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

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.