Summary
הפרוטוקול נועד לחקור את האינטראקציה בין טיפות ומצעים סופר הידרופובי באוויר. זה כולל כיול מערכת המדידה ומדידת כוח האינטראקציה על מצעים סופר הידרופובי עם שברים ברשת שונים.
Abstract
המטרה של המאמר הזה היא לחקור את כוח האינטראקציה בין טיפות ומצעים סופר הידרופובי באוויר. מערכת מדידה המבוססת על שיטת מנוף אופטי מעוצבת. שלוחה מילימטרית משמשת כמרכיב רגיש לכוח במערכת המדידה. ראשית, רגישות הכוח של הידית האופטית מכוילים באמצעות כוח אלקטרוסטטי, שהוא השלב הקריטי במדידת כוח האינטראקציה. שנית, שלושה מצעים סופר הידרופובי עם שברים ברשת שונים מוכנים עם ננו חלקיקים ורשתות נחושת. לבסוף, האינטראקציה כוחות בין טיפות ומצעים סופר הידרופובי עם שברים ברשת שונים נמדדים על ידי המערכת. שיטה זו ניתן להשתמש כדי למדוד את הכוח בקנה מידה של תת מיקרואוקטון עם רזולוציה בקנה מידה של nanonewton. לימוד מעמיק של תהליך המגע של טיפות ומבני סופר הידרופובי יכולים לעזור לשפר את יעילות הייצור בציפוי, הסרט וההדפסה. ניתן להשתמש במערכת המדידה של הכוח המעוצב בנייר זה גם בתחומים אחרים של מדידת מיקרופורס.
Introduction
המגע בין droplet לבין משטח סופר-הידרופובי נפוץ מאוד בחיי היומיום והייצור התעשייתי: טיפות מים הזזה ממשטח של עלה לוטוס1,2, ומעבר המים נע במהירות על פני המים3 ,4,5,6. ציפוי סופר הידרופובי על פני השטח החיצוני של הספינה יכול לעזור להפחית את הרמה קורוזיה של הספינה ולהפחית את ההתנגדות של הניווט7,8,9,10. יש תמורה מצוינת לייצור תעשייתי ולחקר הביניקס בלימוד תהליך המגע בין droplet לבין משטח סופר-הידרופובי.
כדי להתבונן בתהליך התפשטות של טיפות על משטח מוצק, Biance השתמשו במצלמה במהירות גבוהה כדי לצלם את תהליך המגע ומצא כי המשך של המשטר האינרציה נקבע בעיקר על ידי גודל הירידה11. אדינגטון צילם את תהליך המגע בין ה-droplet לבין הצלחת השקופה מלמטה ומהצד באמצעות מצלמה במהירות גבוהה, שחשפה באופן מקיף את הווריאציה של רדיוס המגע של ה-droplet הצמיגי עם הזמן12. פאולסן בשילוב שיטה חשמלית עם תצפית במהירות גבוהה מצלמה, ובכך לצמצם את זמן התגובה ל 10 ns13,14.
מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) שימש גם כדי למדוד את כוח האינטראקציה בין droplet/בועה ומשטחים מוצקים. ואלסקי השתמשו בזיז afm כדי למדוד את כוחות האינטראקציה בין שתי בועות קטנות (כ 80-140 μm) בתמיסה מימית במהלך התנגשויות מבוקרת על הסקאלה של מיקרומטר כדי ננומטר15. שי השתמש בשילוב של AFM והשתקפות הפרעות חדות מיקרוסקופ (RICM) כדי למדוד בו את כוח האינטראקציה ואת האבולוציה הטמפורלית של הסרט מים דקים בין בועת אוויר משטחי נציץ של הידרופוטניטי שונים 16,17.
עם זאת, מאז התלויה מסחרי המשמש AFM הם קטנים מדי, ספוט לייזר הקרינה על הזיז יהיה שקוע על ידי טיפות או בועות. AFM יש קשיים במדידת כוח האינטראקציה בין טיפות טיפות/מצעים באוויר.
במאמר זה, מערכת המדידה המבוססת על שיטת מנוף אופטי נועד למדוד את כוח האינטראקציה בין טיפות ומצעים סופר הידרופובי. רגישות הכוח של המנוף האופטי (SOL) מכויל על ידי כוח אלקטרוסטטי18, ואז כוחות האינטראקציה בין טיפות ומצעים שונים סופר הידרופובי נמדדים על ידי מערכת המדידה.
התרשים הסכמטי של מערכת המדידה מוצג באיור 1. הלייזר ומיקום הגלאי הרגיש (PSD) מהווים את מערכת המנוף האופטי. שלוחה של סיליקון מילימטרית משמשת כמרכיב רגיש במערכת. המצע מתוקן על הבמה הנאנפאות, שיכולה לנוע בכיוון אנכי. כאשר המצע מתקרב ל-droplet, כוח האינטראקציה גורם לזיז להתכופף. כך, את המיקום של נקודת הלייזר על PSD ישתנה, ואת מתח הפלט של PSD ישתנה. מתח הפלט של PSD Vp פרופורציונלי לכוח האינטראקציה Fi, כפי שמוצג Eq. (1).
1
כדי להשיג את כוח האינטראקציה, יש לכייל את SOL תחילה. הכוח האלקטרוסטטי משמש ככוח סטנדרטי בכיול של SOL. כפי שמוצג באיור 2, הזיז והאלקטרודה מייצרים מקבל צלחת מקבילה, דבר העלול ליצור כוח אלקטרוסטטי בכיוון אנכי. ה- F הכוח האלקטרוסטטי נקבע על ידי מתח של ספק כוח DC Vs, כפי שמוצג Eq. (2)19,20,21.
2
כאשר C הוא הקיבוליות של קבל את הצלחת המקבילה, z הוא עקירה של סוף ללא זיז, ו dC/dz נקרא מעבר קיבול. הקיבוליות יכולה להיות נמדדת על ידי גשר הקיבוליות. היחסים המתמטיים בין C ו- z יכולים להיות מצוידים בפולינום ריבועי, כפי שניתן לראות ב Eq. (3).
3
כאשר Q, P ו-CT הם המקדמים של המונח הריבועי, המונח העיקרי והמונח הקבוע בהתאמה. לפיכך, הכוח האלקטרוסטטי של F יכול להתבטא כ Eq. (4).
4
כיוון שאזור החפיפה של שתי צלחות של הקבל הוא קטן מאוד, הכוח האלסטי שפעל על הזיז יכול להתבטא כ Eq. (5), לפי חוק ההוק:
(5)
כאשר k הוא הקשיות של הזיז.
כאשר הכוח האלסטי והכוח האלקטרוסטטי מוחלים על הזיז שווים (כלומר, fi = f), הזיז נמצא בשיווי משקל. Eq. (6) יכול להיות נגזר של Eqs. (1), (2) ו-(5):
6
כדי להקטין את אי-הוודאות של תוצאות כיול, שיטת ההפרש משמשת לחישוב SOL. התוצאות של שני ניסויים נלקחים כמו Vs1, vP1 ו-vs2, vp2, ו הם הוחלף Eq. (6):
7
שינוי המשוואות והפחתת המשוואה התחתונה מהמשוואה העליונה ב Eq. (7), הפרמטרים Q ו- k מסולקים. אז נוסחת הכיול של SOL מתקבלת, כפי שמוצג Eq. (8):
8
ביצוע סדרה של ניסויים, העקומה מצויר עם P (1/vp1-1/vp2) כמו מתאם ו 2 (1/vs12-1/vs22) כמו abscissa. השיפוע של העקומה הוא SOL.
לאחר קבלת SOL, האלקטרודה יוחלפו על ידי שונים מצעים סופר הידרופובי. כוחות האינטראקציה בין טיפות ומצעים סופר-הידרופובי יימדדו על ידי המערכת המוצגת באיור 1.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. הרכבת מערכת כיול SOL
- הכנס את מערכת כיול SOL לפי התרשים הסכימטי המוצג באיור 2.
- תקן את הלייזר לתמיכה, מה שהופך את הזווית בין הלייזר לכיוון האופקי להיות 45 °.
- לתקן את PSD לתמיכה אחרת, מה שהופך את PSD בניצב ללייזר. חבר את PSD להתקן רכישת הנתונים ואת התקן רכישת הנתונים למחשב.
הערה: זוויות אלה נקבעות על ידי המדידה החזותית של הניסויים ואין צורך להיות בדיוק 45 ° או 90 °. - תקן את הקצה הרחב של הזיז להתקן החזקה בעוד הקצה השני מושעה. תקן את מכשיר ההחזקה לשלב. דו-מימדי בדיוק גבוה
הערה: ממדי הזיז מוצגים באיור 3. - לתקן את הלוחית אלקטרודה לכיוון הננו-שלב על ידי מכשיר ללגוז.
הערה: החלק הנאנפאות יכול להביא את האלקטרודה כדי לנוע לאורך ציר z עם רזולוציית עקירה של 1 ננומטר. - חבר את הקוטב החיובי של הגשר הקיבולי עם הזיז ואת המוט השלילי עם האלקטרודה הלוחית.
- התקן מצלמה במהירות גבוהה, שקו הראייה שלו ניצב על הזיז.
- להתאים את המיקום של האלקטרודה לוחית, מה שהופך את המרחק האנכי בין אלקטרודה הצלחת ואת הזיז להיות על 100 μm, ואת אורך החפיפה על 0.5 מ"מ.
הערה: מרחקים אלה נבדקים בעיבוד תמונה.
2. מדידה של שיפוע הקיבוליות
- השתמש במחשב כדי לשלוט על גשר קיבוליות כדי לאסוף את שינויי קיבוליות בין האלקטרודה לוחית ואת הזיז בזמן אמת. הגדר את קצב הדגימה ל-0.5 Hz.
- הפיקוח על הננו-שלב באמצעות המחשב כדי לנהוג אלקטרודה הצלחת לצעוד כלפי מעלה עם צעד של 10 יקרומטר ומספר שלב של 6 ולהישאר 10 s אחרי כל תנועה.
- לשנות את כיוון התנועה של הלוח אלקטרודה למטה, וחזור על שלב 2.2.
- לקבוע את הקשר בין הקיבוליות לבין עקירה של האלקטרודה בתוצאת המדידה, ולקבל את הערך של P לפי Eq (3).
- חזור על שלבים 2.1 – 2.4 5x ולחשב את הערך הממוצע של P.
3. כיול המנוף האופטי
- נתק את החיבור בין הגשר הקיבולי לבין האלקטרודות ללוח.
- חבר את הקוטב החיובי של ספק כוח DC עם הזיז ואת המוט השלילי עם האלקטרודה לוחית.
- להתאים את המיקום היחסי בין לייזר, PSD ו-זיז כדי להפוך את הלייזר משתקף על PSD על ידי זיז.
הערה: נקודת הלייזר היא מעגל בקוטר של 2 מ"מ. - שלוט בספק הכוח הDC באמצעות מחשב כדי להחיל מתח משתנה עם הזמן בקבל הלוח המקביל. באותו זמן, לאסוף את מתח הפלט של PSD בזמן אמת על ידי התקן רכישת נתונים.
- הגדר את קצב הדגימה של התקן רכישת הנתונים ל-1,000 Hz.
- הגדר את המתח הראשוני של ספק הזרם הישר ל-0 V והחזק את ה-5.
- להגדיל את המתח על ידי 25 V ולהחזיק עבור 5 s.
- חזור על השלב 3.4.3 4x עד המתח עולה 125 V.
- הנמך את המתח ב -25 וולט. והחזק את ה -5
- חזור על השלב 3.4.5 4x עד שהמתח יורד ל-0 V.
- לקבוע את הקשר על מתח הפלט של PSD ואת מתח האספקה DC בתוצאת המדידה, ולקבל את הערך של SOL לפי Eq.
- חזור על שלבים 3.4-3.5 5x וחשב את הערך הממוצע של SOL.
4. הכנת מצעים סופר-הידרופובי
- הכן שלוש רשתות נחושת מעגליות עם קוטר זהה של 3 מ"מ ושברים ברשת שונים. שברי הרשת שלהם הם 46.18%, 51.39% ו 58.79% בהתאמה.
הערה: רשתות נחושת אלה הן מוצרים מסחריים שנרכשו. - לרסס חלקיקים על שלוש רשתות נחושת כדי להשיג מצעים סופר הידרופובי עם מיקרו מבנה ו hydrophobicity.
- רסס את מעיל הבסיס. על רשת הנחושת
- רסס את המעיל העליון על רשת הנחושת כאשר המעיל הראשון יבש.
הערה: חלקיקי חלקיקים ארוזים בתוך יכול עם הראש תרסיס. חלקיקי חלקיקים יירוססו על ידי לחיצה על הראש תרסיס בעת שימוש.
- הדבק את רשתות הנחושת בצד של צילינדרים עם קוטר של 3 מ"מ כדי להשיג מבנה סופר הידרופובי משטח עם עקמומיות של 1/3 מ"מ-1.
5. מדידת כוח האינטראקציה בין טיפות ומצעים סופר-הידרופובי
- נתק את החיבור בין ספק הזרם הישר לבין האלקטרודות ללוח הזיז. הסירו את האלקטרודות. משלב הנאנפאות
- לתקן את הצלחת התמיכה של השלב הננו.
- התקן מצלמה במהירות גבוהה, שקו הראייה שלו ניצב על הזיז.
- השהה droplet על פני השטח התחתון של הקצה החופשי של הזיז.
- מניחים מבנה סופר-הידרופובי עם זווית מגע של כמעט 180 ° על תמיכה לוחית.
- מניחים 2 μL droplet על מבנה סופר-הידרופובי באמצעות מיקרופיפיטין.
- הפיקוח על הננו-שלב z באמצעות תוכנה (למשל, PIMikroMove) כדי לכונן את ה-droplet כדי לנוע כלפי מעלה.
- בתיבת הדו, הגדר את המהירות ל-10 μm/s.
- לחץ על לחצן קדימה ו-droplet מתחיל לנוע כלפי מעלה.
- לחץ על לחצן עצור כאשר ה-droplet מקשר עם הקצה החופשי של הזיז.
- הישאר עבור 1 או 2, ולאחר מכן שלוט בשלב הנאנפאות כדי להסיע את המבנה סופר הידרופובי מן הזיז.
הערה: כיוון שזיז הסיליקון הוא הידרופיפילית, ה-droplet מושעה על פני השטח התחתון של הקצה החופשי של הזיז, ויוצרים את ה-droplet הכדורית בקוטר של כ-0.5 מ"מ. - הסר את מבנה סופר-הידרופובי עם זווית מגע של כמעט 180 ° מתוך תמיכה צלחת.
- מניחים את המצע סופר-הידרופובי עם חלק ברשת של 46.18% על התמיכה בצלחת.
- להתאים את המיקום של התמיכה צלחת, עושה את המרחק האנכי בין המצע סופר הידרופובי ואת ה-droplet הכדורית להיות על 100 μm.
הערה: המרחק נבדק על-ידי עיבוד תמונה. - הפעל את מצלמת PSD, לייזר ומהירות גבוהה.
- לשלוט על התקן רכישת נתונים על ידי המחשב כדי לאסוף את מתח הפלט של PSD בזמן אמת. הגדר את קצב הדגימה ל-100 kHz.
- הגדר את המהירות 10 μm/s בתוכנה, ולאחר מכן לחץ על כפתור קדימה , כך המצע סופר הידרופובי נע בהדרגה קרוב ל-droplet.
- לחץ על לחצן עצור כאשר המצע סופר הידרופובי ואיש הקשר droplet.
- הגדר את המהירות 10 μm/s בתוכנה, ולאחר מכן לחץ על לחצן החזרה כדי לנהוג במצע סופר הידרופובי כדי לנוע כלפי מטה.
- לחץ על לחצן עצור כאשר המצע סופר-הידרופובי מופרד מ-droplet.
- צייר את עקומת מתח הפלט של PSD שונים עם הזמן.
- חזור על שלבים 5.4 – 5.13 באמצעות מצעים סופר הידרופובי עם שברים ברשת של 51.39% ו 58.79%.
- לנתח את היחסים בין כוח האינטראקציה ואת החלק הרשת של מצע סופר הידרופובי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
העקירה של לוחית האלקטרודה והקיבוליות המקבילה בין הזיז לאלקטרודה הנמדדת בניסוי אחד מוצגות בטבלה 1. הקשר בין קיבוליות C ו הזחה z מותאם על ידי פולינום ריבועית באמצעות פונקציה polyfit ב MATLAB, כפי שמוצג באיור 4. ניתן להשיג את מקדם ההזמנה הראשון P באמצעות הפונקציה המתאימה. הערך הסופי של P הוא 0.2799 pF/mm, שהוא הממוצע מחושב מעשר תוצאות ניסיוני.
מתח האספקה ואת מתח הפלט המתאים של PSD בניסוי אחד מוצגים בטבלה 2. הקשר בין מתח הפלט של PSD vp ואת מתח האספקה Vs מצויד פונקציה לינארית, כפי שמוצג באיור 5, שם vp1 ו- vp2 הם ההבדלים בין הערכים נמדד vp0 (הערך ההתחלתי של מתח הפלט של PSD ב Vs= 0). SOL יכול להיות מושגת על ידי השיפוע של עקומת באיור 5. הערך הסופי של SOL הוא 8.847 μn/V, שהוא הממוצע המחושב מ-12 תוצאות נסיוניות.
העקומות של כוחות האינטראקציה נמדד בין טיפות ומצעים סופר הידרופובי שונים עם הזמן מוצגים באיור 6. כוחות האינטראקציה מחושבים על ידי Eq. (1), שם Vp הם ההבדלים בין מתח הפלט נמדד של המתח psd הראשונית פלט של psd.
לפני נקודה A, המצע לא יצר קשר עם ה-droplet, כך שהכוח של האינטראקציה הוא 0. בשלב AB, המרחק בין המצע ל-droplet קטן מאוד. בשל השפעת האווירודינמית, יהיה כוח דוחה בין המצע ל-droplet, המראה עקומת העולה בדמות. Point B הוא הנקודה הקריטית שבה המצע ו-droplet מתחילים ליצור קשר. לאחר נקודה ב', כוח האינטראקציה ביניהם הופך לכוח אטרקטיבי. בשלב לפני הספירה, ה-droplet מרטיב בהדרגה את המצע סופר-הידרופובי תחת פעולת כוח הקפילר. הזיז כופף למטה בשלב זה, והוא מראה עקומה יורדת בדמות. בנקודה C, המערכת מגיעה שוב לשיווי משקל, והזיז מתחיל נדנוד במצב שיווי משקל.
כפי שמוצג באיור 6, כוח האינטראקציה בין ה-droplet לבין המצע פוחת עם הגידול של שבר הרשת. הסיבה לכך היא שמגע בין טיפות ומצעים סופר-הידרופובי הוא תהליך של שחרור אנרגיה. ההידרופוטביטי של המצע הוא בקורלציה חיובית עם שבר הרשת. ככל שההידרופוביק חזק יותר, כך פחות אנרגיה ששוחררה במגע, כך שכוח המגע קטן יותר.
במהלך הניסוי גילינו כי הכוח הדוחה קיים רק בתהליך המגע בין ה-droplet למצע עם חלק מהרשת של 46.18%. עם גידול של hydrophobicity, האנרגיה פני השטח של המצע פוחתת. כאשר הכוח הדוחה לא יכול להגיע לפתרון המערכת, קשה למדוד את הכוח הדוחה.
סדר הגודל של הכוח נמצא במערכת יחסים ישירה עם נפח ה-droplet. ניסוי משלים נערך כדי להמחיש את הקשר בין כוח האינטראקציה לבין נפח ה-droplet. שלוש טיפות של גדלים שונים שימשו בניסוי המגע, כפי שמוצג באיור 7. נפח של droplet (a), (ב), ו (ג) הם 0.0135 μL, 0.0087 μL, ו 0.0073 μL, בהתאמה. בניסוי, נפח של טיפות נמדד על ידי שינוי של מתח הפלט PSD. המתח פלט PSD לפני ואחרי ההשעיה של ה-droplet על ידי הזיז נמדד, ואת Vd ההבדל שלהם מוכפל על ידי SOL כדי לקבל את חומרת droplet. ערך אמצעי האחסון של ה-droplet מומר על-ידי כוח הכבידה. המצע עם חלק של הרשת של 51.39% משמש ניסויים. כוח האינטרקציה הנמדד בין שלוש הטיפות והמצע מוצגים באיור 8. ברור כי כוח האינטראקציה גדל עם הגידול של נפח droplet.
איור 1: מערכת המדידה של כוח האינטראקציה. התרשים הסכמטי של מערכת המדידה המבוססת על שיטת מנוף אופטי למדידת האינטראקציה בין טיפות ומצעים סופר-הידרופובי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: מערכת הכיול של SOL. התרשים הסכמטי של המערכת המיועדת לכיול רגישות הכוח של מנוף אופטי באמצעות כוח אלקטרוסטטי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: מימדי הזיז המילימטרי. תצוגה עליונה ותצוגת העלאת גובה של הזיז המילימטרי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: הקשר בין קיבוליות לעקירה. עקומת ההתאמה הפולינומית הריבועית של הקיבוליות C ו הזחה z בניסוי הכיול. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: הקשר בין מתח הפלט של PSD לבין מתח האספקה. עקומת התאמה לינארית של P (1/v p1-v p2) ו-2 (1/vs12-vs22) על פי Eq. (8). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: תוצאות המדידה של כוח האינטראקציה. כוחות האינטראקציה בין טיפות ומצעים סופר-הידרופובי עם שברי רשת שונים באוויר. צבעים שונים מייצגים שברים ברשת שונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 7: תמונות של שלוש טיפות של אמצעי אחסון שונים המשמשים בניסוי. נפח של טיפות (א), (ב), ו (ג) הם 0.0135 μL, 0.0087 μL, ו 0.0073 μL בהתאמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 8: כוח האינטראקציה בין שלוש טיפות של אמצעי אחסון שונים ומצע. צבעים שונים מייצגים טיפות שונות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
| זמן (ים) | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 |
| הזחה (μm) | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 |
| קיבוליות (pF) | 2.399 | 2.402 | 2.406 | 2.411 | 2.416 | 2.422 | 2.429 |
| זמן (ים) | 70 | 80 | 90 | 100 | 110 | 120 | |
| הזחה (μm) | 50 | 40 | 30 | 20 | 10 | 0 | |
| קיבוליות (pF) | 2.422 | 2.416 | 2.411 | 2.407 | 2.403 | 2.400 |
שולחן 1: תוצאות הכיול של הדרגה הקיבוליות. העקירה של אלקטרודה הצלחת והקיבוליות המקבילה בין הזיז והאלקטרודה בניסוי אחד.
| זמן (ים) | 0 | מיכל 5 | 10 | 15 | 20 | 25 |
| מתח הספקה (V) | 0 | 25 | 50 | 75 | 100 | 125 |
| מתח פלט של PSD (V) | -3.5757 | -3.5656 | -3.5327 | -3.4797 | -3.3775 | -3.1733 |
| זמן (ים) | 30 | 35 | 40 | 45 | 50 | |
| מתח הספקה (V) | 100 | 75 | 50 | 25 | 0 | |
| מתח פלט של PSD (V) | -3.3765 | -3.4786 | -3.5321 | -3.5644 | -3.5755 |
טבלה 2: תוצאות הכיול של SOL. מתח האספקה ואת מתח הפלט המתאים של PSD בניסוי אחד.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
בפרוטוקול זה, מערכת מדידה המבוססת על שיטת מנוף אופטי מורכב ומכויל, אשר נועד למדידת כוח האינטראקציה בין טיפות ומצעים סופר הידרופובי. בין כל השלבים, חשוב לכייל את SOL באמצעות כוח אלקטרוסטטי. תוצאות ניסוי הכיול מאמתים Eq (8): P (1/vp1-1/vp2) פרופורציונלי ל-2 (1/vs12-1/vs22) ומאפשרים להשיג את הערך של ה כוח להיות נמדד דרך מתח הפלט של PSD. באמצעות הניסוי של מדידת כוח האינטראקציה בין טיפות ומצעים סופר הידרופובי של הידרופוטטי שונים, כוח האינטראקציה יורדת עם הגידול של קיבולת הידרופובי, אשר מאמתת את היחסים בין הידרופוביניטי ואנרגיית פני השטח של הסובסטרטים.
שיטת המדידה של הכוח המבוססת על שלוחה סיליקון מילימטרית היא השלמה חשובה לשיטות המסורתיות. לעומת שיטת מצלמה במהירות גבוהה, שיטת המנוף האופטי יכול במדויק למדוד את הכוח על הסולם nanonewton. AFM משמש בדרך כלל כדי למדוד את כוח האינטראקציה בין אובייקטים מיקרון בקנה מידה, בעוד המערכת המעוצבת בנייר זה ניתן להחיל על אובייקטים של מילימטר באוויר. ניתן להשתמש בשיטה זו כדי למדוד את הכוח בקנה מידה של תתי-מיקרוטונים, והחלטתו יכולה להגיע לקנה מידה של nanonewtons.
השיטה המוצעת למדידת כוח אינטרקציה בנייר זה מוגבלת לטווח מדידה קטן. כוח גדול יוביל דפורמציה פלסטיק או אפילו לשבור את זיז הסיליקון, אשר יגרמו לתוצאות שגויות. בנוסף, מכיוון שעיקרון הניסוי הוא למדוד את כוח האינטראקציה בין ה-droplet למצע שמתחת למאזן הכוח האלסטי של הזיז והכוח האינטרקציה, הזיז יכול רק למדוד את הכוח המדומה , אך לא כוח דינאמי.
לימוד מעמיק של תהליך המגע של טיפות ומבני סופר הידרופובי יכולים לעזור לאנשים לשפר את יעילות הייצור בציפוי, הסרט, הדפסה וייצור תעשייתי אחרים. בתור טכניקה מדידה כללית כוח הדבקה, מצעים במערכת ניתן להחליף עם מצעים עשוי חומרים אחרים. לדוגמה, מצע סופר-הידרופובי עם מיקרו-שלב רב-מבנים אשר עשוי PDMS (polydiמתיל siloxane) ניתן להשתמש. מערכת המדידה כוח מבוסס על שיטת מנוף אופטי יכול לשמש גם בתחומים אחרים של מדידת כוח מיקרו, כגון כוח האינטראקציה במהלך ביצוע של שתי טיפות ואת כוח האינטראקציה בין מצעים סופר הידרופובי וטיפות של מתח משטח שונה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
. לסופר אין מה לגלות
Acknowledgments
המחברים מודים לקרן המדע הטבעי טיינג'ין (No. 18JCQJC04800), קרן המדע הטריבונולוגיה של מעבדת מפתח המדינה של טריבונולוגיה (No. SKLTKF17B18) והקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (גרנט No. 51805367) על תמיכתם.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Camera | Shenzhen Andonstar Tech Co., Ltd | digital microscope A1 | Frame rate: 30 frames/sec; Focal distance: 5 mm - 30 mm |
| Capacitive bridge | Andeen-Hagerling | AH2550A | The capacitive bridge is used to measure the capacitance between the cantilever and the plate electrode. |
| Data acquisition device | National Instruments | USB-4431 | The data acquisition device is used to read the output voltage data. |
| DC power supply | Keithley | 2410 | Voltage range: ±5 μV; Accuracy: 0.012% |
| Grid | Electron Microscopy China | AGH100, AGH150, AGH300 | The grid fractions of AGH100, AGH150 and AGH300 are 46.18%, 51.39% and 58.79% respectively |
| Laser | Shenzhen Infrared Laser Technology Co., Ltd. | HW650AD100-10BD | Laser wavelength: 650 nm |
| Nanoparticle | Rust-Oleum | 274232 | NeverWet Multi-Surface Liquid Repelling Treatment is a revolutionary super hydrophobic coating. |
| Nanopositioning z-stage | Physik Instrumente | P622.ZCD | Travel ranges 50 µm to 250 µm (350 µm open loop); Resolution to 0.1 nm; Linearity error only 0.02% |
| Position sensitive detector | Hamamatsu Photonics K.K. | S1880 | The two-dimensional PSD is used to translate optical signals into electrical signals. |
References
- 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 surfaces. Soft Matter. 4 (10), 1943-1963 (2008).
- Gao, X., Jiang, L. Biophysics: Water-repellent legs of water striders. Nature. 432 (7013), 36 (2004).
- Yin, W., Zheng, Y. L., Lu, H. Y. Three-dimensional topographies of water surface dimples formed by superhydrophobic water strider legs. Applied Physics Letters. 109 (16), 163701 (2016).
- Zheng, Y., et al. Elegant Shadow Making Tiny Force Visible for Water-Walking Arthropods and Updated Archimedes’ Principle. Langmuir. 32 (41), 10522-10528 (2016).
- Hu, D. L., Chan, B., Bush, J. W. M. The hydrodynamics of water strider locomotion. Nature. 424 (6949), 663-666 (2003).
- Jiang, C. G., Xin, S. C., Wu, C. W. Drag reduction of a miniature boat with superhydrophobic grille bottom. AIP Advances. 1 (3), 032148 (2011).
- Guo, Z., Liang, J., Fang, J., Guo, B., Liu, W. A Novel Approach to the Robust Ti6Al4V-Based Superhydrophobic Surface with Crater-like Structure. Advanced Engineering Materials. 9 (4), 316-321 (2007).
- Guo, Z., Liu, W., Su, B. A stable lotus-leaf-like water-repellent copper. Applied Physics Letters. 92 (6), 063104 (2008).
- Liu, K., Zhang, M., Zhai, J., Wang, J., Jiang, L. Bioinspired construction of Mg-Li alloys surfaces with stable superhydrophobicity and improved corrosion resistance. Applied Physics Letters. 92 (18), 61 (2008).
- Biance, A. L., Clanet, C., Quéré, D. First steps in the spreading of a liquid droplet. Physical Review E Statistical Nonlinear & Soft Matter Physics. 69 (1), 016301 (2004).
- Eddi, A., Winkels, K. G., Snoeijer, J. H. Short time dynamics of viscous drop spreading. Physics of Fluids. 25 (1), 77-177 (2017).
- Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence. Physical Review Letters. 106 (11), 114501 (2011).
- Paulsen, J. D. Approach and coalescence of liquid drops in air. Physical Review E. 88 (6), 063010 (2013).
- Vakarelski, I. U., et al. Bubble colloidal AFM probes formed from ultrasonically generated bubbles. Langmuir. 24 (3), 603-605 (2008).
- Shi, C., et al. Measuring forces and spatiotemporal evolution of thin water films between an air bubble and solid surfaces of different hydrophobicity. ACS Nano. 9 (1), 95-104 (2015).
- Shi, C., Chan, D. Y. C., Liu, Q., Zeng, H. Probing the Hydrophobic Interaction between Air Bubbles and Partially Hydrophobic Surfaces Using Atomic Force Microscopy. The Journal of Physical Chemistry C. 118 (43), 25000-25008 (2014).
- Chung, K., Shaw, G. A., Pratt, J. R. Accurate noncontact calibration of colloidal probe sensitivities in atomic force microscopy. Review of Scientific Instruments. 80 (6), 930 (2009).
- Zheng, Y., et al. Improving environmental noise suppression for micronewton force sensing based on electrostatic by injecting air damping. Review of Scientific Instruments. 85 (5), 055002 (2014).
- Song, L., et al. Highly sensitive, precise, and traceable measurement of force. Instrumentation Science & Technology. 44 (4), 15 (2016).
- Zheng, Y., et al. The multi-position calibration of the stiffness for atomic-force microscope cantilevers based on vibration. Measurement Science & Technology. 26 (5), 055001 (2012).
