Misurazione della forza di interazione tra una goccia e un substrato super-idrofobico con il metodo della leva ottica

Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo della bionica e della meccanica dei fluidi, come le strutture superidropobiche delle foglie di loto e i processi di coalescenza delle goccioline. Il principale vantaggio di questa tecnica è che una forza sulla scala dei sub micro-newton può essere misurata con una risoluzione di scala di nanonewton. Questo metodo potrebbe fornire informazioni sul processo di contatto di goccioline e strutture superidrophobiche.

E può anche essere applicato ad altri campi di misurazione della micro forza. Gli individui che non hanno mai eseguito questa tecnica avranno difficoltà perché la distanza tra goccioline e substrati superidropobici è difficile da controllare con precisione. Preparare il sistema di misurazione su un banco di laboratorio appropriato.

Al centro del sistema c'è il cantilever di silicio, che è sospeso su uno stadio Z di nanoposizionamento. Il sbalzino lungo cinque millimetri è montato all'estremità del supporto. Una telecamera ad alta velocità è in posizione con la linea di vista perpendicolare al sbalzino.

Lo stadio Z di nanoposizionamento ha un supporto che contiene un elettrodo che a questo punto. Infine, un laser e un rilevatore sensibile alla posizione sono disposti per misurare la deflessione a sbalzi. Dopo aver misurato il gradiente di capacità, utilizzare un alimentatore CC controllato dal computer per calibrare la leva ottica.

Questo schema fornisce e visualizza l'impostazione per la calibrazione. Un elettrodo a piastre è sullo stadio Z di nanoposizionamento. Si trova a 100 micrometri sotto il sbalzino con una lunghezza di sovrapposizione di mezzo millimetro.

Il sbalzino e l'elettrodo formano un condensatore, con l'attrazione positiva dell'alimentatore CC collegato al sbalzino e la trazione negativa con l'elettrodo a piastre. Quindi, regolare le posizioni relative del laser, il rilevatore sensibile alla posizione e la sbalziola. Disporre in modo che il raggio laser sia riflesso dal cantilever al rivelatore.

Al computer, impostare la velocità di acquisizione dei dati della tensione di uscita del rivelatore su un kilohertz. Nel software di controllo dell'alimentazione CC, impostare la tensione di avvio su zero volt. Impostare la tensione finale su 125 volt.

Avere l'aumento di tensione in incrementi di 25 volt. Mantenere ogni valore di tensione per cinque secondi. Poiché la tensione è varia, monitorare l'uscita di tensione del rilevatore sensibile alla posizione.

Dopo questa sequenza di misurazioni, eseguire una sequenza analoga a partire dalla tensione a 125 volt e diminuendo a zero volt in incrementi di 25 volt. Utilizzare i dati di cinque misurazioni complete per creare un plottaggio in cui la pendenza è la costante di proporzionalità tra la forza di interazione e la tensione di uscita del rivelatore sensibile alla posizione. Per prepararsi alle misurazioni, scollegare l'alimentatore CC dalla piastra e dalla sbalziola.

Quindi, lavorare con lo stadio Z di nanoposizionamento. Identificare l'elettrodo sul supporto della piastra e rimuoverlo svitando il supporto dallo stadio. Al loro posto, avvitare un nuovo supporto della piastra allo stadio z prima di continuare.

Assicurarsi che la linea di vista della telecamera ad alta velocità sia perpendicolare al sbalzino. Quindi, ottenere una struttura superidropobica per il supporto della piastra. Utilizzare la struttura con un angolo di contatto di quasi 180 gradi per sospendere la goccia d'acqua dal sbalzino.

Per l'esperimento, apporre questa struttura sul supporto della piastra sullo stadio Z. Con una micro pipetta, posizionare una goccia d'acqua a due microliter sulla struttura superidropobica. Ora iniziate a lavorare con il software in fase di nanoposizionamento.

In questo software, vai alla finestra di dialogo della velocità e imposta la velocità su 10 micrometri al secondo. Fare clic sul pulsante avanti per avviare la goccia che si sposta verso l'alto. Fare clic su Interrompi quando la goccia contatta l'estremità libera del sbalzino.

Dopo uno o due secondi, spostare manualmente lo stadio Z lontano dal sbalzino. Una goccia d'acqua emisferica dovrebbe rimanere sospesa dalla superficie inferiore del cantilever. Per continuare, rimuovere la struttura superidropobica dal supporto della piastra e ottenere un substrato superidropobico per sostituirla.

Questo substrato è costituito da una grana di rame con spruzzata su nanoparticelle. Il substrato è incollato su un cilindro. Questo substrato ha una frazione di griglia del 46,18%Posizionare il substrato sul supporto della piastra.

Regolare la posizione del substrato superidropobico in modo che sia a 100 micrometri dalla goccia emisferica sul sbalzino. Con il rilevatore, il laser e la fotocamera in movimento, torna a lavorare con il software di controllo del nanoposizionamento. Nella finestra di dialogo della velocità, impostare la velocità su 10 micrometri al secondo.

Fare clic sul pulsante avanti per avviare lo spostamento verso l'alto del substrato. Fare clic su Interrompi quando il substrato e la goccia vengono a contatto. Fare clic sul pulsante Indietro per spostare il substrato superidropobico verso il basso.

Fare clic sul pulsante di arresto quando il substrato e la goccia sono separati. Ci sono diversi scenari rappresentati in questi grafici di Interaction Force versi Tempo. Prima attenzione ai dati nella curva nera che è per il substrato con frazione di griglia 46.18%Inizialmente, il substrato e la goccia sono lontani dal contatto.

A questo punto, la forza è zero. Man mano che la distanza tra il substrato e la goccia diminuisce, sorge una forza ripugnante. Ciò si riflette nell'aumento della forza.

Una volta che il substrato e la goccia entrano in contatto, la forza tra i due diventa attraente, portando a una diminuzione della curva man mano che la goccia lascia gradualmente il substrato attraverso l'azione capillare. Alla fine, il sbalzino oscilla attorno a una posizione di equilibrio. Quando vengono utilizzate altre frazioni di griglia più elevate, la grandezza della forza tra la goccia e il substrato diminuisce.

Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordare che la posizione rilevante tra laser, PSD e cantilever non può essere modificata. Che può garantire l'accuratezza dei risultati delle misurazioni. Dopo il suo sviluppo, questa tecnica apre la strada alle ricerche nel campo della misurazione della forza di tensione per esplorare la forza durante le goccioline a contatto con il substrato nell'aria.