光レバー法による液滴と超疎水性基板間の相互作用力の測定

この方法は、蓮の葉の超疎水性構造や液滴合体プロセスなど、バイオニクスや流体力学の分野における重要な質問に答えるのに役立ちます。この技術の主な利点は、ナノニュートンのスケールの解像度でサブマイクロニュートンのスケールの力を測定することができるということです。この方法は、液滴と超疎水性構造の接触過程に関する洞察を提供することができる。

また、マイクロフォース測定の他の分野にも適用できます。この技術を行ったことがない人は、液滴と超疎水性基質との距離が正確に制御することが困難であるため、苦労します。適切なラボベンチで測定システムを準備します。

システムの中心にはシリコンカンチレバーがあり、ナノ位置合わせZステージに吊り下げられます。5ミリメートル長いカンチレバーは、ホルダーの端に取り付けられています。片持ち面に垂直な視線を持つ高速カメラが設置されています。

ナノポジショニングZ段は、この時点で電極を保持する支持体を有する。最後に、レーザーと位置感受性検出器を配置して、片持ち面の偏向を測定します。容量勾配を測定した後、コンピュータ制御DC電源を使用して、光レバーをキャリブレーションします。

この回路図は、キャリブレーションの設定の概要と概要を示します。プレート電極は、ナノ位置合わせZ段階にあります。それは100マイクロメートルの片持ち器の下にあり、オーバーラップ長さは1/2ミリメートルである。

カンチレバーと電極はコンデンサを形成し、直流電源の正の引きと共に、プレート電極でカンチレバーと負の引きとを接続する。次に、レーザーの相対位置、位置感度検出器、およびカンチレバーを調整する。レーザービームがカンチレバーで検出器に反射するようにそれらを配置します。

コンピュータで、検出器出力電圧のデータ取得速度を1キロヘルツに設定します。DC 電源制御ソフトウェアで、開始電圧をゼロボルトに設定します。終了電圧を125ボルトに設定します。

電圧を25ボルト単位で増加させます。各電圧値を5秒間保持します。電圧が変化するに応じて、位置感知検出器の電圧出力を監視します。

この一連の測定の後、125ボルトの電圧で始まり、25ボルト単位でゼロボルトに減少する類似のシーケンスを実行します。5つの完全な測定値のデータを使用して、インタラクションフォースと位置感知検出器出力電圧の間の比例定数が傾きとなるプロットを作成します。測定の準備をするために、DC電源をプレートとカンチレバーから取り外します。

次に、ナノ位置決めZステージを使用します。プレート支持体の電極を特定し、ステージから支持を外して両方を取り外します。その代わりに、zステージに新しいプレートサポートをねじ込んでから続行します。

高速カメラの視線が片持ち面に垂直であることを確認します。次に、プレート支持のための超疎水構造を得る。カンチレバーから水滴を吊り下げるには、ほぼ180度の接触角を持つ構造を使用してください。

実験のために、この構造をZステージのプレート支持体に貼り付ける。マイクロピペットを使用して、超疎水性構造上に2マイクロリットルの水滴を置きます。今、ナノ位置決め段階のソフトウェアで作業を開始します。

このソフトウェアでは、速度ダイアログボックスに移動し、毎秒10マイクロメートルに速度を設定します。前方ボタンをクリックして、ドロップレットを上に移動させます。滴がカンチレバーの自由端に接触したら、停止をクリックします。

1~2秒後、手動でZステージを片持ちから離します。半球状の水滴は、カンチレバーの下面から懸濁したままにする必要があります。続けるには、プレート支持体から超疎水性構造を取り除き、それを交換する超疎水性基材を得る。

この基板は、ナノ粒子に散布された銅グリットで構成されています。基板はシリンダーに接着されています。この基板は、46.18%のグリッド分率を有し、基板をプレート支持体に配置する。

超疎水性基材の位置を調整し、カンチレバーの半球状の液滴から100マイクロメートルになるようにします。検出器、レーザー、カメラをオンにして、ナノ位置制御ソフトウェアで作業に戻ります。速度ダイアログボックスで、速度を毎秒10マイクロメートルに設定します。

前方ボタンをクリックして、基板を上方に移動させます。基板と液滴が接触する場合は、停止をクリックします。背面ボタンをクリックして、超疎水性基板を下に移動します。

基板と液滴が分離されている場合は、停止ボタンをクリックします。インタラクションフォースの詩時間のこれらのプロットに表されるさまざまなシナリオがあります。まず、グリッド画分46.18%の基板用の黒い曲線のデータに焦点を当てると、基板と液滴は接触から遠い。

この時点では、力はゼロです。基板と液滴の距離が短くなるほど、反発力が生じる。これは力の増加によって反映されます。

基板と液滴が接触すると、両者の間の力が魅力的になり、液滴が毛細血管作用を通じて基板を徐々に濡らすにつれて曲線が低下する。最終的に、カンチレバーは平衡位置の周りに振動する。他のより高いグリッド画分を使用すると、液滴と基板間の力の大きさが減少する。

この手順を試みる際には、レーザー、PSD、およびカンチレバーの間の関連する位置を変更することはできません覚えておくことが重要です。測定結果の正確さを保障することができる。開発後、この技術は、空気中の基質と接触する液滴の間に力を探査する緊張力測定の分野の研究のための道を開きます。