrofóbico mediante el método de palanca óptica

Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la biónica y la mecánica de fluidos, como las estructuras superhidrofóbicas de las hojas de loto y los procesos de carbonescencia de las gotas. La principal ventaja de esta técnica es que una fuerza en la escala de submicro-newtons se puede medir con una resolución de escala de nanonewtons. Este método podría proporcionar información sobre el proceso de contacto de las estructuras de gotas y superhidrofóbicas.

Y también se puede aplicar a otros campos de medición de micro fuerza. Los individuos que nunca han realizado esta técnica lucharán porque la distancia entre las gotas y los sustratos superhidrofóbicos es difícil de controlar con precisión. Prepare el sistema de medición en un banco de laboratorio apropiado.

En el centro del sistema se encuentra el voladizo de silicio, que se suspende sobre una etapa Z de nanoposicionamiento. El voladizo de cinco milímetros de largo se monta al final del soporte. Una cámara de alta velocidad está en su lugar con la línea de visión perpendicular al voladizo.

La etapa Z de nanoposicionamiento tiene un soporte que sostiene un electrodo que en este punto. Por último, un láser y un detector sensible a la posición están dispuestos para medir la desviación en voladizo. Después de medir el gradiente de capacitancia, utilice una fuente de alimentación de CC controlada por computadora para calibrar la palanca óptica.

Este esquema proporciona una visión general de la configuración para la calibración. Un electrodo de placa está en la etapa Z de nanoposicionamiento. Es 100 micrómetros por debajo del voladizo con una longitud de superposición de medio milímetro.

El voladizo y el electrodo forman un condensador, con el tirón positivo de la fuente de alimentación de CC conectado con el voladizo y el tirón negativo con el electrodo de placa. A continuación, ajuste las posiciones relativas del láser, el detector sensible a la posición y el voladizo. Arrétrelos para que el rayo láser se refleje en el voladizo del detector.

En el ordenador, establezca la velocidad de adquisición de datos de la tensión de salida del detector en un kilohercio. En el software de control de la fuente de alimentación de CC, ajuste la tensión de inicio a cero voltios. Ajuste la tensión final a 125 voltios.

Tener el aumento de voltaje en incrementos de 25 voltios. Mantenga cada valor de voltaje durante cinco segundos. Como la tensión es variada, monitoree la salida de voltaje del detector sensible a la posición.

Después de esta secuencia de mediciones, realice una secuencia análoga comenzando con la tensión a 125 voltios y disminuyendo a cero voltios en incrementos de 25 voltios. Utilice los datos de cinco mediciones completas para crear una gráfica en la que la pendiente sea la constante de proporcionalidad entre la fuerza de interacción y la tensión de salida del detector sensible a la posición. Para prepararse para las mediciones, desconecte la fuente de alimentación de CC de la placa y el voladizo.

A continuación, trabaje con la etapa Z de nanoposicionamiento. Identifique el electrodo en el soporte de la placa y retire ambos desenroscando el soporte del escenario. En su lugar, atornille un nuevo soporte de placa a la etapa z antes de continuar.

Asegúrese de que la línea de visión de la cámara de alta velocidad sea perpendicular al voladizo. A continuación, obtener una estructura superhidrofóbica para el soporte de la placa. Utilice la estructura con un ángulo de contacto de casi 180 grados para suspender la gota de agua del voladizo.

Para el experimento, coloque esta estructura en el soporte de la placa en el escenario Z. Con una pipeta micro, coloque una gota de agua de dos microlitros en la estructura superhidrofóbica. Ahora comience a trabajar con el software de la etapa de nanoposicionamiento.

En este software, vaya al cuadro de diálogo de velocidad y establezca la velocidad en 10 micrómetros por segundo. Haga clic en el botón de avance para iniciar el movimiento de la gota hacia arriba. Haga clic en Stop cuando la gota entre en contacto con el extremo libre del voladizo.

Después de uno o dos segundos, mueva manualmente la etapa Z lejos del voladizo. Una gota hemisférica de agua debe permanecer suspendida de la superficie inferior del voladizo. Para continuar, retire la estructura superhidrofóbica del soporte de la placa y obtenga un sustrato superhidrofóbico para reemplazarlo.

Este sustrato consiste en un grano de cobre con pulverización sobre nanopartículas. El sustrato está pegado a un cilindro. Este sustrato tiene una fracción de rejilla del 46,18% Colocar el sustrato en el soporte de la placa.

Ajuste la posición del sustrato superhidrofóbico para que esté a 100 micrómetros de la gota hemisférica en el voladizo. Con el detector, el láser y la cámara encendidos, vuelva a trabajar con el software de control de nanoposicionamiento. En el cuadro de diálogo de velocidad, establezca la velocidad en 10 micrómetros por segundo.

Haga clic en el botón de avance para iniciar el movimiento del sustrato hacia arriba. Haga clic en Detener cuando el sustrato y la gota hagan contacto. Haga clic en el botón Atrás para mover el sustrato superhidrofóbico hacia abajo.

Haga clic en el botón de parada cuando el sustrato y la gota estén separados. Hay diferentes escenarios representados en estas tramas de Interaction Force versos Tiempo. Primer enfoque en los datos en la curva negra que es para el sustrato con fracción de rejilla 46.18%Inicialmente, el sustrato y la gota están lejos del contacto.

En este punto, la fuerza es cero. A medida que disminuye la distancia entre el sustrato y la gota, surge una fuerza repulsiva. Esto se refleja en el aumento de la fuerza.

Una vez que el sustrato y la gota entran en contacto, la fuerza entre los dos se vuelve atractiva, lo que conduce a una disminución en la curva a medida que la gota humede gradualmente el sustrato a través de la acción capilar. Eventualmente, el voladizo oscila alrededor de una posición de equilibrio. Cuando se utilizan otras fracciones de rejilla más altas, la magnitud de la fuerza entre la gota y el sustrato disminuye.

Al intentar este procedimiento, es importante recordar que la posición relevante entre el láser, PSD y el voladizo no se puede cambiar. Lo que puede garantizar la precisión de los resultados de la medición. Después de su desarrollo, esta técnica allana un camino para investigaciones en el campo de la medición de la fuerza de tensión para explorar la fuerza durante las gotas en contacto con el sustrato en el aire.