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.
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 między kropelką a superhydrofobową powierzchnią jest bardzo powszechny w codziennym życiu i produkcji przemysłowej: kropelki wody ślizgające się po powierzchni liścia lotosu1,2, oraz wodny tragarz szybko poruszający się po wodzie3,4,5,6. Superhydrofobowa powłoka na zewnętrznej powierzchni statku może pomóc zmniejszyć stopień korozji statku i zmniejszyć opór nawigacji7,8,9,10. Dla produkcji przemysłowej i badań bionicznych istnieje ogromna wartość w badaniu procesu kontaktu między kropelką a powierzchnią superhydrofobową.
Aby obserwować proces rozprzestrzeniania się kropel na twardej powierzchni, Biance użył szybkiej kamery do sfotografowania procesu kontaktu i stwierdził, że czas trwania reżimu inercyjnego jest głównie ustalany przez rozmiar kropli11. Eddi sfotografował proces kontaktu między kroplą a przezroczystą płytką od dołu i z boku za pomocą szybkiej kamery, która kompleksowo ujawniła zmianę promienia kontaktu lepkiej kropli w czasie12. Paulsen połączył metodę elektryczną z obserwacją za pomocą szybkiej kamery, skracając w ten sposób czas odpowiedzi do 10 ns13,14.
Mikroskopia sił atomowych (AFM) została również użyta do pomiaru siły oddziaływania między kroplą/pęcherzykiem a powierzchniami stałymi. Vakarelski użył wspornika AFM do pomiaru sił oddziaływania między dwoma małymi pęcherzykami (około 80-140 μm) w roztworze wodnym podczas kontrolowanych zderzeń w skali od mikrometrów do nanometrów15. Shi wykorzystał kombinację AFM i mikroskopii kontrastowej z interferencją odbicia (RICM) do jednoczesnego pomiaru siły oddziaływania i czasoprzestrzennej ewolucji cienkiej warstwy wody między pęcherzykiem powietrza a powierzchniami miki o różnej hydrofobowości16,17.
Jednakże, ponieważ komercyjne wsporniki używane w AFM są zbyt małe, plamka lasera napromieniowana na wsporniku byłaby zanurzona w kropelkach lub bąbelkach. AFM ma trudności z pomiarem siły oddziaływania między kropelkami a kropelkami/substratami w powietrzu.
W tym artykule, system pomiarowy oparty na metodzie dźwigni optycznej jest przeznaczony do pomiaru siły oddziaływania między kropelkami a substratami superhydrofobowymi. Czułość dźwigni optycznej (SOL) jest kalibrowana przez siłę elektrostatyczną18, a następnie siły oddziaływania między kropelkami a różnymi substratami superhydrofobowymi są mierzone przez system pomiarowy.
Schemat ideowy systemu pomiarowego jest pokazany w Rysunek 1. Detektor laserowy i czuły na położenie (PSD) stanowią optyczny system dźwigni. Milimetrowy silikonowy wspornik jest używany jako wrażliwy element systemu. Podłoże jest zamocowane na stoliku z nanopozycjonowania, który może poruszać się w kierunku pionowym. Gdy podłoże zbliża się do kropli, siła oddziaływania powoduje wygięcie wspornika. W ten sposób zmieni się położenie plamki lasera na PSD, a zmieni się napięcie wyjściowe PSD. Napięcie wyjściowe PSD Vp jest proporcjonalne do siły oddziaływania Fi, jak pokazano w równaniu (1).
(1)
Aby uzyskać siłę oddziaływania, SOL musi być najpierw skalibrowany. Siła elektrostatyczna jest używana jako siła standardowa w kalibracji SOL. Jak pokazano na Rysunek 2, wspornik i elektroda tworzą równoległy kondensator płytkowy, który może generować siłę elektrostatyczną w kierunku pionowym. Siła elektrostatyczna Fes jest określana przez napięcie zasilacza prądu stałego Vs, jak pokazano w równaniu (2)19,20,21.
(2)
gdzie C to pojemność równoległego kondensatora płytkowego, z to przemieszczenie wolnego końca wspornika, a dC/dz to gradient pojemności. Pojemność można zmierzyć za pomocą mostka pojemnościowego. Matematyczna zależność między C i z może być dopasowana za pomocą wielomianu kwadratowego, jak pokazano w równaniu (3).
(3)
gdzie Q, P i CT są współczynnikami odpowiednio wyrazu kwadratowego, wyrazu podstawowego i składnika stałego. Dlatego siła elektrostatyczna Fes może być wyrażona jako równanie (4).
(4)
Ponieważ obszar nakładania się dwóch płyt kondensatora jest bardzo mały, siła sprężystości działająca na wspornik może być wyrażona jako równanie (5), zgodnie z prawem Hooke'a:
(5)
gdzie k jest sztywnością wspornika.
Gdy siła sprężystości i siła elektrostatyczna przyłożone do wspornika są równe (tj. Fi = Fes), wspornik jest w równowadze. Równanie (6) można wyprowadzić z równań. ust. 1, 2 i 5:
(6)
Aby zmniejszyć niepewność wyników kalibracji, do obliczenia SOL stosuje się metodę różnicową. Wyniki dwóch doświadczeń przyjmuje się jako Vs1, Vp1 i Vs2, Vp2 i podstawia do równania (6):
(7)
Przekształcając równania i odejmując dolne równanie od górnego równania w równaniu (7), parametry Q i k są eliminowane. Następnie uzyskuje się wzór kalibracyjny SOL, jak pokazano w równaniu (8):
(8)
Wykonując serię eksperymentów, krzywa jest rysowana z P(1/Vp1-1/Vp2) jako rzędną i 2(1/Vs12-1/Vs22) jako odciętą. Nachylenie krzywej wynosi SOL.
Po uzyskaniuS OL, elektroda zostanie zastąpiona przez różne super-hydrofobowe podłoża. Siły oddziaływania między kropelkami a substratami superhydrofobowymi zostaną zmierzone za pomocą systemu pokazanego 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.
Przemieszczenie elektrody płytkowej i odpowiadająca jej pojemność między kantylinem a elektrodą zmierzone w jednym eksperymencie są pokazane w Tabeli 1. Zależność między pojemnością C a przemieszczeniem z jest dopasowana za pomocą wielomianu kwadratowego za pomocą funkcji polyfit w MATLAB, jak pokazano na Rysunek 4. Współczynnik pierwszego rzędu P można uzyskać za pomocą funkcji dopasowania. Końcowa wartość P wynosi 0,2799 pF/mm, co jest średnią obliczoną na podstawi...
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.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie