Waiting
Traitement de la connexion…

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

ऑप्टिकल लीवर विधि द्वारा एक ड्रॉपलेट और एक सुपर हाइड्रोफोबिक सबस्ट्रेट के बीच इंटरेक्शन बल को मापने

Published: June 14, 2019 doi: 10.3791/59539
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1
1State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments, Tianjin University

Summary

प्रोटोकॉल का उद्देश्य हवा में बूंदों और सुपर हाइड्रोफोबिक substrates के बीच बातचीत की जांच करना है. यह माप प्रणाली कैलिब्रेट और विभिन्न ग्रिड भिन्नों के साथ सुपर हाइड्रोफोबिक substrates पर बातचीत बल को मापने भी शामिल है.

Abstract

इस कागज का लक्ष्य हवा में बूंदों और सुपर हाइड्रोफोबिक substrates के बीच बातचीत बल की जांच करने के लिए है। ऑप्टिकल लीवर विधि पर आधारित एक माप प्रणाली तैयार की गई है। माप प्रणाली में एक मिलीमीटरी कैन्टीलवर का उपयोग बल संवेदी घटक के रूप में किया जाता है। सबसे पहले, ऑप्टिकल लीवर की बल संवेदनशीलता को स्थिर वैद्युत बल का उपयोग करके अंशांकित किया जाता है, जो अन्योन्यक्रिया बल को मापने में महत्वपूर्ण चरण है। दूसरे, विभिन्न ग्रिड भिन्नों के साथ तीन सुपर हाइड्रोफोबिक सब्ट्रेट्स नैनोकणों और तांबे ग्रिड के साथ तैयार किए जाते हैं। अंत में, विभिन्न ग्रिड भिन्नों के साथ बूंदों और सुपर हाइड्रोफोबिक substrates के बीच बातचीत बलों प्रणाली द्वारा मापा जाता है. इस विधि नैनोन्यूटन के पैमाने पर एक संकल्प के साथ उप micronewton के पैमाने पर बल को मापने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. बूंदों और सुपर हाइड्रोफोबिक संरचनाओं के संपर्क प्रक्रिया का गहराई से अध्ययन कोटिंग, फिल्म और मुद्रण में उत्पादन क्षमता में सुधार करने में मदद कर सकता है। इस कागज में डिजाइन बल माप प्रणाली भी माइक्रोफोर्स माप के अन्य क्षेत्रों में इस्तेमाल किया जा सकता है.

Introduction

एक छोटी बूंद और एक सुपर hydrophobic सतह के बीच संपर्क दैनिक जीवन और औद्योगिक उत्पादन में बहुत आम है: कमल के पत्ते1,2की सतह से फिसलने पानी की बूंदों , और एक पानी के ऊपर तेजी से यात्रा एक पानी की प्रगति3 ,4,5,6. किसी जहाज की बाहरी सतह पर एक सुपर हाइड्रोफोबिक कोटिंग जहाज की जंग की डिग्री को कम करने में मदद कर सकती है और नेविगेशन7,8,9,10के प्रतिरोध को कम कर सकती है । वहाँ औद्योगिक उत्पादन और bionics अनुसंधान के लिए एक छोटी बूंद और एक सुपर हाइड्रोफोबिक सतह के बीच संपर्क प्रक्रिया का अध्ययन करने में महान मूल्य है.

ठोस सतह पर बूंदों के प्रसार की प्रक्रिया का अवलोकन करने के लिए, बिंस ने संपर्क प्रक्रिया की फोटो खींचने के लिए एक उच्च गति वाले कैमरे का उपयोग किया और पाया कि जड़त्वीय शासन की अवधि मुख्य रूप से बूंद आकार11द्वारा निर्धारित की जाती है। एदी ने एक उच्च गति वाले कैमरे का उपयोग करके नीचे और पक्ष से छोटी बूंद और पारदर्शी प्लेट के बीच संपर्क प्रक्रिया का फोटो खिंचवाया, जिसनेसमय 12के साथ चिपचिपा बूंद के संपर्क त्रिज्या की भिन्नता को व्यापक रूप से प्रकट किया। पॉल्सेन ने उच्च गति वाले कैमरा प्रेक्षण के साथ एक विद्युत विधि को संयोजित किया, जिससे अनुक्रिया समय को 10 छ13,14तक कम किया जा सके।

परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (एएफएम) का उपयोग छोटी बूंद/बबल और ठोस सतहों के बीच अन्योन्यक्रिया बल को मापने के लिए भी किया गया है। Vakarelski एक AFM cantilver का इस्तेमाल किया दो छोटे बुलबुले के बीच बातचीत बलों को मापने के लिए (लगभग 80-140 डिग्री मीटर) सेंटीमीटर के पैमाने पर नियंत्रित collisions के दौरान जलीय समाधान में15. शि एक साथ बातचीत बल और विभिन्न हाइड्रोफोबिकिटी के एक हवा बुलबुला और अभ्रक सतहों के बीच पतली पानी फिल्म के spatioral विकास को मापने के लिए AFM और प्रतिबिंब हस्तक्षेप विपरीत माइक्रोस्कोपी (आरआईसीएम) का एक संयोजन का इस्तेमाल किया 16,17.

हालांकि, के बाद से वाणिज्यिक Cantilevers AFM में इस्तेमाल किया बहुत छोटा कर रहे हैं, लेजर स्थान cantilever पर विकिरण बूंदों या बुलबुले से जलमग्न हो जाएगा. एएफएम को हवा में बूंदों और बूंदों/सबस्टरेट्स के बीच अन्योन्यक्रिया बल को मापने में कठिनाई होती है।

इस कागज में, एक ऑप्टिकल लीवर विधि पर आधारित एक माप प्रणाली बूंदों और सुपर हाइड्रोफोबिक substrates के बीच बातचीत बल को मापने के लिए बनाया गया है. ऑप्टिकल लीवर (एसओएल) की बल संवेदनशीलता को स्थिर वैद्युत बल18द्वारा अंशांकित किया जाता है और फिर बूंदों और विभिन्न अति-हाइड्रोफोबिक सब्स्ट्ररेटों के बीच अन्योन्यक्रिया बल माप प्रणाली द्वारा मापित किए जाते हैं।

माप प्रणाली का योजनाबद्ध आरेख चित्र 1में दर्शाया गया है। लेजर और स्थिति संवेदनशील डिटेक्टर (पीएसडी) ऑप्टिकल लीवर प्रणाली का गठन। एक मिलीमीटर सिलिकॉन कैन्टीलवर सिस्टम में एक संवेदनशील घटक के रूप में प्रयोग किया जाता है। सब्सट्रेट नैनोपोजिशनिंग z-चरण पर स्थिर है, जो ऊर्ध्वाधर दिशा में चल सकता है। जब सब्सट्रेट छोटी बूंद के पास जाता है, तो अन्योन्यक्रिया बल कैन्टीलवर को मोड़ने का कारण बनता है। इस प्रकार, PSD पर लेजर स्थान की स्थिति बदल जाएगा, और PSD के उत्पादन वोल्टेज बदल जाएगा. PSD Vच का निर्गत वोल्टता अन्योन्यक्रिया बल च् केसमानुपाती होती है, जैसा कि म् (1) में दर्शाया गया है।

Equation 1①

बातचीत बल प्राप्त करने के लिए, एसOL को पहले कैलिब्रेट किया जाना चाहिए। स्थिर वैद्युत बल का प्रयोग एसओएलके अंशांकन में मानक बल के रूप में किया जाता है। जैसा कि चित्र 2में दर्शाया गया है, कैन्टीलवर तथा इलेक्ट्रोड एक समांतर प्लेट संधारित्र बनाते हैं, जो ऊर्ध्वाधर दिशा में वैद्युत बल उत्पन्न कर सकता है। स्थिर वैद्युत बल चे डीसी विद्युत आपूर्ति टकीवोल्टता द्वारा निर्धारित किया जाता है, जैसा कि उक (2)19,20,21में दर्शाया गया है।

Equation 2②

जहाँ C समांतर प्लेट संधारित्र की धारिता है, ज कैन्टीलवर मुक्त सिरा का विस्थापन है, तथा चंधेस सहो धारिता प्रवणता कहलाता है। समाई समाई पुल द्वारा मापा जा सकता है. C और z के बीच गणितीय संबंध एक द्विघात बहुपद द्वारा फिट किया जा सकता है, के रूप में में दिखाया गया है. (3).

Equation 3③

जहाँ Q, च ् और त द्विघात पद के गुणांक क्रमशः प्राथमिक पद तथा स्थिर पद हैं। अतः स्थिर वैद्युत बल चे े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े

Equation 4(4)

संधारित्र की दो प्लेटों का अतिव्यापन क्षेत्र बहुत छोटा है, लोचदार बल कैन्टीलवर पर कार्य किया जाता है, हुक के कानून के अनुसार, EQ. (5) के रूप में व्यक्त किया जा सकता है:

Equation 5(5)

जहां कश्मीर कैन्टीलवर की कठोरता है।

जब कैन्टीलवर पर अनुप्रस्थ बल तथा स्थिर वैद्युत बल समान होते हैं (अर्थात्े चर् ं े ेे े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े (6) ईक्यू से प्राप्त किया जा सकता है। (1), (2) और (5):

Equation 6(6)

अंशांकन परिणामों की अनिश्चितता को कम करने के लिए, एसराजभाषाकी गणना करने के लिए एक अंतर विधि का उपयोग किया जाता है। दो प्रयोगों के परिणाम टे 1, टच1 तथा टे 2, टच2के रूप में लिए जाते हैं तथा इन्हें इ. (6) में प्रतिस्थापित किया जाता है :

Equation 7(7)

समीकरणों को बदलना और निम्न समीकरण को ऊपरी समीकरण से EQ. (7) में घटाना, पैरामीटर Q और k समाप्त हो जाते हैं। फिर SOL का अंशांकन सूत्र प्राप्त किया जाता है, जैसा कि EQ में दिखाया गया है (8):

Equation 8(8)

प्रयोगों की एक श्रृंखला का प्रदर्शन करते हुए वक्र को पी(1/टच1-1/Vp2) के साथ निर्देशित किया जाता है और 2(1/Vs12-1/ वक्र की ढाल एसराजभाषाहै ।

एसओएलप्राप्त करने के बाद, इलेक्ट्रोड को विभिन्न सुपर-हाइड्रोफोबिक सब्स्ट्ररेट्स द्वारा प्रतिस्थापित किया जाएगा। बूंदों और अति हाइड्रोफोबिक सबस्टरेट्स के बीच अन्योन्यक्रिया बल ों चित्र 1में दर्शाए गए सिस्टम द्वारा मापे जाएँगे।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. एसओएल अंशांकन प्रणाली की विधानसभा

  1. चित्र 2में दर्शाए योजनाबद्ध आरेख के अनुसार एसओएल अंशांकन प्रणाली को एकत्र करें।
  2. एक समर्थन करने के लिए लेजर को ठीक करें, लेजर और क्षैतिज दिशा के बीच कोण 45 डिग्री हो.
  3. एक और समर्थन करने के लिए PSD को ठीक करें, लेजर के सीधा PSD बनाने. PSD डेटा प्राप्ति डिवाइस और डेटा प्राप्ति डिवाइस को कंप्यूटर से कनेक्ट करें।
    नोट: ये कोण प्रयोगकर्ता के दृश्य माप द्वारा निर्धारित किए जाते हैं और वास्तव में 45 डिग्री या 90 डिग्री की आवश्यकता नहीं है।
  4. दूसरे छोर निलंबित है, जबकि एक होल्डिंग डिवाइस के लिए cantilver के व्यापक अंत को ठीक करें। एक दो आयामी उच्च परिशुद्धता विस्थापन चरण के लिए होल्डिंग डिवाइस को ठीक करें।
    नोट: कैन्टीलवर के आयाम चित्र 3में दिखाए गए हैं।
  5. एक clamping डिवाइस द्वारा नैनोपोजिशनिंग z-चरण के लिए प्लेट इलेक्ट्रोड को ठीक करें।
    नोट: नैनोपोजिशनिंग z-चरण इलेक्ट्रोड को 1 एनएम के विस्थापन संकल्प के साथ z-अक्ष के साथ ले जाने के लिए ला सकता है।
  6. कैपेसिटिव पुल के धनात्मक ध्रुव को कैन्टीलवर तथा ऋणात्मक ध्रुव को प्लेट इलेक्ट्रोड से जोड़िए।
  7. एक उच्च गति कैमरा स्थापित करें, जिसकी दृष्टि की लाइन कैन्टीलवर के लंबवत है।
  8. प्लेट इलेक्ट्रोड की स्थिति को समायोजित करें, प्लेट इलेक्ट्रोड और कैन्टिलवर के बीच ऊर्ध्वाधर दूरी के बारे में 100 डिग्री उ हो, और ओवरलैप लंबाई के बारे में 0.5 मिमी.
    नोट: इन दूरी छवि प्रसंस्करण द्वारा जाँच कर रहे हैं.

2. धारिता ढाल का मापन

  1. प्लेट इलेक्ट्रोड और वास्तविक समय में cantilver के बीच समाई परिवर्तन इकट्ठा करने के लिए समाई पुल को नियंत्रित करने के लिए कंप्यूटर का प्रयोग करें. नमूना दर 0.5 हर्ट्ज के लिए सेट करें।
  2. 10 डिग्री मी के एक चरण और 6 के चरण संख्या के साथ ऊपर की ओर कदम उठाने के लिए प्लेट इलेक्ट्रोड को चलाने के लिए कंप्यूटर द्वारा नैनोपोजिशनिंग z-चरण को नियंत्रित करें और प्रत्येक आंदोलन के बाद 10 s के लिए बने रहें।
  3. प्लेट इलेक्ट्रोड की गति दिशा को नीचे की ओर बदलें, और चरण 2.2 दोहराएँ।
  4. माप परिणाम में प्लेट इलेक्ट्रोड के सधार-एपन तथा विस्थापन के बीच संबंध ज्ञात कीजिए तथा च् का मान म् (3) के अनुसार प्राप्त कीजिए।
  5. 2-1-2-4 5x चरणों को दोहराएँ तथा च् के औसत मान की गणना कीजिए।

3. ऑप्टिकल लीवर का अंशांकन

  1. कैपेसिटिव पुल और कैन्टीलवर/प्लेट इलेक्ट्रोड के बीच कनेक्शन डिस्कनेक्ट करें।
  2. डीसी बिजली की आपूर्ति के सकारात्मक पोल को कैन्टीलवर और नकारात्मक पोल को प्लेट इलेक्ट्रोड से जोड़िए।
  3. लेजर के बीच रिश्तेदार स्थिति को समायोजित करें, PSD और cantilver बनाने के लिए लेजर cantilver द्वारा PSD पर परिलक्षित.
    नोट: लेजर स्थान व्यास में 2 मिमी के बारे में एक चक्र है.
  4. समानांतर प्लेट संधारित्र पर समय के साथ अलग-अलग वोल्टेज लागू करने के लिए कंप्यूटर द्वारा डीसी बिजली की आपूर्ति को नियंत्रित करें। एक ही समय में, डेटा अधिग्रहण डिवाइस द्वारा वास्तविक समय में PSD के उत्पादन वोल्टेज इकट्ठा.
    1. डेटा प्राप्ति डिवाइस की नमूना दर 1,000 हर्ट्ज पर सेट करें.
    2. डीसी बिजली की आपूर्ति के प्रारंभिक वोल्टेज सेट करने के लिए 0 V और 5 s के लिए पकड़.
    3. 25 ट द्वारा वोल्टता बढ़ाएँ तथा 5 े धारण करें।
    4. कदम 3.4.3 4x दोहराएँ जब तक वोल्टेज 125 ट तक बढ़ जाती है.
    5. 25 ट से वोल्टता घटाएँ तथा 5 े धारण कीजिए।
    6. कदम 3.4.5 4x दोहराएँ जब तक वोल्टेज 0 ट तक कम हो जाती है.
  5. PSD के उत्पादन वोल्टेज और माप परिणाम में डीसी आपूर्ति वोल्टेज के बारे में संबंध निर्धारित करें, और E. (8) के अनुसार SOL का मान प्राप्त करें।
  6. 3-4-3-5x चरणों को दोहराएँ तथा SOLके औसत मान की गणना करें।

4. सुपर हाइड्रोफोबिक सबस्रेट्स तैयार करना

  1. 3 मिमी और विभिन्न ग्रिड भिन्नों के एक ही व्यास के साथ तीन परिपत्र तांबे ग्रिड तैयार करें। उनके ग्रिड भिन्न क्रमश 4618%, 51.39% और 58.79% हैं।
    नोट: ये तांबे ग्रिड वाणिज्यिक उत्पादों है कि खरीदा गया है.
  2. सूक्ष्म संरचना और हाइड्रोफोबिकिटी के साथ सुपर हाइड्रोफोबिक substrates प्राप्त करने के लिए तीन तांबे ग्रिड पर नैनोकणों स्प्रे।
    1. कॉपर ग्रिड पर बेस कोट स्प्रे.
    2. पहला कोट सूखा होने पर शीर्ष कोट को तांबे के ग्रिड पर स्प्रे करें।
      नोट: नैनोकणों एक स्प्रे सिर के साथ एक कर सकते में पैक कर रहे हैं। नैनोकणों स्प्रे सिर दबाने जब इस्तेमाल किया द्वारा छिड़काव किया जाएगा।
  3. 1/3 मिमी-1की वक्रता के साथ एक सतह सुपर हाइड्रोफोबिक संरचना प्राप्त करने के लिए 3 मिमी के व्यास के साथ सिलेंडरों के किनारे पर तांबे ग्रिड गोंद।

5. बूंदों और सुपर हाइड्रोफोबिक substrates के बीच बातचीत बल का मापन

  1. डीसी बिजली की आपूर्ति और cantilver/प्लेट इलेक्ट्रोड के बीच कनेक्शन डिस्कनेक्ट करें। नैनोपोजिटिंग z-चरण से प्लेट इलेक्ट्रोड निकालें।
  2. नैनोपोजिटिंग z-चरण के लिए एक प्लेट समर्थन को ठीक करें।
  3. एक उच्च गति कैमरा स्थापित करें, जिसकी दृष्टि की लाइन कैन्टीलवर के लंबवत है।
  4. कैन्टीलवर के मुक्त अंत की निचली सतह पर एक बूंद को निलंबित करें।
    1. प्लेट सपोर्ट पर लगभग 180 डिग्री के संपर्क कोण के साथ एक सुपर हाइड्रोफोबिक संरचना रखें।
    2. एक माइक्रोपाइपेटर का उपयोग कर के सुपर हाइड्रोफोबिक संरचना पर एक 2 डिग्री एल छोटी बूंद रखें।
    3. ऊपर की ओर ले जाने के लिए छोटी बूंद ड्राइव करने के लिए सॉफ्टवेयर (उदा., PIMikroMove) का उपयोग कर नैनोपोजिशनिंग z-चरण को नियंत्रित करें।
      1. संवाद बॉक्स में, वेग को 10 डिग्री उध/
      2. आगे बटन पर क्लिक करें और बूंद ऊपर की ओर ले जाने के लिए शुरू होता है।
      3. बंद करो बटन पर क्लिक करें जब कैंटिलर के मुक्त अंत के साथ छोटी बूंद संपर्कों.
    4. 1 या 2 s के लिए रहो, और फिर नैनोपोजिशनिंग z-चरण को नियंत्रित करने के लिए सुपर हाइड्रोफोबिक संरचना को कैन्टीलवर से दूर भगाएं।
      नोट: चूंकि सिलिकॉन कैन्टीलवर हाइड्रोफिलिक है, इसलिए कैंसिलवर के मुक्त अंत की निचली सतह पर छोटी बूंद को निलंबित कर दिया जाता है, जिससे लगभग 0.5 मिमी के व्यास के साथ एक अर्धगोलाकार बूंद का निर्माण होता है।
    5. प्लेट समर्थन से लगभग 180 डिग्री के एक संपर्क कोण के साथ सुपर हाइड्रोफोबिक संरचना निकालें.
  5. प्लेट समर्थन पर 46.18% के एक ग्रिड अंश के साथ सुपर हाइड्रोफोबिक सब्सट्रेट रखें।
  6. प्लेट सपोर्ट की स्थिति को समायोजित करें, जिससे सुपर-हाइड्रोफोबिक सब्सट्रेट और अर्धगोलीय छोटी बूंद के बीच ऊर्ध्वाधर दूरी लगभग 100 डिग्री हो जाती है।
    नोट: दूरी छवि प्रसंस्करण द्वारा जाँच की है.
  7. PSD, लेजर, और उच्च गति कैमरा चालू करें.
  8. वास्तविक समय में PSD के उत्पादन वोल्टेज इकट्ठा करने के लिए कंप्यूटर द्वारा डेटा अधिग्रहण डिवाइस को नियंत्रित करें। नमूना दर को 100 kHz पर सेट करें.
  9. सॉफ्टवेयर में वेग को 10 डिग्री सेल्सियस पर सेट करें, और फिर आगे के बटन को क्लिक करें, ताकि सुपर-हाइड्रोफोबिक सब्सट्रेट धीरे-धीरे छोटी बूंद के करीब ले जाता है।
  10. सुपर हाइड्रोफोबिक सब्सट्रेट और छोटी बूंद से संपर्क करते समय बंद करें बटन पर क्लिक करें।
  11. सॉफ़्टवेयर में वेग को 10 डिग्री सेल्सियस पर सेट करें, और तब नीचे की ओर ले जाने के लिए सुपर-हाइड्रोफोबिक सब्सट्रेट को चलाने के लिए वापस बटन क्लिक करें.
  12. सुपर हाइड्रोफोबिक सब्सट्रेट छोटी बूंद से अलग है, जब बंद करो बटन पर क्लिक करें।
  13. PSD के निर्गत वोल्टता का वक्र समय के साथ भिन्न बनायें।
  14. 5-4-5-13 5-39% और 58.79% के ग्रिड भिन्नों के साथ सुपर-हाइड्रोफोबिक सबस्टरेट्स का उपयोग करते हुए चरण दोहराएँ.
  15. बातचीत बल और सुपर हाइड्रोफोबिक सब्सट्रेट के ग्रिड अंश के बीच संबंध का विश्लेषण करें।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

प्लेट इलेक्ट्रोड का विस्थापन तथा कैन्टीलवर तथा एक प्रयोग में मापे गए इलेक्ट्रोड के बीच संगत धारिता सारणी 1में दर्शायी गई है। धारिता ब् और विस्थापन ज के बीच का संबंध द्विघात बहुपदद्वारा MATLAB में बहुफल फलन का उपयोग करके लगाया गया है, जैसा कि चित्र 4 में दर्शाया गया है। पहले क्रम गुणांक P फिटिंग समारोह द्वारा प्राप्त किया जा सकता है. च् का अंतिम मान 0ण्2799 चF/मिमी है, जो औसत की गणना दस प्रयोगात्मक परिणामों से की जाती है।

एक प्रयोग में PSD की पूर्ति वोल्टता तथा संगत निर्गत वोल्टता सारणी 2में दर्शायी गई है। PSD Vच के आउटपुट वोल्टता तथा पूर्ति वोल्टता टस के बीच का संबंध रैखिक फलन द्वारा लगाया गया है, जैसा कि चित्र 5में दर्शाया गया है, जहाँ टच1 तथा टच2 अंतर हैं। मापित मानों तथा टच0 के बीच (ट ेपर PSD के आउटपुट वोल्टता का प्रारंभिक मान )। SOL चित्र 5में वक्र की ढलान से प्राप्त किया जा सकता है। SOL का अंतिम मान 8847 $N/V है, जो बारह प्रयोगात्मक परिणामों से परिकलित औसत है।

समय के साथ बदलती बूंदों और अति-हाइड्रोफोबिक सबस्टरेट्स के बीच मापे गए अन्योन्यक्रिया बलों के वक्र चित्र 6में दर्शाए गए हैं। अन्योन्यक्रिया बलों की गणना ु. (1) द्वारा की जाती है, जहाँ टच PSD के मापित आउटपुट voltages और PSD के प्रारंभिक आउटपुट voltages के बीच अंतर होता है।

बिंदु A से पहले, सब्सट्रेट छोटी बूंद के साथ संपर्क नहीं किया है, इसलिए बातचीत बल 0 है. चरण एबी में, सब्सट्रेट और छोटी बूंद के बीच की दूरी बहुत छोटी है। वायुगतिक के प्रभाव के कारण, सब्सट्रेट और छोटी बूंद के बीच एक प्रतिकर्षण बल होगा, जो आकृति में एक बढ़ते वक्र को दर्शाता है। बिंदु ख महत्वपूर्ण बिंदु है जिस पर सब्सट्रेट और छोटी बूंद से संपर्क करना शुरू होता है। बिंदु ख के बाद, उन के बीच अन्योन्यक्रिया बल आकर्षण बल बन जाता है। बीसी चरण में, बूंद धीरे-धीरे केशिका बल की क्रिया के तहत सुपर हाइड्रोफोबिक सब्सट्रेट गीला. कैन्टीलवर इस अवस्था में नीचे की ओर झुकेगा, जो आकृति में घटता हुआ वक्र दर्शाता है। बिंदु ंग पर, तंत्र पुनः संतुलन तक पहुँचता है, और कैन्टीलवर संतुलन स्थिति में दोलन करने के लिए शुरू होता है।

जैसा कि चित्र 6में दर्शाया गया है, बूंद-बूंद तथा सब्सट्रेट के बीच अन्योन्यक्रिया बल ग्रिड भिन्न की वृद्धि के साथ घटता है। इसका कारण यह है कि बूंदों और सुपर हाइड्रोफोबिक सब्स्ट्ररेट्स के बीच संपर्क ऊर्जा को मुक्त करने की एक प्रक्रिया है। सब्सट्रेट की जलविरागता ग्रिड अंश के साथ सकारात्मक सहसंबद्ध है। जितना मजबूत हाइड्रोफोबिकता है, संपर्क के दौरान कम ऊर्जा जारी की जाती है, इसलिए संपर्क बल छोटा होता है।

प्रयोग के दौरान हमने पाया कि प्रतिकर्षण बल केवल छोटी बूंद और सब्सट्रेट के बीच संपर्क प्रक्रिया में मौजूद है जिसमें 46.18% का ग्रिड अंश होता है। हाइड्रोफोबिकिटी की वृद्धि के साथ, सब्सट्रेट की सतह ऊर्जा कम हो जाती है। जब प्रतिकर्षण बल प्रणाली के विभेदन तक नहीं पहुँच सकता है, तो प्रतिकर्षण बल को मापना कठिन होता है।

बल का परिमाण छोटी-छोटी आयतन के साथ सीधा संबंध में होता है। अन्योन्यक्रिया बल तथा बूंद-बूंद आयतन के बीच संबंध को स्पष्ट करने के लिए एक अनुपूरक प्रयोग किया गया। संपर्क प्रयोग में विभिन्न आकारों की तीन बूंदों का प्रयोग किया गया, जैसा कि चित्र 7में दर्शाया गया है। बूंद-बूंद (ं), (ख) की मात्रा क्रमशः 0ण्0135 र्ल्, 0ण्087 र्ल् तथा 0ण्073 र्ल्. प्रयोग में, बूंदों की मात्रा PSD उत्पादन वोल्टेज के परिवर्तन से मापा जाता है. PSD उत्पादन voltages से पहले और cantilver द्वारा छोटी बूंद के निलंबन के बाद मापा जाता है, और उनके अंतर Vघ से गुणा किया जाता है छोटी बूंद की गंभीरता प्राप्त करने के लिए. छोटी बूंद का आयतन मान गुरुत्वाकर्षण द्वारा परिवर्तित हो जाता है। 51.39% के एक ग्रिड अंश के साथ सब्सट्रेट प्रयोगों में प्रयोग किया जाता है. तीन बूंदों और उपप्रचलन के बीच मापा गया अन्योन्यक्रिया बल चित्र 8में दर्शाया गया है। यह स्पष्ट है कि छोटी बूंद की मात्रा में वृद्धि के साथ अन्योन्यक्रिया बल बढ़ जाती है।

Figure 1
चित्र 1: अन्योन्यक्रिया बल मापन प्रणाली। बूंदों और सुपर हाइड्रोफोबिक substrates के बीच बातचीत को मापने के लिए ऑप्टिकल लीवर विधि पर आधारित माप प्रणाली का योजनाबद्ध आरेख. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्र 2: एसOLकी अंशांकन प्रणाली | इलेक्ट्रोस्टैटिक बल का उपयोग करके ऑप्टिकल लीवर की बल संवेदनशीलता को कैलिब्रेट करने के लिए अभिकल्पित प्रणाली का योजनाबद्ध आरेख। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्र 3: मिलीमीट्रिक कैन्टीलवर के आयाम। मिलीमीट्रिक कैंटिलर का शीर्ष दृश्य और ऊंचाई दृश्य. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्र 4: धारिता और विस्थापन के बीच का संबंध। अंशांकन प्रयोग में समाई सी और विस्थापन z की द्विघात बहुपदीय फिटिंग वक्र। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्र 5: PSD के आउटपुट वोल्टता और पूर्ति वोल्टता के बीच संबंध। च.१.१च्1-टच्2) तथा 2(1ध ेेे े ेे ेे े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 6
चित्र 6: अन्योन्यक्रिया बल के मापन परिणाम। हवा में विभिन्न ग्रिड भिन्नों के साथ बूंदों और सुपर हाइड्रोफोबिक substrates के बीच बातचीत बलों. अलग अलग रंग विभिन्न ग्रिड भिन्नों का प्रतिनिधित्व करते हैं। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 7
चित्र 7: प्रयोग में प्रयुक्त विभिन्न खंडों की तीन बूंदों की छवियाँ. बूंदों की मात्रा (क), (ख), और (ग) क्रमश00135 डिग्री सेल्सियस, 0.0087 डिग्री सेल्सियस और 0.0073 डिग्री सेल्सियस हैं। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 8
चित्र 8: विभिन्न खंडों की तीन बूंदों तथा उपप्रणकी के बीच अन्योन्यक्रिया बल। अलग अलग रंग अलग-अलग बूंदों का प्रतिनिधित्व करते हैं। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

समय (ओं) 0 10 20 30 40 50 60
विस्थापन ($m) 0 10 20 30 40 50 60
क्षमता (पीएफ) 2.399 2.402 2.406 2.411 2.416 2.422 2.429
समय (ओं) 70 80 90 100 ११० १२०
विस्थापन ($m) 50 40 30 20 10 0
क्षमता (पीएफ) 2.422 2.416 2.411 2.407 2.403 2.400

तालिका 1: समाई प्रवणता के अंशांकन परिणाम. प्लेट इलेक्ट्रोड का विस्थापन और कैन्टीलवर और एक प्रयोग में इलेक्ट्रोड के बीच इसी समाई.

समय (ओं) 0 5 10 15 20 25
आपूर्ति वोल्टेज (वी) 0 25 50 75 100 125
PSD (V) के आउटपुट वोल्टेज -3.5757 -3.5656 -3.5327 -3.4797 -3.3775 -3.1733
समय (ओं) 30 35 40 45 50
आपूर्ति वोल्टेज (वी) 100 75 50 25 0
PSD (V) के आउटपुट वोल्टेज -3.3765 -3.4786 -3.5321 -3.5644 -3.5755

तालिका 2: SOLके अंशांकन परिणाम | एक प्रयोग में PSD की आपूर्ति वोल्टता और संगत आउटपुट वोल्टता.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

इस प्रोटोकॉल में, ऑप्टिकल लीवर विधि पर आधारित एक माप प्रणाली को इकट्ठा किया जाता है और calibrated किया जाता है, जिसे बूंदों और सुपर-हाइड्रोफोबिक सब्स्ट्ररेट्स के बीच बातचीत बल को मापने के लिए डिज़ाइन किया गया है। सभी चरणों में, इलेक्ट्रोस्टैटिक बल का उपयोग करके एसओएल की जांच करना महत्वपूर्ण है। अंशांकन प्रयोग के परिणाम ों की पुष्टि करें E. (8):P(1/Vp1-1/vp2) के समानुपाती है 2(1/ PSD के उत्पादन वोल्टेज के माध्यम से मापा जा करने के लिए बल. विभिन्न हाइड्रोफोबिकता की बूंदों और सुपर-हाइड्रोफोबिक सबस्टरेट्स के बीच अन्योन्यक्रिया बल को मापने के प्रयोग के माध्यम से, अन्योन्यक्रिया बल हाइड्रोफोबिक क्षमता की वृद्धि के साथ कम हो जाता है, जो बीच के संबंध ों की पुष्टि करता है उपखंडों की हाइड्रोविकिलिटी और सतही ऊर्जा।

एक millimetric सिलिकॉन cantilver पर आधारित बल माप विधि पारंपरिक तरीकों के लिए एक महत्वपूर्ण पूरक है. उच्च गति कैमरा विधि के साथ तुलना में, ऑप्टिकल लीवर विधि सही नैनोन्यूटन पैमाने पर बल को मापने कर सकते हैं. AFM आमतौर पर micron पैमाने पर वस्तुओं के बीच बातचीत बल को मापने के लिए प्रयोग किया जाता है, जबकि इस कागज में डिजाइन प्रणाली हवा में मिलीमीटर पैमाने की वस्तुओं पर लागू किया जा सकता है. इस विधि उप micronewtons के पैमाने में बल को मापने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, और अपने संकल्प नैनोन्यूटन के पैमाने तक पहुँच सकते हैं.

इस कागज में बातचीत बल को मापने के लिए प्रस्तावित विधि एक छोटी सी माप रेंज तक सीमित है. एक बड़ी शक्ति प्लास्टिक विरूपण या यहां तक कि सिलिकॉन cantilever के तोड़ने के लिए नेतृत्व करेंगे, जो गलत परिणाम का कारण होगा. इसके अलावा, क्योंकि इस प्रयोग के सिद्धांत के लिए cantilver और अन्योन्यक्रिया बल के लोचदार बल के संतुलन के तहत छोटी बूंद और सब्सट्रेट के बीच बातचीत बल को मापने के लिए है, cantilever केवल अर्ध स्थैतिक बल को मापने कर सकते हैं , लेकिन गतिशील बल नहीं.

बूंदों और सुपर हाइड्रोफोबिक संरचनाओं के संपर्क प्रक्रिया का गहराई से अध्ययन लोगों को कोटिंग, फिल्म, मुद्रण और अन्य औद्योगिक उत्पादन में उत्पादन क्षमता में सुधार करने में मदद कर सकता है। एक सामान्यीकृत आसंजन बल माप तकनीक के रूप में, प्रणाली में substrates अन्य सामग्री से बना substrates के साथ प्रतिस्थापित किया जा सकता है. उदाहरण के लिए, बहु-स्तरीय माइक्रोस्ट्रक्चर के साथ एक सुपर हाइड्रोफोबिक सब्सट्रेट जो पीडीएमएस (पॉलीडिमेथिलसिलोक्सेन) से बना है, का उपयोग किया जा सकता है। ऑप्टिकल लीवर विधि पर आधारित बल मापन प्रणाली का उपयोग सूक्ष्म बल मापन के अन्य क्षेत्रों में भी किया जा सकता है, जैसे दो बूंदों के कोयलाकेशन के दौरान अन्योन्यक्रिया बल तथा सुपर-हाइड्रोफोबिक सब्ट्रेंड्स के बीच अन्योन्यक्रिया बल विभिन्न सतह तनाव की.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

लेखक के पास खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

लेखकों तियानजिन प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन धन्यवाद (नहीं, 18JCQNJC04800), Tribology विज्ञान कोष के राज्य कुंजी प्रयोगशाला Tribology (नहीं. SKLTKF17B18) और चीन के राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन (अनुदान नंबर 51805367) उनके समर्थन के लिए.

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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Guo, Z., Liu, W. Biomimic from the superhydrophobic plant leaves in nature: Binary structure and unitary structure. Plant Science. 172 (6), 1103-1112 (2007).
  2. Koch, K., Bhushan, B., Barthlott, W. Diversity of structure, morphology and wetting of plant surfaces. Soft Matter. 4 (10), 1943-1963 (2008).
  3. Gao, X., Jiang, L. Biophysics: Water-repellent legs of water striders. Nature. 432 (7013), 36 (2004).
  4. 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).
  5. Zheng, Y., et al. Elegant Shadow Making Tiny Force Visible for Water-Walking Arthropods and Updated Archimedes’ Principle. Langmuir. 32 (41), 10522-10528 (2016).
  6. Hu, D. L., Chan, B., Bush, J. W. M. The hydrodynamics of water strider locomotion. Nature. 424 (6949), 663-666 (2003).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Guo, Z., Liu, W., Su, B. A stable lotus-leaf-like water-repellent copper. Applied Physics Letters. 92 (6), 063104 (2008).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Eddi, A., Winkels, K. G., Snoeijer, J. H. Short time dynamics of viscous drop spreading. Physics of Fluids. 25 (1), 77-177 (2017).
  13. Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence. Physical Review Letters. 106 (11), 114501 (2011).
  14. Paulsen, J. D. Approach and coalescence of liquid drops in air. Physical Review E. 88 (6), 063010 (2013).
  15. Vakarelski, I. U., et al. Bubble colloidal AFM probes formed from ultrasonically generated bubbles. Langmuir. 24 (3), 603-605 (2008).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Song, L., et al. Highly sensitive, precise, and traceable measurement of force. Instrumentation Science & Technology. 44 (4), 15 (2016).
  21. 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).

Tags

इंजीनियरिंग अंक 148 सुपर हाइड्रोफोबिक बातचीत बल cantilever ऑप्टिकल लीवर अंशांकन इलेक्ट्रोस्टैटिक बल
ऑप्टिकल लीवर विधि द्वारा एक ड्रॉपलेट और एक सुपर हाइड्रोफोबिक सबस्ट्रेट के बीच इंटरेक्शन बल को मापने
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Zhuang, S., Zhao, M., Wang, Z.,… More

Zhuang, S., Zhao, M., Wang, Z., Zhang, L., Huang, Y., Zheng, Y. Measuring the Interaction Force Between a Droplet and a Super-hydrophobic Substrate by the Optical Lever Method. J. Vis. Exp. (148), e59539, doi:10.3791/59539 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter