Protokół ma na celu zbadanie interakcji między kropelkami a superhydrofobowymi substratami w powietrzu. Obejmuje to kalibrację systemu pomiarowego i pomiar siły oddziaływania na podłożach superhydrofobowych o różnych frakcjach siatki.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Protokół ma na celu zbadanie interakcji między kropelkami a superhydrofobowymi substratami w powietrzu. Obejmuje to kalibrację systemu pomiarowego i pomiar siły oddziaływania na podłożach superhydrofobowych o różnych frakcjach siatki.
Celem tego artykułu jest zbadanie siły oddziaływania między kropelkami a superhydrofobowymi substratami w powietrzu. Zaprojektowano system pomiarowy oparty na metodzie dźwigni optycznej. Milimetrowy wspornik jest używany jako element wrażliwy na siłę w systemie pomiarowym. Po pierwsze, czułość dźwigni optycznej na siłę jest kalibrowana za pomocą siły elektrostatycznej, która jest krytycznym krokiem w pomiarze siły oddziaływania. Po drugie, trzy superhydrofobowe podłoża o różnych frakcjach siatki są przygotowywane z nanocząstkami i siatkami miedzianymi. Na koniec system mierzy siły oddziaływania między kropelkami a superhydrofobowymi podłożami o różnych frakcjach siatki. Metoda ta może być stosowana do pomiaru siły w skali submikroniutonowej z rozdzielczością w skali nanoniutonów. Dogłębne badania procesu kontaktu kropel i struktur superhydrofobowych mogą pomóc w poprawie wydajności produkcji w zakresie powlekania, foliowania i drukowania. Zaprojektowany w tym artykule system pomiaru siły może być również stosowany w innych dziedzinach pomiaru mikrosił.
Kontakt kropli z powierzchnią superhydrofobową jest bardzo powszechny w życiu codziennym i w produkcji przemysłowej: krople wody zsuwające się z powierzchni liścia lotosu1,2 oraz nartnik szybko poruszający się po wodzie3,4,5,6. Superhydrofobowa powłoka na powierzchni zewnętrznej statku może pomóc w zmniejszeniu stopnia korozji jednostki oraz zredukować opory nawigacyjne7,8,9,10. Badanie procesu kontaktu między kroplą a powierzchnią superhydrofobową ma ogromną wartość dla produkcji przemysłowej i badań nad bioniką.
Aby zaobserwować proces rozprzestrzeniania się kropel na powierzchni stałej, Biance wykorzystał kamerę wysokich prędkości do sfotografowania procesu kontaktu i stwierdził, że czas trwania reżimu inercyjnego jest w głównej mierze określony przez rozmiar kropli1. Eddi sfotografował proces kontaktu między kroplą a przezroczystą płytką od spodu i z boku za pomocą kamery wysokich prędkości, co w sposób kompleksowy ukazało zmianę promienia kontaktu lepkej kropli w czasie12. Paulsen połączył metodę elektryczną z obserwacją kamerą wysokich prędkości, dzięki czemu skrócił czas odpowiedzi do 10 ns13,14.
Mikroskopia sił atomowych (AFM) była również wykorzystywana do pomiaru siły oddziaływania pomiędzy kroplą/pęcherzykiem a powierzchniami stałymi. Vakarelski wykorzystał belkę AFM do pomiaru sił oddziaływania pomiędzy dwoma małymi pęcherzykami (około 80-140 μm) w roztworze wodnym podczas kontrolowanych kolizji w skali od mikrometrów do nanometrów15. Shi zastosował kombinację AFM i mikroskopii kontrastowej interferencyjnej odbicia (RICM), aby jednocześnie zmierzyć siłę oddziaływania oraz ewolucję czasowo-przestrzenną cienkiego filmu wodnego pomiędzy pęcherzykiem powietrza a powierzchniami miki o różnej hydrofobowości16,17.
Jednakże, ponieważ komercyjne wsporniki stosowane w AFM są zbyt małe, plamka laserowa naświetlająca wspornik mogłaby zostać zasłonięta przez krople lub pęcherzyki. AFM ma trudności z pomiarem siły oddziaływania pomiędzy kroplami a kroplami/podłożami w powietrzu.
W niniejszej pracy zaprojektowano system pomiarowy oparty na metodzie dźwigni optycznej do pomiaru siły oddziaływania między kroplami a podłożami superhydrofobowymi. Czułość siłowa dźwigni optycznej (SOL) została skalibrowana za pomocą siły elektrostatycznej18, a następnie za pomocą opracowanego systemu pomiarowego zmierzono siły oddziaływania między kroplami a różnymi podłożami superhydrofobowymi.
Schematyczny rysunek systemu pomiarowego przedstawiono na Rysunku 1. Laser oraz detektor czuły na pozycję (PSD) tworzą system dźwigni optycznej. Jako element czuły w systemie zastosowano milimetrową belkę wsporną z krzemu. Podłoże jest zamocowane na nanopozycjonowanej platformie osi z, która może poruszać się w kierunku pionowym. Gdy podłoże zbliża się do kropli, siła oddziaływania powoduje ugięcie belki wspornej. W konsekwencji zmieni się położenie plamki laserowej na PSD oraz zmieni się napięcie wyjściowe PSD. Napięcie wyjściowe PSD Vp jest proporcjonalne do siły oddziaływania Fi, co przedstawiono w równaniu (1).
(1)
Aby wyznaczyć siłę oddziaływania, w pierwszej kolejności należy skalibrować SOL. Jako siła wzorcowa w kalibracji SOL wykorzystywana jest siła elektrostatyczna. Jak pokazano na Rysunku 2, wspornik i elektroda tworzą kondensator płytkowy, który może generować siłę elektrostatyczną w kierunku pionowym. Siła elektrostatyczna Fes jest określana przez napięcie zasilacza DC Vs, zgodnie z rów. (2)19,20,21.
(2)
gdzie C jest pojemnością kondensatora płytkowego, z to przemieszczenie wolnego końca wspornika, a dC/dz nazywa się gradientem pojemności. Pojemność można zmierzyć za pomocą mostka pojemnościowego. Matematyczną zależność między C a z można dopasować za pomocą wielomianu kwadratowego, jak pokazano w równaniu (3).
(3)
gdzie Q, P i CT są odpowiednio współczynnikami składnika kwadratowego, składnika liniowego oraz wyrazu wolnego. Zatem siłę elektrostatyczną Fes można zapisać zgodnie z równaniem (4).
(4)
Ponieważ obszar nakładania się dwóch okładzin kondensatora jest bardzo mały, siłę sprężystości działającą na wspornik można wyrazić zgodnie z prawem Hooke'a w równaniu (5):
(5)
gdzie k jest sztywnością wspornika.
Gdy siła sprężystości i siła elektrostatyczna działające na wspornik są równe (tj. Fi = Fes), wspornik znajduje się w stanie równowagi. Równanie (6) można wyprowadzić z równań (1), (2) i (5):
(6)
Aby zmniejszyć niepewność wyników kalibracji, do obliczenia SOL zastosowano metodę różnicową. Wyniki dwóch eksperymentów określono jako Vs1, Vp1 oraz Vs2, Vp2, a następnie podstawiono je do równania (6):
(7)
Po przekształceniu równań i odjęciu dolnego równania od górnego w Równ. (7), parametry Q i k zostają wyeliminowane. Wówczas otrzymuje się wzór kalibracyjny dla SOL, przedstawiony w Równ. (8):
(8)
W ramach serii doświadczeń wykreślono krzywą, w której rzędną stanowi P(1/Vp1-1/Vp2), a odcięta 2(1/Vs12-1/Vs22). Nachylenie tej krzywej to SOL.
Po uzyskaniu SOL, elektrodę zostanie zastąpiona różnymi podłożami superhydrofobowymi. Siły oddziaływania między kroplami a podłożami superhydrofobowymi będą mierzone za pomocą układu przedstawionego na Rysunku 1.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Montaż systemu kalibracji SOL
2. Pomiar gradientu pojemności
3. Kalibracja dźwigni optycznej
4. Przygotowanie substratów superhydrofobowych
5. Pomiar siły oddziaływania między kropelkami a substratami superhydrofobowymi
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przesunięcie elektrody płytowej oraz odpowiadająca mu pojemność pomiędzy belką wspornikową a elektrodą zmierzona w jednym eksperymencie zostały przedstawione w Tabeli 1. Zależność między pojemnością C a przesunięciem z została dopasowana za pomocą wielomianu kwadratowego przy użyciu funkcji polyfit w programie MATLAB, co pokazano na Rysunku 4. Współczynnik pierwszego rzędu P można wyznaczyć za pomocą funkcji dopasowującej. Końcowa wartość P wynosi 0,279 pF/...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
W tym protokole montowany i kalibrowany jest system pomiarowy oparty na metodzie dźwigni optycznej, który jest przeznaczony do pomiaru siły oddziaływania między kropelkami a podłożami superhydrofobowymi. Spośród wszystkich etapów bardzo ważna jest kalibracja SOL za pomocą siły elektrostatycznej. Wyniki eksperymentu kalibracyjnego weryfikują równanie (8): P(1/Vp1-1/Vp2) jest proporcjonalne do 2(1/Vs12-1/Vs22) i...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autor nie ma nic do zdradzienia.
Autorzy dziękują Fundacji Nauk Przyrodniczych w Tianjin (nr 18JCQNJC04800), Funduszowi Nauk o Trybologii Państwowego Kluczowego Laboratorium Tribologii (No. SKLTKF17B18) oraz Narodowej Fundacji Nauk Przyrodniczych Chin (grant nr 51805367) za ich wsparcie.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Kamera | Shenzhen Andonstar Tech Co., Ltd | mikroskop cyfrowy A1 | Liczba klatek na sekundę: 30 klatek / s; Odległość ogniskowa: 5 mm - 30 mm |
| Mostek pojemnościowy | Andeen-Hagerling | AH2550A | Mostek pojemnościowy służy do pomiaru pojemności między wspornikiem a elektrodą płytkową. |
| Urządzenie do akwizycji danych | National Instruments | USB-4431 | Urządzenie do akwizycji danych służy do odczytu danych o napięciu wyjściowym. |
| Zasilacz prądu stałego | Keithley | 2410 | Zakres napięcia: ± 5 μ V; Dokładność: 0,012% |
| Mikroskopia | elektronowa siatki Chiny | AGH100, AGH150, AGH300 | Frakcje siatki AGH100, AGH150 i AGH300 wynoszą odpowiednio 46,18%, 51,39% i 58,79% |
| Laser | Shenzhen Infrared Laser Technology Co., Ltd. | HW650AD100-10BD | : 650 nm |
| Nanocząstki | Rust-Oleum | 274232 | NeverWet Multi-Surface Liquid Repelling Treatment to rewolucyjna powłoka super hydrofobowa. |
| Nanopozycjonowanie stopnia Z-Instrument | Physik | P622. ZCD | Zakresy przesuwu 50 i mikro; m do 250 i mikro; m (350 &mikro; m otwarta pętla); Rozdzielczość do 0,1 nm; Tylko błąd liniowości 0,02% |
| Detektor czuły na położenie | Hamamatsu Photonics K.K. | S1880 | Dwuwymiarowy PSD służy do przekształcania sygnałów optycznych na sygnały elektryczne. |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.