Name: 광학 레버 방법으로 액적과 초소수성 기판 사이의 상호 작용력 측정 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-06-14T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 18 s
Description: 배우세요 광학 레버 방법으로 액적과 초소수성 기판 사이의 상호 작용력을 측정하는 기술을. 나노뉴턴 해상도로 미세 힘을 측정하여 생체 모방 및 유체역학 연구에 활용할 수 있습니다.

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저자는 천진 자연 과학 재단 (No. 18JCQNJC04800), 마찰학의 국가 핵심 연구소의 마찰 과학 기금 (아니. SKLTKF17B18) 및 중국 국립 자연 과학 재단 (그랜트 번호 51805367)의 지원을 위해.

1. SOL 교정 시스템 조립
<ol><li>그림2에 표시된 회로도 도면에 따라 SOL 교정 시스템을 조립합니다.</li>
	<li>레이저와 수평 방향 사이의 각도를 45°로 만들어 레이저를 지지체에 고정합니다.</li>
	<li>PSD를 다른 지지체로 고정하여 PSD를 레이저에 수직으로 만듭니다. PSD를 데이터 수집 장치와 데이터 수집 장치에 컴퓨터에 연결합니다. 참고: 이러한 각도는 실험자의 시각적 측정에 의해 결정되며 정확히 45° 또는 90°일 필요는 없습니다.</li>
	<li>캔틸레버의 넓은 끝을 다른 쪽 끝이 일시 중단된 상태에서 고정 장치에 고정합니다. 홀딩 장치를 2차원 고정밀 변위 단계로 고정합니다. 참고: 캔틸레버의 치수는 그림3에 나와 있습니다.</li>
	<li>클램핑 장치에 의해 플레이트 전극을 나노 포지싱 z 단계에 고정합니다. 참고: 나노포지셔닝 z-stage는 1 nm의 변위 분해능으로 z축을 따라 이동하는 전극을 가져올 수 있습니다.</li>
	<li>용량성 브리지의 양극을 캔틸레버와 음극과 플레이트 전극에 연결합니다.</li>
	<li>캔틸레버에 수직인 고속 카메라를 설치합니다.</li>
	<li>플레이트 전극의 위치를 조정하여 플레이트 전극과 캔틸레버 사이의 수직 거리를 약 100 μm이고, 길이가 약 0.5 mm입니다. 참고: 이러한 거리는 이미지 처리에 의해 확인됩니다.</li>
</ol>2. 정전 용량 그라데이션 의 측정
<ol><li>컴퓨터를 사용하여 정전 용량 브리지를 제어하여 플레이트 전극과 캔틸레버 사이의 정전 용량 변화를 실시간으로 수집합니다. 샘플링 속도를 0.5Hz로 설정합니다.</li>
	<li>나노포지팅 z-스테이지를 컴퓨터별로 제어하여 플레이트 전극을 10 μm의 스텝과 6의 스텝 번호로 위쪽으로 스텝하고 각 운동 후 10s동안 유지하도록 한다.</li>
	<li>플레이트 전극의 이동 방향을 하향으로 변경하고 2.2단계를 반복합니다.</li>
	<li>측정 결과에서 플레이트 전극의 정전 용량과 변위 사이의 관계를 결정하고, Eq.(3)에 따른 P의 값을 얻는다.</li>
	<li>2.1-2.4 5x 단계를 반복하고 P의 평균 값을 계산합니다.</li>
</ol>3. 광학 레버의 교정
<ol><li>정전 용량 브리지와 캔틸레버/플레이트 전극 간의 연결을 분리합니다.</li>
	<li>DC 전원 공급 장치의 양극을 캔틸레버와 음극과 플레이트 전극에 연결합니다.</li>
	<li>레이저, PSD 및 캔틸레버 사이의 상대 위치를 조정하여 레이저가 캔틸레버에 의해 PSD에 반사되도록 합니다. 참고: 레이저 스폿은 직경 약 2mm의 원입니다.</li>
	<li>병렬 플레이트 커패시터에서 시간에 따라 다양한 전압을 적용하기 위해 컴퓨터로 DC 전원 공급 장치를 제어합니다. 동시에, 데이터 수집 장치에 의해 PSD의 출력 전압을 실시간으로 수집한다.<ol>
<li>데이터 수집 장치의 샘플링 속도를 1,000Hz로 설정합니다.</li>
		<li>DC 전원 공급 장치의 초기 전압을 0V로 설정하고 5초 동안 유지합니다.</li>
		<li>전압을 25V로 늘리고 5초 동안 유지합니다.</li>
		<li>전압이 125V로 증가할 때까지 3.4.3 4x 단계를 반복합니다.</li>
		<li>전압을 25V 로 줄이고 5초 동안 유지합니다.</li>
		<li>전압이 0V로 감소할 때까지 3.4.5 4x 단계를 반복합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>측정 결과에서 PSD의 출력 전압과 DC 공급 전압에 대한 관계를 결정하고 Eq. (8)에 따라 S OL의 값을 얻습니다.</li>
	<li>단계 3.4-3.5 5x를 반복하고 SOL의 평균 값을 계산합니다.</li>
</ol>4. 초소수성 기판의 준비
<ol><li>동일한 직경 3mm의 원형 구리 그리드와 다른 그리드 분획을 준비합니다. 그리드 분율은 각각 46.18%, 51.39%, 58.79%입니다. 참고 : 이 구리 그리드는 구입 한 상용 제품입니다.</li>
	<li>나노 입자를 세 개의 구리 그리드에 분무하여 마이크로 구조와 소수성을 가진 초소수성 기판을 얻습니다.<ol>
<li>베이스 코트를 구리 그리드에 스프레이합니다.</li>
		<li>첫 번째 코트가 건조할 때 상단 코트를 구리 그리드에 스프레이합니다. 참고 : 나노 입자는 스프레이 헤드가있는 캔에 포장됩니다. 나노 입자는 사용 시 스프레이 헤드를 눌러 분무됩니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>직경 3mm의 실린더 측면에 구리 그리드를 접착제로 하여 곡률이 1/3mm-1인표면 슈퍼 소수성 구조를 얻습니다.</li>
</ol>5. 액적과 초소수성 기판 사이의 상호 작용 력 측정
<ol><li>DC 전원 공급 장치와 캔틸레버/플레이트 전극 간의 연결을 분리합니다. 나노 포지싱 z 단계에서 플레이트 전극을 제거합니다.</li>
	<li>나노 포지셔닝 z 단계에 플레이트 지지체를 고정합니다.</li>
	<li>캔틸레버에 수직인 고속 카메라를 설치합니다.</li>
	<li>캔틸레버의 자유 단부 아래쪽에 액적을 일시 중단합니다.<ol>
<li>플레이트 지지대에 접촉각이 거의 180°인 초소수성 구조를 배치합니다.</li>
		<li>마이크로파이터를 사용하여 초소수성 구조상에 2 μL 액적을 놓습니다.</li>
		<li>소프트웨어(예: PIMikroMove)를 사용하여 나노 포지셔닝 z-스테이지를 제어하여 액적을 위쪽으로 이동시도록 유도합니다.<ol>
<li>대화 상자에서 속도를 10 μm/s로 설정합니다.</li>
			<li>앞으로 버튼을 클릭하고 물방울이 위쪽으로 이동하기 시작합니다.</li>
			<li>방울이 캔틸레버의 자유 단부와 접촉할 때 정지 버튼을 클릭합니다.</li>
		</ol>
</li>
		<li>1 또는 2 s에 대 한 체류, 다음 캔틸레버에서 슈퍼 소수성 구조를 구동 하는 나노 포지셔닝 z 단계를 제어. 참고 : 실리콘 캔틸레버가 친수성이기 때문에 물방울은 캔틸레버의 자유 단부의 하부 표면에 매달려 약 0.5 mm의 직경의 반구형 액적을 형성합니다.</li>
		<li>플레이트 지지대에서 거의 180°의 접촉각도로 초소수성 구조를 제거합니다.</li>
	</ol>
</li>
	<li>플레이트 지지체에 46.18%의 그리드 분율을 가진 초소수성 기판을 놓습니다.</li>
	<li>플레이트 지지체의 위치를 조정하여, 초소수성 기판과 반구형 액적 사이의 수직 거리를 약 100 μm로 한다. 참고: 거리는 이미지 처리에 의해 확인됩니다.</li>
	<li>PSD, 레이저 및 고속 카메라를 켭니다.</li>
	<li>컴퓨터로 데이터 수집 장치를 제어하여 PSD의 출력 전압을 실시간으로 수집합니다. 샘플링 속도를 100kHz로 설정합니다.</li>
	<li>소프트웨어에서 속도를 10 μm/s로 설정한 다음 앞으로 단추를 클릭하여 초소수성 기판이 물방울에 점차 더 가까워지도록 합니다.</li>
	<li>슈퍼 소수성 기판과 액적 접촉 시 정지 버튼을 클릭합니다.</li>
	<li>소프트웨어에서 속도를 10 μm/s로 설정한 다음 뒤로 버튼을 클릭하여 초소수성 기판을 구동하여 아래쪽으로 이동합니다.</li>
	<li>초소수성 기판이 액적에서 분리되면 정지 버튼을 클릭합니다.</li>
	<li>시간에 따라 달라지는 PSD 출력 전압의 곡선을 그립니다.</li>
	<li>51.39%와 58.79%의 그리드 분율이 있는 초소수성 기판을 사용하여 5.4-5.13 단계를 반복합니다.</li>
	<li>초소수성 기판의 상호작용력과 그리드 분율 사이의 관계를 분석합니다.</li>
</ol>

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<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>
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<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>

저자는 공개 할 것이 없습니다.

이 프로토콜에서는 광학 레버 방법을 기반으로 하는 측정 시스템이 조립 및 보정되며, 이는 액적과 초소수성 기판 사이의 상호 작용력을 측정하도록 설계되었습니다. 모든 단계 중에서 정전기력을 사용하여 S OL을 교정하는 것이 중요합니다. 교정 실험의 결과는 Eq. (8) 확인: P(1/Vp1-1/Vp2)는2(1/Vs12-1/Vs22)에 비례하며, PSD의 출력 전압을 통해 측정할 수 있습니다. 서로 다른 소수성의 액적과 초소수성 기판 사이의 상호 작용력을 측정하는 실험을 통해, 소수성 용량의 증가와 함께 상호 작용력이 감소하여, 그 사이의 관계를 검증한다. 기판의 소수성 및 표면 에너지.
밀리미터실리콘 캔틸레버를 기반으로 하는 힘 측정 방법은 기존의 방법을 보완하는 중요한 방법입니다....

물방울과 초소수성 표면 사이의 접촉은 일상 생활과 산업 생산에서 매우 일반적입니다 : 연꽃잎 1,2의표면에서 미끄러지는 물방울및 물 위에 빠르게 이동하는 물 보폭3 ,4,5,6. 선박의 외부 표면에 슈퍼 소수성 코팅은 선박의 부식 정도를 줄이고 탐색 7,8,9,10의저항을 감소시키는 데 도움이 될 수 있습니다. 물방울과 초소수성 표면 사이의 접촉 공정을 연구하는 산업 생산 및 바이오닉스 연구에 큰 가치가 있습니다.
단단한 표면에 액적의 확산 과정을 관찰하기 위해, Biance는 접촉 과정을 촬영하기 위해 고속 카메라를 사용하고 관성 정권의 지속 시간은 주로 낙하 크기11에의해 고정된다는 것을 발견했다. Eddi는 고속 카메라를 사용하여 바닥과 측면으로부터 액적과 투명 플레이트 사이의 접촉 과정을 촬영하여 시간12와점성 방울의 접촉 반경의 변화를 포괄적으로 밝혔습니다. Paulsen은 고속 카메라 관찰과 전기 적 방법을 결합하여 응답 시간을 10 ns13,14로줄였습니다.
원자력 현미경 검사법 (AFM)은 또한 액적 / 거품과 고체 표면 사이의 상호 작용 력을 측정하는 데 사용되었습니다. 바카렐스키는 AFM 캔틸레버를 사용하여 마이크로미터에서 나노미터 15까지의 스케일에서 제어된 충돌 동안 수성 용액에서 두 개의 작은기포(약 80-140 μm) 사이의 상호작용력을 측정했습니다. Shi는 AFM과 반사 간섭 대비 현미경 검사법(RICM)의 조합을 사용하여 서로 다른 소수성의 기포와 운모 표면 사이의 박막의 상호 작용력과 시공간적 진화를 동시에 측정했습니다. 16,17.
그러나 AFM에 사용되는 상업용 캔틸레버가 너무 작기 때문에 캔틸레버에 조사된 레이저 스폿은 물방울이나 기포에 의해 침수됩니다. AFM은 공기 중의 액적과 액적/기판 간의 상호 작용력을 측정하는 데 어려움이 있습니다.
이 백서에서는 광학 레버 방법을 기반으로 하는 측정 시스템이 액적과 초소수성 기판 간의 상호 작용력을 측정하도록 설계되었습니다. 광학 레버(S OL)의 힘 감도는 정전기력18에의해 보정되고, 그 다음에 액적과 상이한 초소수성 기판 사이의 상호작용력은 측정 시스템에 의해 측정된다.
측정 시스템의 회로도 도는 그림 1에나와 있습니다. 레이저 및 위치 감지 검출기(PSD)는 광학 레버 시스템을 구성합니다. 밀리미터형 실리콘 캔틸레버가 시스템의 민감한 부품으로 사용됩니다. 기판은 수직 방향으로 이동할 수있는 나노 포지싱 z 단계에 고정되어 있습니다. 기판이 액적에 접근하면 상호 작용력으로 인해 캔틸레버가 구부러집니다. 따라서 PSD의 레이저 스폿의 위치가 변경되고 PSD의 출력 전압이 변경됩니다. PSD V p의 출력 전압은 Eq. (1)에 도시된 바와 같이 상호작용력 Fi에 비례한다.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq1.jpg">⑴
상호 작용 력을 얻으려면 S OL을 먼저 보정해야 합니다. 정전기력은 S OL의 교정에서 표준 힘으로사용됩니다. 도2에 도시된 바와 같이, 캔틸레버와 전극은 평행 플레이트 커패시터를 구성하며, 이는 수직 방향으로 정전기력을 생성할 수 있다. 정전기력 F es는 Eq. (2)19,20,21에도시된 바와 같이 DC 전원 공급 장치 V의전압에 의해 결정됩니다.
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq2.jpg">⑵
C는 평행 플레이트 커패시터의 정전 용량이며, z는 캔틸레버 프리 엔드의 변위이며, dC/dz는 정전 용량 그라데이션이라고 합니다. 정전 용량은 정전 용량 브리지에 의해 측정될 수 있습니다. C와 z 사이의 수학적 관계는 Eq. (3)에 도시된 바와 같이 이차 다항식에 의해 장착될 수 있다.
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq3.jpg">③
여기서 Q, P 및 CT는 이차 용어, 기본 용어 및 상수 용어각각의 계수입니다. 따라서, 정전기력 Fes는 Eq.(4)로 표현될 수 있다. 
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq4.jpg">④
커패시터의 두 플레이트의 중첩 면적이 매우 작기 때문에 캔틸레버에 작용한 탄성력은 Hooke의 법칙에 따라 Eq. (5)로 표현될 수 있습니다.
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq5.jpg">⑤
여기서 k는 캔틸레버의 강성입니다.
캔틸레버에 가해지는 탄성력과 정전기력이 같을 때(즉,Fi = Fes),캔틸레버가 평형상태이다. Eq. (6)는 Eqs로부터 유래될 수 있다. (1), (2) 및 (5):
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq6.jpg">⑥
교정 결과의 불확실성을 줄이기 위해 차이 메서드를 사용하여 SOL을계산합니다. 두 실험의 결과는 Vs1,Vp1 및 Vs2,Vp2로촬영되고 Eq. (6)로 대체됩니다.
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq7.jpg">⑦
방정식을 변환하고 Eq.(7)의 상부 방정식에서 하부 방정식을 빼면 매개변수 Q와 k가 제거됩니다. 그런 다음 Eq. (8)에 표시된 대로 S OL의 교정 공식을 얻습니다.
<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq8.jpg">⑧
일련의 실험을 수행하면서, 곡선은 좌표로서 P(1/Vp1-1/Vp2)로그려지고 2(1/Vs12-1/Vs22)를압인사로 그려집니다. 곡선의 기울기는S OL입니다.
SOL을얻은 후, 전극은 상이한 초소수성 기판으로 대체될 것이다. 액적과 초소수성 기판 사이의 상호 작용 력은 그림1에 표시된 시스템에 의해 측정됩니다.

<table><tbody><tr><td>카메라</td><td>Shenzhen Andonstar Tech Co., Ltd</td><td>디지털 현미경 A1</td><td>프레임 속도: 30프레임/초; 초점 거리: 5mm - 30mm</td></tr><tr><td>정전식 브리지</td><td>Andeen-Hagerling</td><td>AH2550A</td><td>정전식 브리지는 캔틸레버와 플레이트 전극 사이의 커패시턴스를 측정하는 데 사용됩니다.</td></tr><tr><td>데이터 수집 디바이스</td><td>National Instruments</td><td>USB-4431</td><td>데이터 수집 디바이스는 출력 전압 데이터를 읽는 데 사용됩니다.</td></tr><tr><td>DC 전원 공급 장치</td><td>Keithley</td><td>2410</td><td>전압 범위: &plusmn; 5 &뮤; V; 정확도 : 0.012 %</td></tr> <tr><td>그리드</td><td>전자 현미경 중국</td><td>AGH100, AGH150, AGH300</td><td>AGH100, AGH150 및 AGH300의 그리드 분율은 각각 46.18 %, 51.39 % 및 58.79 %입니다</td></tr><tr><td></td><td>.</td><td>HW650AD100-10BD</td><td>레이저 파장 : 650 nm</td></tr><tr><td>나노 입자</td><td>Rust-Oleum</td><td>274232</td><td>NeverWet Multi-Surface Liquid Repelling Treatment는 혁신적인 초 소수성 코팅입니다.</td></tr><tr><td>나노 포지셔닝 z-스테이지</td><td>Physik Instrumente</td><td>P622. ZCD</td><td>여행 범위 50 &마이크로; m에서 250 & 마이크로; m (350 &마이크로; m 개방 루프); 0.1 nm까지의 분해능; 선형성 오차는 0.02%에 불과하며</td></tr><tr><td>, 위치 감지 검출기</td><td>Hamamatsu Photonics K.K.</td><td>S1880</td><td>: 2차원 PSD는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 데 사용됩니다.</td></tr></tbody></table>

광학 레버 방법으로 액적과 초소수성 기판 사이의 상호 작용력 측정

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

이 백서의 목적은 공기 중의 액적과 초소수성 기판 사이의 상호 작용력을 조사하는 것입니다. 광학 레버 방법을 기반으로 하는 측정 시스템이 설계되었습니다. 밀리미터캔틸레는 측정 시스템의 힘에 민감한 부품으로 사용됩니다. 첫째, 광학 레버의 힘 감도는 상호 작용력을 측정하는 데 중요한 단계인 정전기력을 사용하여 보정됩니다. 둘째, 서로 다른 그리드 분획을 가진 3개의 초소수성 기판이 나노입자 및 구리 그리드로 제조된다. 마지막으로, 다른 그리드 분율을 가진 액적과 초소수성 기판 사이의 상호 작용 력은 시스템에 의해 측정됩니다. 이 방법은 나노 뉴턴의 규모에 해상도와 하위 마이크로 뉴턴의 규모에 힘을 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 액적 및 초소수성 구조의 접촉 공정에 대한 심층적인 연구는 코팅, 필름 및 인쇄의 생산 효율성을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 백서에서 설계된 힘 측정 시스템은 마이크로포스 측정의 다른 분야에서도 사용할 수 있습니다.

한 실험에서 측정된 캔틸레버와 전극 사이의 플레이트 전극및 상응하는 정전용량의 변위는 표1에 나타내고 있다. 정전 용량 C와 변위 z 사이의 관계는 그림4와 같이 MATLAB의 폴리핏 함수를 사용하여 이차 다항식에 의해 장착됩니다. 제1차 계수 P는 피팅 함수에 의해 얻어질 수 있다. P의 최종 값은 0.2799 pF/mm이며, 이는 10개의 실험 결과에서 계산된 평균값입니다.
한 실험에서 PSD의 공급 전압 과 해당 출력 전압은 표2에 나와 있습니다. 그림5와 같이 PSD Vp의 출력 전압과 공급 전압 Vs 간의 관계는 선형 함수에 의해 장착되며 Vp1과 V</em...

이 프로토콜은 공기 중의 액적과 초소수성 기판 사이의 상호 작용을 조사하는 것을 목표로합니다. 여기에는 측정 시스템을 교정하고 서로 다른 그리드 분율을 가진 초소수성 기판에서의 상호 작용 력을 측정하는 것이 포함됩니다.

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 ...

이 방법은 연꽃 잎의 초소수성 구조및 액적 결합 공정과 같은 생체 공학 및 유체 역학 분야의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 하위 마이크로 뉴턴의 규모에 대한 힘이 나노 뉴턴의 스케일의 해상도로 측정 될 수 있다는 것입니다. 이 방법은 물방울과 초소수성 구조의 접촉 과정에 대한 통찰력을 제공 할 수 있습니다.또한 마이크로 포스 측정의 다른 분야에도 적용할 수 있습니다. 이 기술을 수행 한 적이없는 개인은 물방울과 초소수성 기판 사이의 거리가 정확하게 제어하기 어렵기 때문에 어려움을 겪을 것입니다. 적절한 실험실 벤치에서 측정 시스템을 준비합니다.시스템의 중심에는 나노 위치 Z 단계에 걸쳐 중단되는 실리콘 캔틸레버가 있습니다. 5mm 길이의 캔틸레버가 홀더 끝에 장착됩니다. 캔틸레버에 수직으로 시야가 있는 고속 카메라가 마련되어 있습니다.나노 위치 Z 단계는 이 시점에서 전극을 보유하는 지지가 있습니다. 마지막으로, 레이저및 위치 민감 검출기는 캔틸레버 편향을 측정하도록 배치됩니다. 커패시턴스 그라데이션을 측정한 후 컴퓨터 제어DC 전원 공급 장치를 사용하여 광학 레버를 보정합니다.이 회로도는 교정을 위한 설정에 대한 개요를 제공하고 있습니다. 플레이트 전극은 나노 위치 Z 단계에 있습니다. 캔틸레버 아래 100마이크로미터이며, 오버랩 길이는 반 밀리미터입니다.캔틸레버와 전극은 캔틸레버와 연결된 DC 전원 공급 장치의 양수 당김과 플레이트 전극으로 네거티브 풀을 통해 커패시터를 형성합니다. 다음으로, 레이저의 상대적 위치, 위치 민감 검출기 및 캔틸레버를 조정합니다. 레이저 빔이 캔틸레버에 의해 검출기에 반영되도록 정렬합니다.컴퓨터에서 검출기 출력 전압의 데이터 수집 속도를 1킬로헤르츠로 설정합니다. DC 전원 공급 장치 제어 소프트웨어에서 시작 전압을 0볼트로 설정합니다. 최종 전압을 125볼트로 설정합니다.25볼트 증분의 전압 증가를 갖는다. 각 전압 값을 5초 동안 유지합니다. 전압이 다양하기 때문에 위치 감지기의 전압 출력을 모니터링합니다.이 일련의 측정 후, 125볼트의 전압으로 시작하여 25볼트 단위로 0볼트로 감소하는 유사한 시퀀스를 수행합니다. 5개의 완전한 측정값의 데이터를 사용하여 경사가 상호 작용 력과 위치 감지기 출력 전압 사이의 비례성의 일정인 플롯을 만듭니다. 측정을 준비하려면 플레이트 및 캔틸레버에서 DC 전원 공급 장치를 분리합니다.다음으로, 나노 포지팅 Z 단계와 함께 작동합니다. 플레이트 지지대의 전극을 식별하고 스테이지에서 지지체를 풀어 둘 다 제거합니다. 그들의 자리에서, 계속하기 전에 z 단계에 새로운 플레이트 지원을 나사.고속 카메라의 시야가 캔틸레버에 수직으로 유지되도록 합니다. 다음으로, 플레이트 지지체에 대한 초소수성 구조를 얻을 수 있습니다. 거의 180도의 접점으로 구조를 사용하여 캔틸레버에서 물방울을 중단하십시오.실험의 경우 이 구조를 Z 단계의 플레이트 지지체에 부착합니다. 마이크로 파이펫을 사용하면 초소수성 구조에 두 개의 마이크로리터 물방울을 놓습니다. 이제 나노 위치 단계 소프트웨어작업을 시작합니다.이 소프트웨어에서 속도 대화 상자로 이동하여 초당 10 마이크로미터로 속도를 설정합니다. 앞으로 버튼을 클릭하여 물방울이 위쪽으로 이동하기 시작합니다. 액적캔틸레의 자유 끝에 닿으면 중지를 클릭합니다.1~2초 후, 수동으로 Z 스테이지를 캔틸레버에서 멀리 이동합니다. 물의 반구형 물방울은 캔틸레버의 낮은 표면에서 중단되어야한다. 계속하려면, 플레이트 지지대에서 초소수성 구조를 제거하고 교체하는 초소수성 기판을 얻습니다.이 기판은 나노 입자에 분사 된 구리 모래로 구성됩니다. 기판은 실린더에 붙어 있습니다. 이 기판은 46.18%의 그리드 분획을 가지며 플레이트 지지대상에 기판을 배치한다.캔틸레버의 반구형 물방울에서 100 마이크로미터되도록 초소수성 기판의 위치를 조정합니다. 검출기, 레이저 및 카메라를 켜면 나노 포지셔닝 제어 소프트웨어와 함께 작동하도록 돌아갑니다. 속도 대화 상자에서 속도를 초당 10 마이크로미터로 설정합니다.기판을 위로 이동하려면 앞으로 버튼을 클릭합니다. 기판과 물방울이 접촉할 때 중지를 클릭합니다. 뒤로 버튼을 클릭하여 초소수성 기판을 아래쪽으로 이동합니다.기판과 물방울이 분리되면 정지 버튼을 클릭합니다. 상호 작용 포스 구절 시간의 이 플롯에 표현 된 다른 시나리오가 있습니다. 먼저 그리드 분수 46.18%를 가진 기판에 대한 검정 곡선의 데이터에 초점을 맞추고, 기판과 액적은 접촉과는 거리가 멀다.이 시점에서 힘은 0입니다. 기판과 액적 사이의 거리가 감소함에 따라 반발력이 발생합니다. 이는 힘의 증가에 의해 반영됩니다.기판과 액적이 접촉하면 둘 사이의 힘이 매력적으로 변하여 액적이 점차 모세관 작용을 통해 기판을 적시히 젖으면서 곡선이 감소합니다. 결국, 캔틸레버는 평형 위치를 중심으로 진동합니다. 다른 높은 그리드 분획을 사용하면 액적과 기판 사이의 힘의 크기가 감소합니다.이 절차를 시도하는 동안 레이저, PSD 및 캔틸레버 사이의 관련 위치를 변경할 수 없다는 것을 기억하는 것이 중요합니다. 이는 측정 결과의 정확성을 보장 할 수 있습니다. 개발 후, 이 기술은 장력 측정 분야의 연구를 위한 방법을 열어 공중기기판과 접촉하는 물방울 동안의 힘을 탐구합니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Engineering

공학

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Real-Time Force Measurement Between Emulsion Droplets During Enzymatic Breakdown

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광학 레버 방법으로 액적과 초소수성 기판 사이의 상호 작용력 측정

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