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

Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen op het gebied van bionica en vloeistofmechanica, zoals superhydrofobe structuren van lotusbladeren en de druppel coalescentieprocessen. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat een kracht op de schaal van submicro-newtons kan worden gemeten met een resolutie van de schaal van nanonewtons. Deze methode kan inzicht geven in het contactproces van druppel- en superhydrofoobische structuren.

En het kan ook worden toegepast op andere gebieden van micro-kracht meting. Personen die deze techniek nog nooit hebben uitgevoerd, zullen het moeilijk hebben omdat de afstand tussen druppels en de superhydrofobe substraten moeilijk nauwkeurig te controleren is. Bereid het meetsysteem voor op een geschikte labbank.

In het midden van het systeem is de silicium cantilever, die wordt opgehangen over een nanopositionering Z stadium. De vijf millimeter lange cantilever is aan het einde van de houder gemonteerd. Een hoge snelheidscamera is op zijn plaats met de lijn van het zicht loodrecht op de cantilever.

De nanopositionering Z fase heeft een ondersteuning die een elektrode die op dit punt houdt. Ten slotte zijn een laser en een positiegevoelige detector gerangschikt om de cantileverafbuiging te meten. Gebruik na het meten van het capaciteitsgradiënt een computergestuurde DC-voeding om de optische hendel te kalibreren.

Dit schema biedt enoverzicht van de setup voor kalibratie. Een plaatelektrode is op het nanopositionerende Z stadium. Het is 100 micrometer onder de cantilever met een overlap lengte van een halve millimeter.

De cantilever en de elektrode vormen een condensator, met de positieve trekkracht van de DC-voeding verbonden met de cantilever en de negatieve trekkracht met de plaatelektrode. Pas vervolgens de relatieve posities van de laser, de positiegevoelige detector en de cantilever aan. Schik ze zo dat de laserstraal wordt gereflecteerd door de cantilever aan de detector.

Stel op de computer de gegevensverwervingssnelheid van de detectoruitspanning in op één kilohertz. Stel in de DC-voedingsregelingssoftware de startspanning in op nulvolt. Stel de eindspanning in op 125 volt.

Laat de spanning stijgen in stappen van 25 volt. Houd elke spanningswaarde gedurende vijf seconden vast. Als de spanning is gevarieerd, monitor de spanning output van de positie gevoelige detector.

Na deze reeks metingen voert u een analoge sequentie uit die begint met de spanning op 125 volt en afneemt tot nulvolt in stappen van 25 volt. Gebruik de gegevens van vijf volledige metingen om een plot te maken waarin de helling de constante van proportionaliteit is tussen de interactiekracht en de positiegevoelige detectoroutputspanning. Om de metingen voor te bereiden, koppelt u de dc-voeding los aan de plaat en cantilever.

Werk vervolgens met de nanopositionering Z-fase. Identificeer de elektrode op de plaatsteun en verwijder beide door de steun van het podium los te schroeven. In hun plaats, schroef een nieuwe plaat steun aan de z-fase voor verder te gaan.

Zorg ervoor dat de zichtlijn van de hogesnelheidscamera loodrecht staat op de cantilever. Vervolgens krijgt u een superhydrofobe structuur voor de plaatsteun. Gebruik de structuur met een contacthoek van bijna 180 graden om de waterdruppel van de cantilever op te schorten.

Voor het experiment, breng deze structuur aan de plaatsteun op het stadium Z. Plaats met een micropipet een druppel water van twee microliter op de superhydrofobe structuur. Ga nu aan de slag met de nanopositioneringsfasesoftware.

In deze software, ga naar de snelheid dialoog doos en stel de snelheid op 10 micrometer per seconde. Klik op de naar voren gerichte knop om de druppel omhoog te laten bewegen. Klik op stop wanneer de druppel contact maakt met het vrije uiteinde van de cantilever.

Verplaats na één of twee seconden handmatig het Z-podium van de cantilever. Een hemisferische druppel water moet aan het onderste oppervlak van de cantilever blijven hangen. Om door te gaan, verwijder de superhydrofobe structuur van de plaatsteun en krijg je een superhydrofoob substraat om het te vervangen.

Dit substraat bestaat uit een kopergrit met gespoten op nanodeeltjes. Het substraat wordt op een cilinder gelijmd. Dit substraat heeft een netfractie van 46,18%Leg het substraat op de plaatsteun.

Pas de positie van het superhydrofobe substraat aan, zodat het 100 micrometer verwijderd is van de hemisferische druppel op de cantilever. Met de detector, laser en camera aan, terug te keren naar het werk met de nanopositionering controle software. Stel in de snelheidsdialoogbox de snelheid in op 10 micrometer per seconde.

Klik op de voorste knop om het substraat omhoog te laten bewegen. Klik op stop wanneer het substraat en de druppel contact maken. Klik op de terugknop om het superhydrofobe substraat naar beneden te verplaatsen.

Klik op de stopknop wanneer het substraat en de druppel zijn gescheiden. Er zijn verschillende scenario's vertegenwoordigd in deze percelen van Interaction Force verzen Tijd. Eerste focus op de gegevens in de zwarte curve die is voor het substraat met raster fractie 46.18%In eerste instantie, het substraat en de druppel zijn verre van contact.

Op dit punt is de kracht nul. Naarmate de afstand tussen het substraat en de druppel afneemt, ontstaat er een weerzinwekkende kracht. Dit komt tot uiting in de toename van de kracht.

Zodra het substraat en de druppel in contact komen, wordt de kracht tussen de twee aantrekkelijk, wat leidt tot een afname van de curve als de druppel geleidelijk nat het substraat door capillaire actie. Uiteindelijk oscilleert de cantilever rond een evenwichtspositie. Wanneer andere hogere rasterfracties worden gebruikt, neemt de omvang van de kracht tussen de druppel en het substraat af.

Tijdens een poging tot deze procedure, is het belangrijk om te onthouden dat de relevante positie tussen laser, PSD, en de cantilever niet kan worden gewijzigd. Die de nauwkeurigheid van de meetresultaten kan garanderen. Na de ontwikkeling maakt deze techniek een weg vrij voor onderzoeken op het gebied van spanningsmetingen om de kracht te verkennen tijdens druppels die in contact komen met substraat in de lucht.