Pomiar siły oddziaływania między kroplą a podłożem superhydrofobowym metodą dźwigni optycznej

Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania z zakresu bioniki i mechaniki płynów, takie jak superhydrofobowe struktury liści lotosu i procesy koalescencji kropel. Główną zaletą tej techniki jest to, że siła w skali submikroniutonów może być mierzona z rozdzielczością skali nanoniutonów. Metoda ta może dostarczyć informacji na temat procesu kontaktu struktur kropelkowych i superhydrofobowych.

Może być również stosowany w innych dziedzinach pomiaru mikrosił. Osoby, które nigdy nie stosowały tej techniki, będą miały trudności, ponieważ odległość między kropelkami a substratami superhydrofobowymi jest trudna do dokładnego kontrolowania. Przygotuj system pomiarowy na odpowiednim stole laboratoryjnym.

W centrum systemu znajduje się krzemowy wspornik, który jest zawieszony nad stolikiem Z w nanopozycji. Wspornik o długości pięciu milimetrów jest zamontowany na końcu uchwytu. Szybka kamera jest na miejscu z linią wzroku prostopadłą do wspornika.

Stopień Z do nanopozycjonowania ma podporę, na której znajduje się elektroda, która w tym momencie. Na koniec laser i detektor czuły na położenie są rozmieszczone do pomiaru ugięcia wspornika. Po zmierzeniu gradientu pojemności użyj sterowanego komputerowo zasilacza prądu stałego, aby skalibrować dźwignię optyczną.

Ten schemat zawiera iview konfiguracji do kalibracji. Elektroda płytkowa znajduje się na stopniu nanopozycjonowania Z. Znajduje się 100 mikrometrów poniżej wspornika przy długości zakładki wynoszącej pół milimetra.

Wspornik i elektroda tworzą kondensator, przy czym dodatnie przyciąganie zasilacza prądu stałego jest połączone ze wspornikiem, a ujemne przyciąganie z elektrodą płytkową. Następnie wyreguluj względne pozycje lasera, detektora czułego na położenie i wspornika. Ułóż je tak, aby wiązka lasera była odbijana przez wspornik do detektora.

Na komputerze ustaw szybkość akwizycji danych napięcia wyjściowego detektora na jeden kiloherc. W oprogramowaniu sterującym zasilaczem prądu stałego ustaw napięcie rozruchowe na zero woltów. Ustaw napięcie końcowe na 125 woltów.

Spraw, aby napięcie wzrastało w krokach co 25 woltów. Przytrzymaj każdą wartość napięcia przez pięć sekund. Wraz ze zmianą napięcia należy monitorować napięcie wyjściowe detektora wrażliwego na położenie.

Po tej sekwencji pomiarów wykonaj analogiczną sekwencję, zaczynając od napięcia o napięciu 125 woltów i zmniejszając się do zera woltów w krokach co 25 woltów. Użyj danych z pięciu pełnych pomiarów, aby utworzyć wykres, na którym nachylenie jest stałą proporcjonalności między siłą oddziaływania a napięciem wyjściowym detektora wrażliwego na położenie. Aby przygotować się do pomiarów, odłącz zasilanie prądem stałym od płyty i wspornika.

Następnie pracuj ze stopniem Z nanopozycjonowania. Zidentyfikuj elektrodę na wsporniku płytki i usuń oba, odkręcając wspornik od stolika. W ich miejsce przykręć nowy wspornik płyty do stolika z przed kontynuacją.

Upewnij się, że linia wzroku kamery o dużej szybkości jest prostopadła do wspornika. Następnie uzyskaj superhydrofobową strukturę na podparcie płyty. Użyj konstrukcji o kącie zwilżania prawie 180 stopni, aby zawiesić kroplę wody na wsporniku.

Na potrzeby eksperymentu przymocuj tę konstrukcję do wspornika płyty na stoliku Z. Za pomocą mikropipety umieść dwumikrolitrową kroplę wody na superhydrofobowej strukturze. Teraz rozpocznij pracę z oprogramowaniem do nanopozycjonowania stolika.

W tym oprogramowaniu przejdź do okna dialogowego prędkości i ustaw prędkość na 10 mikrometrów na sekundę. Kliknij przycisk do przodu, aby rozpocząć przesuwanie kropli w górę. Kliknij przycisk stop, gdy kropla zetknie się z wolnym końcem wspornika.

Po jednej lub dwóch sekundach ręcznie odsuń stolik Z od wspornika. Półkulista kropla wody powinna pozostać zawieszona na dolnej powierzchni wspornika. Aby kontynuować, usuń superhydrofobową strukturę z podłoża płyty i uzyskaj superhydrofobowe podłoże, aby ją zastąpić.

Podłoże to składa się z grysu miedzianego rozpylonego na nanocząstki. Podłoże przykleja się do cylindra. Ten substrat ma frakcję siatki 46.18%Umieść podłoże na wsporniku płyty.

Dostosuj położenie podłoża superhydrofobowego tak, aby znajdowało się w odległości 100 mikrometrów od półkulistej kropli na wsporniku. Po włączeniu detektora, lasera i kamery wróć do pracy z oprogramowaniem sterującym nanopozycjonowaniem. W oknie dialogowym prędkości ustaw prędkość na 10 mikrometrów na sekundę.

Kliknij przycisk do przodu, aby rozpocząć przesuwanie podłoża w górę. Kliknij stop, gdy podłoże i kropla zetkną się. Kliknij przycisk Wstecz, aby przesunąć superhydrofobowe podłoże w dół.

Kliknij przycisk zatrzymania, gdy substrat i kropla zostaną oddzielone. Istnieją różne scenariusze reprezentowane w tych wykresach Siły Interakcji Wersety Czasu. Najpierw skup się na danych na czarnej krzywej, która dotyczy podłoża o ułamku siatki 46,18%Początkowo podłoże i kropla są daleko od kontaktu.

W tym momencie siła wynosi zero. Wraz ze zmniejszaniem się odległości między podłożem a kroplą powstaje siła odpychająca. Znajduje to odzwierciedlenie we wzroście siły.

Gdy podłoże i kropla zetkną się ze sobą, siła między nimi staje się atrakcyjna, co prowadzi do zmniejszenia krzywej, ponieważ kropla stopniowo zwilża podłoże poprzez działanie kapilarne. W końcu wspornik oscyluje wokół pozycji równowagi. Gdy stosowane są inne frakcje o wyższej siatce, wielkość siły między kroplą a podłożem zmniejsza się.

Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać, że nie można zmienić odpowiedniej pozycji między laserem, PSD i wspornikiem. Co może zapewnić dokładność wyników pomiarów. Po jej opracowaniu, technika ta toruje drogę do badań w dziedzinie pomiaru siły naciągu w celu zbadania siły działającej na kropelki stykające się z podłożem w powietrzu.