Mesurer la force d'interaction entre une gouttelette et un substrat super-hydrophobe selon la méthode du levier optique

Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine de la bionique et de la mécanique des fluides, telles que les structures superhydrophobes des feuilles de lotus et les processus de coalescence des gouttelettes. Le principal avantage de cette technique est qu’une force à l’échelle des sous-micro-newtons peut être mesurée avec une résolution de l’échelle des nanonewtons. Cette méthode pourrait fournir un aperçu du processus de contact des structures gouttelettes et superhydrophobes.

Et il peut également être appliqué à d’autres domaines de mesure de la micro-force. Les individus qui n’ont jamais effectué cette technique auront du mal parce que la distance entre les gouttelettes et les substrats superhydrophobiques est difficile à contrôler avec précision. Préparez le système de mesure sur un banc de laboratoire approprié.

Au centre du système se trouve le porte-à-faux en silicium, qui est suspendu au-dessus d’un stade de nanopositionnement Z. Le porte-à-faux de cinq millimètres de long est monté à l’extrémité du support. Une caméra à grande vitesse est en place avec la ligne de mire perpendiculaire au porte-à-faux.

Le stade de nanopositionnement Z a un support qui détient une électrode qui à ce stade. Enfin, un laser et un détecteur sensible à la position sont disposés pour mesurer la déflexion en porte-à-faux. Après avoir mesuré le gradient de capacitance, utilisez une alimentation dc contrôlée par ordinateur pour calibrer le levier optique.

Ce schéma fournit andoverview de la configuration pour l’étalonnage. Une électrode de plaque est sur l’étape de nanopositionnement de Z. Il est de 100 micromètres au-dessous du porte-à-faux avec une longueur de chevauchement d’un demi millimètre.

Le porte-à-faux et l’électrode forment un condensateur, avec l’attraction positive de l’alimentation dc reliée au porte-à-faux et la traction négative avec l’électrode de plaque. Ensuite, ajustez les positions relatives du laser, le détecteur sensible à la position et le porte-à-faux. Disposez-les de sorte que le faisceau laser est réfléchi par le porte-à-faux au détecteur.

À l’ordinateur, réglez le taux d’acquisition des données de la tension de sortie du détecteur à un kilohertz. Dans le logiciel de commande d’alimentation DC, réglez la tension de démarrage à zéro volts. Réglez la tension d’extrémité à 125 volts.

Avoir l’augmentation de tension par incréments de 25 volts. Maintenez chaque valeur de tension pendant cinq secondes. Comme la tension est variée, surveillez la sortie de tension du détecteur sensible à la position.

Après cette séquence de mesures, effectuez une séquence analogue commençant par la tension à 125 volts et diminuant à zéro volts par incréments de 25 volts. Utilisez les données de cinq mesures complètes pour créer une parcelle dans laquelle la pente est la constante de proportionnalité entre la force d’interaction et la tension de sortie du détecteur sensible à la position. Pour se préparer aux mesures, déconnectez l’alimentation électrique de DC de la plaque et du porte-à-faux.

Ensuite, travaillez avec l’étape du nanopositionnement Z. Identifiez l’électrode sur son support de plaque et retirez les deux en dévillant le support de la scène. À leur place, visser un nouveau support de plaque à l’étape z avant de continuer.

Assurez-vous que la ligne de mire de la caméra à grande vitesse est perpendiculaire au porte-à-faux. Ensuite, obtenez une structure superhydrophobe pour le support de la plaque. Utilisez la structure avec un angle de contact de près de 180 degrés pour suspendre la gouttelette d’eau du porte-à-faux.

Pour l’expérience, apposer cette structure sur le support de la plaque sur la scène Z. À l’aide d’une micro pipette, déposer une gouttelette d’eau de deux microlitres sur la structure superhydrophobe. Commencez maintenant à travailler avec le logiciel de phase de nanopositionnement.

Dans ce logiciel, allez à la boîte de dialogue de vitesse et réglez la vitesse à 10 micromètres par seconde. Cliquez sur le bouton avant pour démarrer la gouttelette se déplaçant vers le haut. Cliquez sur arrêter lorsque la gouttelette entre en contact avec l’extrémité libre du porte-à-faux.

Après une ou deux secondes, éloignez manuellement l’étape Z du porte-à-faux. Une gouttelette d’eau hémisphérique doit rester suspendue à la surface inférieure du porte-à-faux. Pour continuer, retirez la structure superhydrophobe du support de la plaque et obtenez un substrat superhydrophobe pour le remplacer.

Ce substrat se compose d’un grain de cuivre pulvérisé sur des nanoparticules. Le substrat est collé sur un cylindre. Ce substrat a une fraction de grille de 46,18%Placez le substrat sur le support de la plaque.

Ajustez la position du substrat superhydrophobe de sorte qu’il est de 100 micromètres de la gouttelette hémisphérique sur le porte-à-faux. Avec le détecteur, le laser et la caméra en marche, retournez travailler avec le logiciel de contrôle du nanopositionnement. Dans la boîte de dialogue de vitesse, réglez la vitesse à 10 micromètres par seconde.

Cliquez sur le bouton avant pour démarrer le substrat se déplaçant vers le haut. Cliquez sur arrêter lorsque le substrat et la gouttelette entrer en contact. Cliquez sur le bouton arrière pour déplacer le substrat superhydrophobe vers le bas.

Cliquez sur le bouton d’arrêt lorsque le substrat et la gouttelette sont séparés. Il existe différents scénarios représentés dans ces parcelles de interactions Force versets Temps. Tout d’abord se concentrer sur les données dans la courbe noire qui est pour le substrat avec la fraction de grille 46,18%Initialement, le substrat et la gouttelette sont loin d’être le contact.

À ce stade, la force est nulle. Au fur et à mesure que la distance entre le substrat et la gouttelette diminue, une force répugnant se pose. Cela se reflète dans l’augmentation de la force.

Une fois que le substrat et la gouttelette entrent en contact, la force entre les deux devient attrayante, conduisant à une diminution de la courbe que la gouttelette mouille progressivement le substrat par l’action capillaire. Finalement, le porte-à-faux oscille autour d’une position d’équilibre. Lorsque d’autres fractions de grille plus élevées sont utilisées, l’ampleur de la force entre la gouttelette et le substrat diminue.

Tout en essayant cette procédure, il est important de se rappeler que la position pertinente entre laser, PSD, et le porte-à-faux ne peut pas être changée. Ce qui peut assurer l’exactitude des résultats de mesure. Après son développement, cette technique ouvre la voie à des recherches dans le domaine de la mesure de la force de tension pour explorer la force pendant les gouttelettes en contact avec le substrat dans l’air.