Name: מדידת הכוח האינטרקציה בין Droplet למצע סופר-הידרופובי בשיטת המנוף האופטי (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-06-14T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 18 s
Description: למד מדידת כוח אינטראקציה בין טיפות למצעים סופר-הידרופוביים באמצעות מנוף אופטי. שיטה זו מאפשרת רזולוציית ננוניוטון לחקר מכניקת זורמים וביוניקה.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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.

1. הרכבת מערכת כיול SOL
<ol><li>הכנס את מערכת כיול SOL לפי התרשים הסכימטי המוצג באיור 2.</li>
	<li>תקן את הלייזר לתמיכה, מה שהופך את הזווית בין הלייזר לכיוון האופקי להיות 45 °.</li>
	<li>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 °.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>חבר את הקוטב החיובי של הגשר הקיבולי עם הזיז ואת המוט השלילי עם האלקטרודה הלוחית.</li>
	<li>התקן מצלמה במהירות גבוהה, שקו הראייה שלו ניצב על הזיז.</li>
	<li>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.</li>
</ol>2. מדידה של שיפוע הקיבוליות
<ol><li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>לשנות את כיוון התנועה של הלוח אלקטרודה למטה, וחזור על שלב 2.2.</li>
	<li>לקבוע את הקשר בין הקיבוליות לבין עקירה של האלקטרודה בתוצאת המדידה, ולקבל את הערך של P לפי Eq (3).</li>
	<li>חזור על שלבים 2.1 – 2.4 5x ולחשב את הערך הממוצע של P.</li>
</ol>3. כיול המנוף האופטי
<ol><li>נתק את החיבור בין הגשר הקיבולי לבין האלקטרודות ללוח.</li>
	<li>חבר את הקוטב החיובי של ספק כוח DC עם הזיז ואת המוט השלילי עם האלקטרודה לוחית.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.<ol>
<li>הגדר את קצב הדגימה של התקן רכישת הנתונים ל-1,000 Hz.</li>
		<li>הגדר את המתח הראשוני של ספק הזרם הישר ל-0 V והחזק את ה-5.</li>
		<li>להגדיל את המתח על ידי 25 V ולהחזיק עבור 5 s.</li>
		<li>חזור על השלב 3.4.3 4x עד המתח עולה 125 V.</li>
		<li>הנמך את המתח ב -25 וולט. והחזק את ה -5</li>
		<li>חזור על השלב 3.4.5 4x עד שהמתח יורד ל-0 V.</li>
	</ol>
</li>
	<li>לקבוע את הקשר על מתח הפלט של PSD ואת מתח האספקה DC בתוצאת המדידה, ולקבל את הערך של SOL לפי Eq.</li>
	<li>חזור על שלבים 3.4-3.5 5x וחשב את הערך הממוצע של SOL.</li>
</ol>4. הכנת מצעים סופר-הידרופובי
<ol><li>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.</li>
	<li>לרסס חלקיקים על שלוש רשתות נחושת כדי להשיג מצעים סופר הידרופובי עם מיקרו מבנה ו hydrophobicity.<ol>
<li>רסס את מעיל הבסיס. על רשת הנחושת</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
</li>
	<li>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.</li>
</ol>5. מדידת כוח האינטראקציה בין טיפות ומצעים סופר-הידרופובי
<ol><li>נתק את החיבור בין ספק הזרם הישר לבין האלקטרודות ללוח הזיז. הסירו את האלקטרודות. משלב הנאנפאות</li>
	<li>לתקן את הצלחת התמיכה של השלב הננו.</li>
	<li>התקן מצלמה במהירות גבוהה, שקו הראייה שלו ניצב על הזיז.</li>
	<li>השהה droplet על פני השטח התחתון של הקצה החופשי של הזיז.<ol>
<li>מניחים מבנה סופר-הידרופובי עם זווית מגע של כמעט 180 ° על תמיכה לוחית.</li>
		<li>מניחים 2 μL droplet על מבנה סופר-הידרופובי באמצעות מיקרופיפיטין.</li>
		<li>הפיקוח על הננו-שלב z באמצעות תוכנה (למשל, PIMikroMove) כדי לכונן את ה-droplet כדי לנוע כלפי מעלה.<ol>
<li>בתיבת הדו, הגדר את המהירות ל-10 μm/s.</li>
			<li>לחץ על לחצן קדימה ו-droplet מתחיל לנוע כלפי מעלה.</li>
			<li>לחץ על לחצן עצור כאשר ה-droplet מקשר עם הקצה החופשי של הזיז.</li>
		</ol>
</li>
		<li>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.</li>
		<li>הסר את מבנה סופר-הידרופובי עם זווית מגע של כמעט 180 ° מתוך תמיכה צלחת.</li>
	</ol>
</li>
	<li>מניחים את המצע סופר-הידרופובי עם חלק ברשת של 46.18% על התמיכה בצלחת.</li>
	<li>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.</li>
	<li>הפעל את מצלמת PSD, לייזר ומהירות גבוהה.</li>
	<li>לשלוט על התקן רכישת נתונים על ידי המחשב כדי לאסוף את מתח הפלט של PSD בזמן אמת. הגדר את קצב הדגימה ל-100 kHz.</li>
	<li>הגדר את המהירות 10 μm/s בתוכנה, ולאחר מכן לחץ על כפתור קדימה , כך המצע סופר הידרופובי נע בהדרגה קרוב ל-droplet.</li>
	<li>לחץ על לחצן עצור כאשר המצע סופר הידרופובי ואיש הקשר droplet.</li>
	<li>הגדר את המהירות 10 μm/s בתוכנה, ולאחר מכן לחץ על לחצן החזרה כדי לנהוג במצע סופר הידרופובי כדי לנוע כלפי מטה.</li>
	<li>לחץ על לחצן עצור כאשר המצע סופר-הידרופובי מופרד מ-droplet.</li>
	<li>צייר את עקומת מתח הפלט של PSD שונים עם הזמן.</li>
	<li>חזור על שלבים 5.4 – 5.13 באמצעות מצעים סופר הידרופובי עם שברים ברשת של 51.39% ו 58.79%.</li>
	<li>לנתח את היחסים בין כוח האינטראקציה ואת החלק הרשת של מצע סופר הידרופובי.</li>
</ol>

<ol><li>Guo, Z., Liu, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biomimic+from+the+superhydrophobic+plant+leaves+in+nature%3A+Binary+structure+and+unitary+structure%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Science%22%5BJournal%5D)">Biomimic from the superhydrophobic plant leaves in nature: Binary structure and unitary structure.</a> Plant Science. 172 (6), 1103-1112 (2007).</li>
<li>Koch, K., Bhushan, B., Barthlott, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diversity+of+structure%2C+morphology+and+wetting+of+plant+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Diversity of structure, morphology and wetting of plant surfaces.</a> Soft Matter. 4 (10), 1943-1963 (2008).</li>
<li>Gao, X., Jiang, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biophysics%3A+Water-repellent+legs+of+water+striders%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Biophysics: Water-repellent legs of water striders.</a> Nature. 432 (7013), 36(2004).</li>
<li>Yin, W., Zheng, Y. L., Lu, H. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+topographies+of+water+surface+dimples+formed+by+superhydrophobic+water+strider+legs%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional topographies of water surface dimples formed by superhydrophobic water strider legs.</a> Applied Physics Letters. 109 (16), 163701(2016).</li>
<li>Zheng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Elegant+Shadow+Making+Tiny+Force+Visible+for+Water-Walking+Arthropods+and+Updated+Archimedes%E2%80%99+Principle%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Elegant Shadow Making Tiny Force Visible for Water-Walking Arthropods and Updated Archimedes’ Principle.</a> Langmuir. 32 (41), 10522-10528 (2016).</li>
<li>Hu, D. L., Chan, B., Bush, J. W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+hydrodynamics+of+water+strider+locomotion%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">The hydrodynamics of water strider locomotion.</a> Nature. 424 (6949), 663-666 (2003).</li>
<li>Jiang, C. G., Xin, S. C., Wu, C. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drag+reduction+of+a+miniature+boat+with+superhydrophobic+grille+bottom%5BTitle%5D)+AND+%22AIP+Advances%22%5BJournal%5D)">Drag reduction of a miniature boat with superhydrophobic grille bottom.</a> AIP Advances. 1 (3), 032148(2011).</li>
<li>Guo, Z., Liang, J., Fang, J., Guo, B., Liu, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Novel+Approach+to+the+Robust+Ti6Al4V-Based+Superhydrophobic+Surface+with+Crater-like+Structure%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Engineering+Materials%22%5BJournal%5D)">A Novel Approach to the Robust Ti6Al4V-Based Superhydrophobic Surface with Crater-like Structure.</a> Advanced Engineering Materials. 9 (4), 316-321 (2007).</li>
<li>Guo, Z., Liu, W., Su, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+stable+lotus-leaf-like+water-repellent+copper%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">A stable lotus-leaf-like water-repellent copper.</a> Applied Physics Letters. 92 (6), 063104(2008).</li>
<li>Liu, K., Zhang, M., Zhai, J., Wang, J., Jiang, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bioinspired+construction+of+Mg-Li+alloys+surfaces+with+stable+superhydrophobicity+and+improved+corrosion+resistance%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Bioinspired construction of Mg-Li alloys surfaces with stable superhydrophobicity and improved corrosion resistance.</a> Applied Physics Letters. 92 (18), 61(2008).</li>
<li>Biance, A. L., Clanet, C., Quéré, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((First+steps+in+the+spreading+of+a+liquid+droplet%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+E+Statistical+Nonlinear+%26+Soft+Matter+Physics%22%5BJournal%5D)">First steps in the spreading of a liquid droplet.</a> Physical Review E Statistical Nonlinear & Soft Matter Physics. 69 (1), 016301(2004).</li>
<li>Eddi, A., Winkels, K. G., Snoeijer, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Short+time+dynamics+of+viscous+drop+spreading%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Fluids%22%5BJournal%5D)">Short time dynamics of viscous drop spreading.</a> Physics of Fluids. 25 (1), 77-177 (2017).</li>
<li>Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Viscous+to+Inertial+Crossover+in+Liquid+Drop+Coalescence%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence.</a> Physical Review Letters. 106 (11), 114501(2011).</li>
<li>Paulsen, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Approach+and+coalescence+of+liquid+drops+in+air%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+E%22%5BJournal%5D)">Approach and coalescence of liquid drops in air.</a> Physical Review E. 88 (6), 063010(2013).</li>
<li>Vakarelski, I. U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bubble+colloidal+AFM+probes+formed+from+ultrasonically+generated+bubbles%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Bubble colloidal AFM probes formed from ultrasonically generated bubbles.</a> Langmuir. 24 (3), 603-605 (2008).</li>
<li>Shi, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+forces+and+spatiotemporal+evolution+of+thin+water+films+between+an+air+bubble+and+solid+surfaces+of+different+hydrophobicity%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Measuring forces and spatiotemporal evolution of thin water films between an air bubble and solid surfaces of different hydrophobicity.</a> ACS Nano. 9 (1), 95-104 (2015).</li>
<li>Shi, C., Chan, D. Y. C., Liu, Q., Zeng, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+the+Hydrophobic+Interaction+between+Air+Bubbles+and+Partially+Hydrophobic+Surfaces+Using+Atomic+Force+Microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Physical+Chemistry+C%22%5BJournal%5D)">Probing the Hydrophobic Interaction between Air Bubbles and Partially Hydrophobic Surfaces Using Atomic Force Microscopy.</a> The Journal of Physical Chemistry C. 118 (43), 25000-25008 (2014).</li>
<li>Chung, K., Shaw, G. A., Pratt, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Accurate+noncontact+calibration+of+colloidal+probe+sensitivities+in+atomic+force+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">Accurate noncontact calibration of colloidal probe sensitivities in atomic force microscopy.</a> Review of Scientific Instruments. 80 (6), 930(2009).</li>
<li>Zheng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improving+environmental+noise+suppression+for+micronewton+force+sensing+based+on+electrostatic+by+injecting+air+damping%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">Improving environmental noise suppression for micronewton force sensing based on electrostatic by injecting air damping.</a> Review of Scientific Instruments. 85 (5), 055002(2014).</li>
<li>Song, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+sensitive%2C+precise%2C+and+traceable+measurement+of+force%5BTitle%5D)+AND+%22Instrumentation+Science+%26+Technology%22%5BJournal%5D)">Highly sensitive, precise, and traceable measurement of force.</a> Instrumentation Science & Technology. 44 (4), 15(2016).</li>
<li>Zheng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+multi-position+calibration+of+the+stiffness+for+atomic-force+microscope+cantilevers+based+on+vibration%5BTitle%5D)+AND+%22Measurement+Science+%26+Technology%22%5BJournal%5D)">The multi-position calibration of the stiffness for atomic-force microscope cantilevers based on vibration.</a> Measurement Science & Technology. 26 (5), 055001(2012).</li>
</ol>

. לסופר אין מה לגלות

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 הי...

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).
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq1.jpg">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.
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq2.jpg">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).
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq3.jpg">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).
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq4.jpg">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:
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq5.jpg">(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):
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq6.jpg">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):
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq7.jpg">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):
<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq8.jpg">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.

<table><tbody><tr><td>מצלמה</td><td>שנזן Andonstar Tech Co., Ltd</td><td>מיקרוסקופ דיגיטלי A1</td><td>קצב פריימים: 30 פריימים לשנייה; מרחק מוקד: 5 מ"מ - 30 מ"מ</td></tr><tr><td>גשר קיבולי</td><td>Andeen-Hagerling</td><td>AH2550A</td><td>הגשר הקיבולי משמש למדידת הקיבול בין השלוחה לאלקטרודת הצלחת.</td></tr><tr><td>מכשיר רכישת נתונים</td><td>National Instruments</td><td>USB-4431</td><td>מכשיר רכישת הנתונים משמש לקריאת נתוני מתח המוצא.</td></tr><tr><td>ספק כוח DC</td><td>Keithley</td><td>2410</td><td>טווח מתח: &plusmn; 5 &mu; V; דיוק: 0.012%</td></tr> <tr><td>מיקרוסקופ אלקטרונים</td> <td>ברשת</td> סין <td>AGH100, AGH150, AGH300</td><td>שברי הרשת של AGH100, AGH150 ו-AGH300 הם 46.18%, 51.39% ו-58.79% בהתאמה</td></tr><tr><td>לייזר</td><td>שנזן אינפרא אדום לייזר טכנולוגיה ושות', בע"מ.</td>אורך גל לייזר <td>HW650AD100-10BD</td><td>: 650</td></tr><tr><td>ננו-חלקיקים</td><td>חלודה-אוליאום</td><td>274232</td><td>NeverWet Multi-Surface Liquid Repelling Treatment הוא ציפוי סופר הידרופובי מהפכני.</td></tr><tr><td>ננו-מיקום z-stage</td><td>Physik Instrumente</td><td>P622. </td><td>ZCD Travel טווחי 50 ומיקרו; מ 'עד 250 ומיקרו; M (350 ומיקרו; m לולאה פתוחה); רזולוציה עד 0.1 ננומטר; שגיאת לינאריות רק 0.02%</td></tr><tr><td>גלאי רגיש למיקום</td><td>Hamamatsu Photonics K.K.</td><td>S1880</td><td>ה-PSD הדו-ממדי משמש לתרגום אותות אופטיים לאותות חשמליים.</td></tr></tbody></table>

מדידת הכוח האינטרקציה בין droplet למצע סופר-הידרופובי בשיטת המנוף האופטי

Measuring the Interaction Force Between a Droplet and a Super-hydrophobic Substrate by the Optical Lever Method

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.

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...

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.

מדידת הכוח האינטרקציה בין Droplet למצע סופר-הידרופובי בשיטת המנוף האופטי

The goal of this paper is to investigate the interaction force between droplets and super-hydrophobic substrates in the air. A measurement system based on ...

שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום הביוניקה ומכניקת הנוזלים, כגון מבנים סופרהידרופוביים של עלי לוטוס ותהליכי התמזגות טיפה. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא כי כוח בסולם של מיקרו ניוטון תת ניתן למדוד עם רזולוציה של קנה מידה של nanonewtons. שיטה זו יכולה לספק תובנה על תהליך המגע של טיפה ומבנים סופר הידרופוביים.וזה יכול להיות מיושם גם על תחומים אחרים של מדידת מיקרו כוח. אנשים שמעולם לא ביצעו טכניקה זו יתקשו כי המרחק בין טיפות לבין מצעים סופר הידרופובי קשה לשלוט במדויק. הכינו את מערכת המדידה על ספסל מעבדה מתאים.במרכז המערכת נמצא סיליקון cantilever, אשר מושעה מעל שלב Z nanopositioning. ה-cantilever באורך 5 מ"מ מותקן בקצה המחזיק. מצלמה במהירות גבוהה נמצאת במקום עם קו הראייה בניצב ל- cantilever.שלב nanopositioning Z יש תמיכה המחזיקה אלקטרודה כי בשלב זה. לבסוף, לייזר וגלאי רגיש למיקום מסודרים כדי למדוד את ההטיה cantilever. לאחר מדידת שיפוע קיבולות, השתמש באספקת כוח DC הנשלטת על-ידי מחשב כדי לכייל את הידית האופטית.סכמטי זה מספק והצגה של ההתקנה לכיול. אלקטרודה צלחת היא על הבמה ננו-מיקום Z. זה 100 מיקרומטר מתחת cantilever עם אורך חפיפה של חצי מילימטר אחד.ה- cantilever והאלקטרודה יוצרים קיבול, עם המשיכה החיובית של ספק הכוח DC המחובר עם ה- cantilever והמשיכה השלילית עם אלקטרודה הלוח. לאחר מכן, התאימו את המיקומים היחסיים של הלייזר, את הגלאי הרגיש למיקום ואת ה-cantilever. מסדרים אותם כך שקרן הלייזר משתקפת על ידי ה- cantilever לגלאי.במחשב, הגדר את קצב איסוף הנתונים של מתח היציאה של הגלאי לקילהרץ אחד. בתוכנת בקרת אספקת החשמל DC, הגדר את מתח ההתחלה לאפס וולט. הגדר את מתח הקצה ל-125 וולט.יש את עליית המתח במרווחים של 25 וולט. החזק כל ערך מתח למשך חמש שניות. מכיוון שהמתח מגוון, נטר את תפוקת המתח של גלאי המיקום הרגיש.לאחר רצף זה של מדידות, לבצע רצף אנלוגי החל עם המתח ב 125 וולט וירידה לאפס וולט במרווחים של 25 וולט. השתמש בנתונים מחמש מדידות שלמות כדי ליצור התוויה שבה השיפוע הוא קבוע המידתיות בין כוח האינטראקציה למתח היציאה הרגיש של הגלאי. כדי להתכונן למדידות, נתק את ספק הכוח DC מהצלחת ו- cantilever.לאחר מכן, לעבוד עם שלב Z nanopositioning. זהה את האלקטרודה על הצלחת שלה תמיכה ולהסיר הן על ידי הסרת התמיכה מהבמה. במקום שלהם, לדפוק תמיכה צלחת חדשה לשלב z לפני שתמשיך.ודא שקו הראייה של המצלמה המהירה ניצב עד ה-cantilever. לאחר מכן, קבל מבנה סופר הידרופובי לתמיכה בצלחת. השתמש במבנה עם זווית מגע של כמעט 180 מעלות כדי להשעות את טיפת המים מן cantilever.לניסוי, להדביק מבנה זה לתמיכה צלחת על הבמה Z. עם פיפטה זעירה, מניחים טיפת מים של שני מיקרוליטר על המבנה הסופרהידרופובי. עכשיו להתחיל לעבוד עם תוכנת שלב nanopositioning.בתוכנה זו, עבור לתיבת דו-שיח המהירות והגדר את המהירות ל- 10 מיקרומטר לשנייה. לחץ על לחצן קדימה כדי להתחיל את הירידה נעה כלפי מעלה. לחץ על עצור כאשר הנפתח יוצר קשר עם הקצה הפנוי של ה- cantilever.לאחר שניה או שתיים, הזז ידנית את שלב Z הרחק מה- cantilever. טיפת מים מיספרית צריכה להישאר תלויה מפני השטח התחתונים של הקן. כדי להמשיך, להסיר את המבנה superhydrophobic מן התמיכה צלחת ולקבל מצע סופר הידרופובי להחליף אותו.מצע זה מורכב חצץ נחושת עם ריסוס על חלקיקים. המצע מודבק על גליל. למצע זה יש שבר רשת של 46.18%מקם את המצע בתמיכת הלוח.התאימו את מיקום המצע הסופר-הידרופובי כך שיהיה 100 מיקרומטר מהטפה המיספרית על המצע. כשהגלאי, הלייזר והמצלמה פועלים, חזרו לעבודה עם תוכנת בקרת הננו-מיקום. בתיבת דו-שיח המהירות, הגדר את המהירות ל- 10 מיקרומטר לשנייה.לחץ על לחצן קדימה כדי להפעיל את המצע נע כלפי מעלה. לחץ על עצור כאשר המצע והשחרר יוצרים קשר. לחץ על לחצן 'הקודם' כדי להזיז את המצע הסופרהידרופובי כלפי מטה.לחץ על לחצן העצור כאשר המצע והשחרר מופרדים. קיימים תרחישים שונים המיוצגים בחלקות אלה של זמן פסוקים של כוח האינטראקציה. התמקדות ראשונה בנתונים בעקומה השחורה שהיא עבור המצע עם שבר רשת 46.18%בתחילה, המצע והירידה רחוקים ממגע.בשלב זה, הכוח הוא אפס. ככל שהריחוק בין המצע לירידה יורד, נוצר כוח דוחה. הדבר בא לידי ביטוי בעלייה בכוח.ברגע שהמצע והטיפת באים במגע, הכוח בין השניים הופך לאטרקטיבי, מה שמוביל לירידה בעקומה כאשר טיפת המצע מרפרפת בהדרגה את המצע באמצעות פעולה נימית. בסופו של דבר, התנודה מתנוודה סביב תנוחת שיווי משקל. כאשר נעשה שימוש בשברים אחרים ברשת גבוהה יותר, עוצמת הכוח בין הירידה למצע פוחתת.בעת ניסיון הליך זה, חשוב לזכור כי לא ניתן לשנות את המיקום הרלוונטי בין לייזר, PSD ו- cantilever. מה שיכול להבטיח את הדיוק של תוצאות המדידה. לאחר התפתחותה, טכניקה זו סוללת דרך למחקרים בתחום מדידת כוח המתח לחקור את הכוח במהלך טיפות במגע עם מצע באוויר.

measuring-interaction-force-between-droplet-super-hydrophobic

Research

JoVE Journal

Engineering

הנדסה

ניתן להשתמש בננוסקופיה של בדיקה קולואידית במגוון תחומים כדי לקבל תובנה לגבי היציבות הפיזית וקינטיקה של קרישה של מערכות קולואידיות ולסייע במדעי גילוי וניסוח תרופות באמצעות מערכות ביולוגיות. השיטה המתוארת בה מספקת אמצעי כמותי ואיכותי לחקר מערכות כאלה.

בחינה כמותית ואיכותי של אינטראקציות חלקיקי חלקיקים באמצעות קולואיד Probe Nanoscopy

מתואר הפרוטוקול לייצור ותפעול של התקני הרטבת שדה (Field-DW), כמו גם המחקרים הראשוניים של השפעות השדות החשמליים על תכולת הטיפות.

ניצול של אינטראקציה אגל-פני השטח מופחת למטב תחבורה של Bioanalytes במיקרופלואידיקה הדיגיטלי

מוצג פרוטוקול לחיבור מגוון גדול של מולקולות בודדות באופן קוולנטי לקצה AFM. ניתנים נהלים ודוגמאות לקביעת כוח ההדבקה והאנרגיה החופשית של מולקולות אלה על תומכים מוצקים וממשקים ביולוגיים.

חוקר מולקולה בודדת הדבקה על ידי הכוח האטומי ספקטרוסקופיה

אנו מציגים טכניקה חדשה למדידת הדיפוזיה הרוחבית של מין פעיל על פני השטח בממשק נוזל-נוזל על ידי מיזוג חד-שכבת טיפה על חד-שכבה שטוחה.

שחזור הקרינה לאחר מיזוג אגל למדוד דיפוזיה דו ממדים של חד שכבתי פוספוליפידים

עבודה זו מציגה שיטה פשוטה וחזותית לזהות פולימורפיזם רב-נוקלאוטיד על פלטפורמת מניפולצית אגל פנאומטי. עם השיטה המוצעת, הניסוי כולו, כולל מניפולציה אגל וזיהוי של פולימורפיזם רב-נוקלאוטיד, יכול להתבצע ליד 23 מעלות צלזיוס ללא סיוע של מכשירים מתקדמים.

החזותי איתור מדד-צבע של פולימורפיזם רב-נוקלאוטיד על פלטפורמת מניפולציה אגל פניאומטיים

אנחנו מציגים מספר מתודולוגיות לייצר משטחי מתכת superhydrophobic, וכן לבחון את עמידות ומאפייני האנטי הציפוי.

ייצור של משטחי מתכת Superhydrophobic עבור יישומים ציפוי אנטי

פרוטוקול ללמוד התרומות של גלים droplet דיינמיקס ההשפעה על סרטים נוזלי זורם מוצג.

סרט שליטה ללמוד תרומות של גלים Droplet דיינמיקס ההשפעה על סרטים נוזלי זורם דק

אנו מציגים פרוטוקול ללמוד את היווצרות של הידרטים בנוכחות של מפעילי nonionic על הממשק של droplet מים שקוע ב ציקלופנטאן. הפרוטוקול כולל בניית וסת. בעלות נמוכה, ניתן לתיכנות ומווסת טמפרטורה מערכת בקרת הטמפרטורה משולבת עם טכניקות ויזואליזציה ומדידות לחץ פנימי.

לימוד השפעות הסקר על התגבשות מימה ב ממשקי שמן מים באמצעות מכשיר מודולרי משולב בעלות נמוכה

פרוטוקול זה מאפשר איסוף יעיל של תמונות במהירות גבוהה ניסיוני של השפעות ירידה נוזלית, ניתוח מהיר של נתונים אלה בקבוצות. כדי לייעל תהליכים אלה, השיטה מתארת כיצד לכייל ולהגדיר מכשירים, ליצור מבנה נתונים מתאים ולפרוס קובץ script לניתוח תמונה.

ניתוח תפוקה גבוהה של השפעות של Droplet נוזלי

המטרה הכוללת של הפרוטוקול היא להכין מעל 1,000,000 הורה, אחיד, יציב, ותואם ביולוגי טיפות של ליטר על 1 ס מ2 מצע מישורי שניתן להשתמש בו עבור סינתזה של חלבון תא ללא.

מערך מערכת Droplet ליטר ליצירת חלבון מקבילי בנפט ממולקולות דנ א יחיד

פרוטוקול זה משתמש בפינצטה אופטית כפולה כדי למדוד כוחות בין טיפות בזמן אמת במהלך העיכול האנזימטי של תחליבים. הוא מקל על חקר יציבות האמולסיה ודינמיקת הטיפות, עם יישומים במדעי המזון ובתרופות.

מדידת כוח בזמן אמת בין טיפות אמולסיה במהלך התמוטטות אנזימטית

למד מדידת כוח אינטראקציה בין טיפות למצעים סופר-הידרופוביים באמצעות מנוף אופטי. שיטה זו מאפשרת רזולוציית ננוניוטון לחקר מכניקת זורמים וביוניקה.

מדידת הכוח האינטרקציה בין Droplet למצע סופר-הידרופובי בשיטת המנוף האופטי

גלה סרטונים נוספים