Methodenartikel

Het meten van de interactie kracht tussen een druppel en een super-hydrofobe substraat door de optische hefboom methode

DOI:

10.3791/59539

⸱

14 juni 2019

 ,  ,  ,  ,  , 
1State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments, Tianjin University

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het protocol beoogt de interactie tussen druppeltjes en Super-hydrofobe substraten in de lucht te onderzoeken. Dit omvat het kalibreren van het meetsysteem en het meten van de interactie kracht bij Super-hydrofobe substraten met verschillende raster fracties.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het doel van dit document is om de interactie kracht tussen druppeltjes en Super-hydrofobe substraten in de lucht te onderzoeken. Een meetsysteem op basis van een optische hendel methode is ontworpen. Een millimeter Cantilever wordt gebruikt als een kracht gevoelige component in het meetsysteem. Ten eerste, de kracht gevoeligheid van de optische hendel is gekalibreerd met behulp van elektrostatische kracht, dat is de kritische stap in het meten van interactie kracht. Ten tweede worden drie super-hydrofobe substraten met verschillende raster fracties bereid met nanodeeltjes en koperen roosters. Ten slotte worden de interactie krachten tussen druppeltjes en Super-hydrofobe substraten met verschillende raster fracties gemeten door het systeem. Deze methode kan worden gebruikt om de kracht op de schaal van sub-micronewton met een resolutie op de schaal van nanonewton te meten. De diepgaande studie van het contact proces van druppeltjes en hydrofobe structuren kan bijdragen aan de verbetering van de productie-efficiëntie in coating, folie en drukwerk. De krachtmeting systeem ontworpen in dit papier kan ook worden gebruikt in andere gebieden van de microforce meting.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het contact tussen een druppel en een super-hydrofobe oppervlak is zeer vaak voor in het dagelijks leven en de industriële productie: waterdruppels glijden van het oppervlak van lotusblad1,2, en een water Strider reizen snel over het water3 ,4,5,6. Een super-hydrofobe coating op het buitenoppervlak van een schip kan bijdragen tot het verminderen van de corrosie graad van het schip en het verminderen van de weerstand van de navigatie7,8,9,10. Er is grote waarde voor industriële productie en bionicaonderzoek in het bestuderen van het contact proces tussen een druppel en een super-hydrofobe oppervlak.

Om het uitspreidende proces van druppeltjes op een stevig oppervlak te observeren, gebruikte biance een hoge snelheidscamera om het contact proces te fotograferen en vond dat de duur van het traagheids regime hoofdzakelijk door dalings grootte11wordt bevestigd. Het contact proces tussen de druppel en de transparante plaat van de bodem en de zijkant werd gefotografeerd met behulp van een high-speed camera, die de variatie van de contact straal van de viskeuze druppel met de tijd12uitvoerig onthulde. Paulsen combineerde een elektro methode met de observatie van de hoge snelheidscamera, zo verminderend de reactietijd aan 10 NS13,14.

Atomic Force microscopie (AFM) is ook gebruikt om de interactie kracht tussen de druppel/zeepbel en vaste oppervlakken te meten. Vakarelski gebruikte een AFM Cantilever om de interactie krachten tussen twee kleine bellen (ongeveer 80-140 μm) in waterige oplossing tijdens gecontroleerde botsingen op de schaal van micrometers aan nanometers15te meten. Shi gebruikte een combinatie van AFM en reflectie interferentie contrast microscopie (RICM) gelijktijdig meten van de interactie kracht en de spatiotemporal evolutie van de dunne waterfilm tussen een lucht zeepbel en mica oppervlakken van verschillende hydrophobicity 16,17.

Echter, aangezien de commerciële cantilevers gebruikt in de AFM zijn te klein, de Laser Spot bestraald op de cantilever zou worden ondergedompeld door druppels of bubbels. De AFM heeft moeite met het meten van de interactie kracht tussen druppeltjes en druppeltjes/substraten in de lucht.

In deze paper is een meetsysteem gebaseerd op een optische hefboom methode ontworpen om de interactie kracht tussen druppeltjes en Super-hydrofobe substraten te meten. De kracht gevoeligheid van de optische hendel (SOL) is gekalibreerd door elektrostatische kracht18, en vervolgens de interactie krachten tussen druppels en verschillende Super-hydrofobe substraten worden gemeten door het meetsysteem.

Het schematische schema van het meetsysteem wordt weergegeven in Figuur 1. De laser en position Sensitive detector (PSD) vormen de optische hendel systeem. Een millimeter silicium Cantilever wordt gebruikt als een gevoelige component in het systeem. Het substraat wordt bevestigd op het nanopositioning z-stadium, dat in verticale richting kan bewegen. Wanneer de ondergrond nadert de druppel, de interactie kracht zorgt ervoor dat de cantilever te buigen. Zo zal de positie van de laser vlek op PSD veranderen, en de uitgangsspanning van de PSD zal veranderen. De uitgangsspanning van PSD Vp is evenredig met de interactie kracht Fi, zoals aangegeven in EQ. (1).

figure-introduction-11

Om de interactie kracht te verwerven, moet SOL eerst gekalibreerd worden. De elektrostatische kracht wordt gebruikt als de standaard kracht in de kalibratie van SOL. Zoals weergegeven in Figuur 2, de cantilever en de elektrode maken een parallelle plaatcondensator, die zou kunnen genereren elektrostatische kracht in een verticale richting. De elektrostatische kracht Fes wordt bepaald door de spanning van de DC voeding Vs, zoals aangegeven in EQ. (2)19,20,21.

figure-introduction-22

waar C is de capaciteit van de parallelle plaatcondensator, z is de verplaatsing van de cantilever vrije uiteinde, en dC/dz wordt genoemd capaciteits gradiënt. De capaciteit zou door de capaciteits brug kunnen worden gemeten. De wiskundige relatie tussen C en z kan worden gemonteerd door een kwadratische veelterm, zoals weergegeven in EQ. (3).

figure-introduction-33

waar Q, P en CT zijn de coëfficiënten van de kwadratische term, de primaire term en de constante term respectievelijk. Daarom kan de elektrostatische kracht Fes worden uitgedrukt als EQ. (4).

figure-introduction-44

Aangezien het overlappingsgebied van twee platen van de condensator zeer klein is, handelde de elastische kracht op Cantilever kan worden uitgedrukt zoals EQ. (5), volgens de wet van Hooke:

figure-introduction-55

waar k is de stijfheid van de Cantilever.

Wanneer de elastische kracht en elektrostatische kracht toegepast op de cantilever zijn gelijk (dat wil zeggen, fi = fes), de cantilever is in evenwicht. EQ. (6) kan worden afgeleid uit MKN. (1), (2) en (5):

figure-introduction-66

Met het oog op de onzekerheid van de kalibratieresultaten te verminderen, een verschil methode wordt gebruikt om SOLte berekenen. De resultaten van twee experimenten worden genomen als VS1, vP1 en vS2, vP2, en worden vervangen door EQ. (6):

figure-introduction-77

Transformatie van de vergelijkingen en aftrekken van de lagere vergelijking van de bovenste vergelijking in EQ. (7), de parameters Q en k worden geëlimineerd. Vervolgens wordt de kalibratie formule van SOL verkregen, zoals weergegeven in EQ. (8):

figure-introduction-88

Het uitvoeren van een reeks van experimenten, is de curve getekend met P (1/vP1-1/VP2) als de coördinaat en 2 (1/vS12-1/vS22) als de abscis. De helling van de curve is SOL.

Na het verkrijgen van SOL, zal de elektrode worden vervangen door verschillende Super-hydrofobe substraten. De interactie krachten tussen druppeltjes en Super-hydrofobe substraten zullen worden gemeten door het systeem weergegeven in Figuur 1.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. montage van de SOL kalibratie systeem

  1. Monteer het SOL kalibratie systeem volgens het schematische schema dat in Figuur 2wordt weergegeven.
  2. Bevestig de laser op een steun, waardoor de hoek tussen de laser en de horizontale richting worden 45 °.
  3. Bevestig de PSD naar een andere ondersteuning, waardoor de PSD loodrecht op de laser. Sluit de PSD aan op de data-acquisitie apparaat en de data-acquisitie apparaat op de computer.
    Opmerking: deze hoeken worden bepaald door de visuele meting van de experimenter en hoeven niet exact 45 ° of 90 ° te zijn.
  4. Bevestig de bredere uiteinde van de cantilever naar een holding apparaat, terwijl de andere kant is geschorst. Bevestig het bedrijf apparaat op een twee-dimensionale High-Precision verplaatsing fase.
    Opmerking: de afmetingen van de cantilever worden weergegeven in Figuur 3.
  5. Bevestig de plaat elektrode op de nanopositioning z-fase door een spaninrichting.
    Opmerking: de nanopositioning z-fase kan de elektrode meenemen om langs de z-as te bewegen met een verplaatsing resolutie van 1 nm.
  6. Sluit de positieve pool van de capacitieve brug met de cantilever en de negatieve pool met de plaat elektrode.
  7. Installeer een high-speed camera, waarvan de lijn van het zicht is loodrecht op de Cantilever.
  8. Pas de positie van de plaat elektrode, waardoor de verticale afstand tussen de plaat elektrode en de cantilever ongeveer 100 μm, en de overlap lengte ongeveer 0,5 mm.
    Opmerking: deze afstanden worden gecontroleerd door beeldverwerking.

2. meting van de capaciteits gradiënt

  1. Gebruik de computer om de capaciteits brug te controleren om de capaciteits veranderingen tussen de plaat elektrode en de cantilever in real time te verzamelen. Stel de sampling rate in op 0,5 Hz.
  2. Controle van de nanopositioning z-fase door de computer om de plaat elektrode rijden naar boven stap met een stap van 10 μm en een stap nummer van 6 en verblijf voor 10 s na elke beweging.
  3. Verander de bewegingsrichting van de plaat elektrode naar beneden, en herhaal stap 2,2.
  4. Bepaal de verhouding tussen de capaciteit en de verplaatsing van de plaat elektrode in het meetresultaat en verkrijg de waarde van P volgens de EQ. (3).
  5. Herhaal stap 2.1 – 2,4 5x en bereken de gemiddelde waarde van P.

3. kalibratie van de optische hendel

  1. Ontkoppel de verbinding tussen de capacitieve brug en de cantilever/plaat elektrode.
  2. Sluit de positieve pool van de DC-voeding met de cantilever en de negatieve pool met de plaat elektrode.
  3. Pas de relatieve positie tussen de laser, PSD en Cantilever te maken van de laser weerspiegeld op PSD door Cantilever.
    Opmerking: de laser vlek is een cirkel van ongeveer 2 mm in diameter.
  4. Controle van de DC-voeding door de computer van toepassing spanning variërend met de tijd op de parallelle plaatcondensator. Op hetzelfde moment, het verzamelen van de uitgangsspanning van PSD in real time door de data-acquisitie apparaat.
    1. Stel de sampling rate van het gegevens verwervings apparaat in op 1.000 Hz.
    2. Stel de eerste spanning van de DC voeding op 0 V en houd voor 5 s.
    3. Verhoog de spanning met 25 V en houd deze vast voor 5 s.
    4. Herhaal stap 3.4.3 4x tot de spanning toeneemt tot 125 V.
    5. Verminder de spanning door 25 V en houd voor 5 s.
    6. Herhaal stap 3.4.5 4x tot de spanning afneemt tot 0 V.
  5. Bepaal de relatie over de uitgangsspanning van de PSD en de DC voedingsspanning in het meetresultaat, en het verkrijgen van de waarde van SOL volgens EQ. (8).
  6. Herhaal stap 3.4-3,5 5x en bereken de gemiddelde waarde van SOL.

4. voorbereiding van Super-hydrofobe substraten

  1. Bereid drie cirkelvormige koperen roosters met dezelfde diameter van 3 mm en verschillende raster fracties. Hun grid fracties zijn 46,18%, 51,39% en 58,79% respectievelijk.
    Opmerking: deze koperen roosters zijn commerciële producten die werden gekocht.
  2. Spray de nanodeeltjes op drie koperen roosters om Super-hydrofobe substraten te verkrijgen met microstructuur en hydrophobicity.
    1. Spuit de grondlaag op het koperen rooster.
    2. Spuit de bovenste laag op het koperen rooster wanneer de eerste laag droog is.
      Opmerking: de nanodeeltjes zijn verpakt in een kan met een spray hoofd. De nanodeeltjes zullen worden gespoten door het indrukken van de spray hoofd bij gebruik.
  3. Lijm de koperen roosters aan de zijkant van de cilinders met een diameter van 3 mm om een oppervlak hydrofobe structuur te verkrijgen met een kromming van 1/3 mm-1.

5. meting van de interactie kracht tussen druppeltjes en Super-hydrofobe substraten

  1. Ontkoppel de verbinding tussen de GELIJKSTROOMvoeding en de cantilever/plaat elektrode. Verwijder de plaat elektrode uit de nanopositioning z-fase.
  2. Bevestig een plaat steun aan de nanopositioning z-fase.
  3. Installeer een high-speed camera, waarvan de lijn van het zicht is loodrecht op de Cantilever.
  4. Schort een druppel op de onderste oppervlakte van het vrije uiteinde van de Cantilever.
    1. Plaats een super-hydrofobe structuur met een contacthoek van bijna 180 ° op de plaat steun.
    2. Plaats een 2 l druppel op de Super-hydrofobe structuur met behulp van een micropipet.
    3. Bedien de nanopositioning z-fase met behulp van software (bijv. PIMikroMove) om de druppel naar boven te bewegen.
      1. In het dialoogvenster stelt u de snelheid in op 10 μm/s.
      2. Klik de voorwaartse knoop en de druppel begint omhoog te bewegen.
      3. Klik op de Stop -knop wanneer de druppel contacten met het vrije uiteinde van de Cantilever.
    4. Verblijf voor 1 of 2 s, en dan de controle van de nanopositioning z-fase om de Super-hydrofobe structuur rijden van de Cantilever.
      Nota: aangezien het silicium Cantilever is hydrofiele, wordt de druppel opgeschort op de lagere oppervlakte van het vrije eind van Cantilever, vormend een halfronde druppel met een diameter van ongeveer 0,5 mm.
    5. Verwijder de Super-hydrofobe structuur met een contacthoek van bijna 180 ° van de plaat steun.
  5. Plaats het Super-hydrofobe substraat met een raster Fractie van 46,18% op de plaat steun.
  6. Pas de positie van de plaat steun, waardoor de verticale afstand tussen de Super-hydrofobe substraat en de halfronde druppel ongeveer 100 μm.
    Opmerking: de afstand wordt gecontroleerd door beeldverwerking.
  7. Zet de PSD, laser, en high-speed camera.
  8. Controle van de data-acquisitie apparaat door de computer om de uitgangsspanning van de PSD in real-time te verzamelen. Stel de sampling rate in op 100 kHz.
  9. Zet de snelheid op 10 μm/s in de software, en klik vervolgens op de Forward knop, zodat de Super-hydrofobe substraat beweegt geleidelijk dichter bij de druppel.
  10. Klik op de Stop knop wanneer de Super-hydrofobe substraat en de druppel contact.
  11. Zet de snelheid op 10 μm/s in de software, en klik vervolgens op de back -knop om de Super-hydrofobe substraat te rijden naar beneden bewegen.
  12. Klik op de Stop knop wanneer de Super-hydrofobe substraat is gescheiden van de druppel.
  13. Teken de curve van de uitgangsspanning van PSD variërend met de tijd.
  14. Herhaal de stappen 5.4-5.13 met behulp van Super-hydrofobe substraten met een raster fracties van 51,39% en 58,79%.
  15. Analyseer de relatie tussen de interactie kracht en de raster Fractie van Super-hydrofobe substraat.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De verplaatsing van de plaat elektrode en de overeenkomstige capaciteit tussen de cantilever en de elektrode gemeten in een experiment worden weergegeven in tabel 1. De verhouding tussen capaciteit C en verplaatsing z is voorzien van kwadratische veelterm met behulp van de polyfit functie in MATLAB, zoals weergegeven in Figuur 4. De eerste order coëfficiënt P kan worden verkregen door de montage functie. De uiteindelijke waarde van P is 0,2799 pF/mm, dat is...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

In dit protocol wordt een meetsysteem op basis van de optische hefboom methode geassembleerd en gekalibreerd, dat is ontworpen voor het meten van de interactie kracht tussen de druppels en de Super-hydrofobe substraten. Onder de alle stappen, is het essentieel om SOL met behulp van elektrostatische kracht te kalibreren. De resultaten van het kalibratie experiment verifiëren EQ. (8): P (1/vP1-1/vP2) is evenredig met 2 (1/vS12-1/v

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteur heeft niets te onthullen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs danken de Tianjin Natural Science Foundation (nr. 18JCQNJC04800), tribologie Science Fund van de staat Key laboratorium van tribologie (nr. SKLTKF17B18) en de nationale stichting van de natuurwetenschappen van China (toelage nr. 51805367) voor hun steun.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
CameraShenzhen Andonstar Tech Co., Ltddigitaal microscoop A1Beeldsnelheid: 30 frames/sec; Brandpuntsafstand: 5 mm - 30 mm
Capacitieve brugAndeen-HagerlingAH2550ADe capacitieve brug wordt gebruikt om de capaciteit tussen de cantilever en de plaatelektrode te meten.
Data-acquisitieapparaatNational InstrumentsUSB-4431Het data-acquisitieapparaat wordt gebruikt om de uitgangsspanningsgegevens te lezen.
DC-voedingKeithley2410Spanningsbereik: ±5 μV; Nauwkeurigheid: 0,012%
RasterElectron Microscopy ChinaAGH100, AGH150, AGH300De rasterfracties van AGH100, AGH150 en AGH300 zijn respectievelijk 46,18%, 51,39% en 58,79%
LaserShenzhen Infrared Laser Technology Co., Ltd.HW650AD100-10BDLasergolflengte: 650 nm
NanodeeltjeRust-Oleum274232NeverWet Multi-Surface Liquid Repelling Treatment is een revolutionaire superhydrofobe coating.
Nanopositionering z-stagePhysik InstrumenteP622.ZCDReisbereiken 50 µm tot 250 µm (350 µm open lus); Resolutie tot 0,1 nm; Lineariteitsfout slechts 0,02%
Positie-gevoelige detectorHamamatsu Photonics K.K.S1880De tweedimensionale PSD wordt gebruikt om optische signalen om te zetten in elektrische signalen.

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Druppelinteractiekrachtsuperhydrofoob substraatkalibratie van krachtgevoeligheidnanopositionerings Z trapsiliciumcantileverpositiegevoelige detectorcapaciteitsgradi ntmetinggridfractieanalysesub micronewton krachtmeting

Gerelateerde artikelen