Name: Pomiar siły oddziaływania między kroplą a podłożem superhydrofobowym metodą dźwigni optycznej (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-06-14T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 18 s
Description: Poznaj pomiar siły oddziaływania między kroplą a podłożem superhydrofobowym metodą dźwigni optycznej. Technika ta umożliwia badanie procesów kontaktu w bionice i mechanice płynów z nanonewtonową rozdzielczością.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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.

1. Montaż systemu kalibracji SOL
<ol>
	<li>Zmontuj system kalibracji SOL zgodnie ze schematem pokazanym na Rysunek 2.</li>
	<li>Przymocuj laser do podpory, tak aby kąt między laserem a kierunkiem poziomym wynosił 45°.</li>
	<li>Przymocuj PSD do innego wspornika, tak aby PSD był prostopadły do lasera. Podłącz plik PSD do urządzenia do akwizycji danych, a urządzenie do akwizycji danych do komputera. 
	UWAGA: Kąty te są określane na podstawie pomiaru wzrokowego eksperymentatora i nie muszą wynosić dokładnie 45° lub 90°.</li>
	<li>Przymocuj szerszy koniec wspornika do urządzenia przytrzymującego, podczas gdy drugi koniec jest zawieszony. Zamocuj urządzenie przytrzymujące na dwuwymiarowym, precyzyjnym stoliku przemieszczenia. 
	UWAGA: Wymiary wspornika są pokazane w <silna klasa="xfig">Rysunek 3.</li>
	<li>Przymocuj elektrodę płytkową do stopnia nanopozycjonowania za pomocą urządzenia zaciskowego. 
	UWAGA: Stopień z nanopozycjonowania może sprawić, że elektroda będzie poruszać się wzdłuż osi z rozdzielczością przemieszczenia 1 nm.</li>
	<li>Połącz biegun dodatni mostka pojemnościowego z wspornikiem, a biegun ujemny z elektrodą płytkową.</li>
	<li>Zainstaluj szybką kamerę, której linia wzroku jest prostopadła do wspornika.</li>
	<li>Dostosuj położenie elektrody płytowej, sprawiając, że odległość pionowa między elektrodą płytową a wspornikiem wynosi około 100 μm, a długość zakładki około 0,5 mm. 
	UWAGA: Odległości te są sprawdzane przez przetwarzanie obrazu.</li>
</ol>
2. Pomiar gradientu pojemności
<ol>
	<li>Użyj komputera do sterowania mostkiem pojemnościowym, aby zebrać zmiany pojemności między elektrodą płytową a wspornikiem w czasie rzeczywistym. Ustaw częstotliwość próbkowania na 0,5 Hz.</li>
	<li>Kontroluj stopień z nanopozycjonowania za pomocą komputera, aby ustawić elektrodę płytkową tak, aby przesuwała się w górę z krokiem 10 μm i krokiem o numerze 6 i pozostawała przez 10 s po każdym ruchu.</li>
	<li>Zmień kierunek ruchu elektrody płytkowej na skierowany w dół i powtórz krok 2.2.</li>
	<li>Określić zależność między pojemnością a przemieszczeniem elektrody płytowej w wyniku pomiaru i uzyskać wartość P zgodnie z równaniem (3).</li>
	<li>Powtórz kroki 2.1–2.4 5x i oblicz średnią wartość P.</li>
</ol>
3. Kalibracja dźwigni optycznej
<ol>
	<li>Odłącz połączenie między mostkiem pojemnościowym a elektrodą wspornikową/płytkową.</li>
	<li>Połącz biegun dodatni zasilacza prądu stałego ze wspornikiem, a biegun ujemny z elektrodą płytową.</li>
	<li>Dostosuj względne położenie między laserem, PSD i wspornikiem, aby laser odbijał się od PSD za pomocą wspornika. 
	UWAGA: Plamka lasera to okrąg o średnicy około 2 mm.</li>
	<li>Kontroluj zasilanie prądem stałym za pomocą komputera, aby przyłożyć napięcie zmieniające się w czasie do kondensatora równoległego płytowego. W tym samym czasie zbieraj napięcie wyjściowe PSD w czasie rzeczywistym przez urządzenie do akwizycji danych.
	<ol>
		<li>Ustaw częstotliwość próbkowania urządzenia do akwizycji danych na 1 000 Hz.</li>
		<li>Ustaw początkową objętośćtage zasilacza DC na 0 V i przytrzymaj przez 5 s.</li>
		<li>Zwiększ napięcie o 25 V i przytrzymaj przez 5 s.</li>
		<li>Powtarzaj krok 3.4.3 4x, aż napięcie wzrośnie do 125 V.</li>
		<li>Zmniejsz napięcie o 25 V i przytrzymaj przez 5 s.</li>
		<li>Powtarzaj krok 3.4.5 4x, aż napięcie spadnie do 0 V.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Określ zależność między napięciem wyjściowym PSD a napięciem zasilania DC w wyniku pomiaru i uzyskaj wartość SOL zgodnie z równaniem (8).</li>
	<li>Powtórz kroki 3.4–3.5 5x i oblicz średnią wartość SOL.</li>
</ol>
4. Przygotowanie substratów superhydrofobowych
<ol>
	<li>Przygotuj trzy okrągłe siatki miedziane o tej samej średnicy 3 mm i różnych frakcjach siatki. Ich frakcje siatki wynoszą odpowiednio 46,18%, 51,39% i 58,79%. 
	UWAGA: Te siatki miedziane są produktami komercyjnymi, które zostały zakupione.</li>
	<li>Rozpyl nanocząstki na trzy miedziane siatki, aby uzyskać superhydrofobowe podłoża o mikrostrukturze i hydrofobowości.
	<ol>
		<li>Rozpyl warstwę bazową na miedzianą siatkę.</li>
		<li>Spryskaj warstwę wierzchnią na miedzianą siatkę, gdy pierwsza warstwa wyschnie. 
		UWAGA: Nanocząstki są zapakowane w puszkę z głowicą natryskową. Nanocząstki zostaną rozpylone przez naciśnięcie głowicy natryskowej podczas użytkowania.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przyklej siatki miedziane z boku cylindrów o średnicy 3 mm, aby uzyskać powierzchnię superhydrofobową strukturę o krzywiźnie 1/3 mm-1.</li>
</ol>
5. Pomiar siły oddziaływania między kropelkami a substratami superhydrofobowymi
<ol>
	<li>Odłącz połączenie między zasilaczem prądu stałego a elektrodą wspornikową/płytkową. Wyjmij elektrodę płytkową ze stolika Z nanopozycjonowania.</li>
	<li>Przymocuj wspornik płyty do stolika Z nanopozycjonowania.</li>
	<li>Zainstaluj szybką kamerę, której linia wzroku jest prostopadła do wspornika.</li>
	<li>Zawieś kroplę na dolnej powierzchni wolnego końca wspornika.
	<ol>
		<li>Umieść superhydrofobową strukturę o kącie działania prawie 180° na wsporniku płyty.</li>
		<li>Umieść kroplę o pojemności 2 μl na superhydrofobowej strukturze za pomocą mikropipetora.</li>
		<li>Kontroluj stopień Z nanopozycjonowania za pomocą oprogramowania (np. PIMikroMove), aby napędzać kroplę do ruchu w górę.
		<ol>
			<li>W oknie dialogowym ustaw prędkość na 10 μm/s.</li>
			<li>Kliknij przycisk Dalej, a kropla zacznie poruszać się w górę.</li>
			<li>Kliknij przycisk Zatrzymaj, gdy kropla zetknie się z wolnym końcem wspornika.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Pozostań przez 1 lub 2 sekundy, a następnie kontroluj stopień z nanopozycjonowania, aby odsunąć superhydrofobową strukturę od wspornika. 
		UWAGA: Ponieważ wspornik krzemowy jest hydrofilowy, kropla jest zawieszona na dolnej powierzchni wolnego końca wspornika, tworząc półkulistą kroplę o średnicy około 0,5 mm.</li>
		<li>Usuń superhydrofobową strukturę o kącie działania prawie 180° ze wspornika płyty.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Umieść superhydrofobowe podłoże o frakcji siatki 46,18% na podkładzie płyty.</li>
	<li>Dostosuj położenie wspornika płyty, tak aby odległość w pionie między podłożem superhydrofobowym a półkulistą kroplą wynosiła około 100 μm. 
	UWAGA: Odległość jest sprawdzana przez przetwarzanie obrazu.</li>
	<li>Włącz PSD, laser i kamerę o dużej szybkości.</li>
	<li>Steruj urządzeniem do akwizycji danych za pomocą komputera, aby zbierać napięcie wyjściowe PSD w czasie rzeczywistym. Ustaw częstotliwość próbkowania na 100 kHz.</li>
	<li>Ustaw prędkość na 10 μm/s w oprogramowaniu, a następnie kliknij przycisk Forward, aby superhydrofobowe podłoże stopniowo zbliżało się do kropli.</li>
	<li>Kliknij przycisk Stop, gdy superhydrofobowe podłoże i kropla zetkną się ze sobą.</li>
	<li>Ustaw prędkość na 10 μm/s w oprogramowaniu, a następnie kliknij przycisk Wstecz, aby przesunąć superhydrofobowe podłoże w dół.</li>
	<li>Kliknij przycisk Zatrzymaj, gdy superhydrofobowe podłoże zostanie oddzielone od kropli.</li>
	<li>Narysuj krzywą napięcia wyjściowego PSD zmieniającego się w czasie.</li>
	<li>Powtórz kroki 5.4–5.13, używając podłoży superhydrofobowych o frakcjach siatki 51,39% i 58,79%.</li>
	<li>Przeanalizuj zależność między siłą oddziaływania a frakcją siatki superhydrofobowego podłoża</li>.
</ol>

<ol><li>Guo, Z., Liu, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biomimic+from+the+superhydrophobic+plant+leaves+in+nature%3A+Binary+structure+and+unitary+structure%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Science%22%5BJournal%5D)">Biomimic from the superhydrophobic plant leaves in nature: Binary structure and unitary structure.</a> Plant Science. 172 (6), 1103-1112 (2007).</li>
<li>Koch, K., Bhushan, B., Barthlott, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diversity+of+structure%2C+morphology+and+wetting+of+plant+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Diversity of structure, morphology and wetting of plant surfaces.</a> Soft Matter. 4 (10), 1943-1963 (2008).</li>
<li>Gao, X., Jiang, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biophysics%3A+Water-repellent+legs+of+water+striders%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Biophysics: Water-repellent legs of water striders.</a> Nature. 432 (7013), 36(2004).</li>
<li>Yin, W., Zheng, Y. L., Lu, H. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-dimensional+topographies+of+water+surface+dimples+formed+by+superhydrophobic+water+strider+legs%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Three-dimensional topographies of water surface dimples formed by superhydrophobic water strider legs.</a> Applied Physics Letters. 109 (16), 163701(2016).</li>
<li>Zheng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Elegant+Shadow+Making+Tiny+Force+Visible+for+Water-Walking+Arthropods+and+Updated+Archimedes%E2%80%99+Principle%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Elegant Shadow Making Tiny Force Visible for Water-Walking Arthropods and Updated Archimedes’ Principle.</a> Langmuir. 32 (41), 10522-10528 (2016).</li>
<li>Hu, D. L., Chan, B., Bush, J. W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+hydrodynamics+of+water+strider+locomotion%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">The hydrodynamics of water strider locomotion.</a> Nature. 424 (6949), 663-666 (2003).</li>
<li>Jiang, C. G., Xin, S. C., Wu, C. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drag+reduction+of+a+miniature+boat+with+superhydrophobic+grille+bottom%5BTitle%5D)+AND+%22AIP+Advances%22%5BJournal%5D)">Drag reduction of a miniature boat with superhydrophobic grille bottom.</a> AIP Advances. 1 (3), 032148(2011).</li>
<li>Guo, Z., Liang, J., Fang, J., Guo, B., Liu, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Novel+Approach+to+the+Robust+Ti6Al4V-Based+Superhydrophobic+Surface+with+Crater-like+Structure%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Engineering+Materials%22%5BJournal%5D)">A Novel Approach to the Robust Ti6Al4V-Based Superhydrophobic Surface with Crater-like Structure.</a> Advanced Engineering Materials. 9 (4), 316-321 (2007).</li>
<li>Guo, Z., Liu, W., Su, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+stable+lotus-leaf-like+water-repellent+copper%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">A stable lotus-leaf-like water-repellent copper.</a> Applied Physics Letters. 92 (6), 063104(2008).</li>
<li>Liu, K., Zhang, M., Zhai, J., Wang, J., Jiang, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bioinspired+construction+of+Mg-Li+alloys+surfaces+with+stable+superhydrophobicity+and+improved+corrosion+resistance%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Bioinspired construction of Mg-Li alloys surfaces with stable superhydrophobicity and improved corrosion resistance.</a> Applied Physics Letters. 92 (18), 61(2008).</li>
<li>Biance, A. L., Clanet, C., Quéré, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((First+steps+in+the+spreading+of+a+liquid+droplet%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+E+Statistical+Nonlinear+%26+Soft+Matter+Physics%22%5BJournal%5D)">First steps in the spreading of a liquid droplet.</a> Physical Review E Statistical Nonlinear & Soft Matter Physics. 69 (1), 016301(2004).</li>
<li>Eddi, A., Winkels, K. G., Snoeijer, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Short+time+dynamics+of+viscous+drop+spreading%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Fluids%22%5BJournal%5D)">Short time dynamics of viscous drop spreading.</a> Physics of Fluids. 25 (1), 77-177 (2017).</li>
<li>Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Viscous+to+Inertial+Crossover+in+Liquid+Drop+Coalescence%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+Letters%22%5BJournal%5D)">Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence.</a> Physical Review Letters. 106 (11), 114501(2011).</li>
<li>Paulsen, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Approach+and+coalescence+of+liquid+drops+in+air%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Review+E%22%5BJournal%5D)">Approach and coalescence of liquid drops in air.</a> Physical Review E. 88 (6), 063010(2013).</li>
<li>Vakarelski, I. U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bubble+colloidal+AFM+probes+formed+from+ultrasonically+generated+bubbles%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Bubble colloidal AFM probes formed from ultrasonically generated bubbles.</a> Langmuir. 24 (3), 603-605 (2008).</li>
<li>Shi, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+forces+and+spatiotemporal+evolution+of+thin+water+films+between+an+air+bubble+and+solid+surfaces+of+different+hydrophobicity%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Measuring forces and spatiotemporal evolution of thin water films between an air bubble and solid surfaces of different hydrophobicity.</a> ACS Nano. 9 (1), 95-104 (2015).</li>
<li>Shi, C., Chan, D. Y. C., Liu, Q., Zeng, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+the+Hydrophobic+Interaction+between+Air+Bubbles+and+Partially+Hydrophobic+Surfaces+Using+Atomic+Force+Microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Physical+Chemistry+C%22%5BJournal%5D)">Probing the Hydrophobic Interaction between Air Bubbles and Partially Hydrophobic Surfaces Using Atomic Force Microscopy.</a> The Journal of Physical Chemistry C. 118 (43), 25000-25008 (2014).</li>
<li>Chung, K., Shaw, G. A., Pratt, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Accurate+noncontact+calibration+of+colloidal+probe+sensitivities+in+atomic+force+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">Accurate noncontact calibration of colloidal probe sensitivities in atomic force microscopy.</a> Review of Scientific Instruments. 80 (6), 930(2009).</li>
<li>Zheng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improving+environmental+noise+suppression+for+micronewton+force+sensing+based+on+electrostatic+by+injecting+air+damping%5BTitle%5D)+AND+%22Review+of+Scientific+Instruments%22%5BJournal%5D)">Improving environmental noise suppression for micronewton force sensing based on electrostatic by injecting air damping.</a> Review of Scientific Instruments. 85 (5), 055002(2014).</li>
<li>Song, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+sensitive%2C+precise%2C+and+traceable+measurement+of+force%5BTitle%5D)+AND+%22Instrumentation+Science+%26+Technology%22%5BJournal%5D)">Highly sensitive, precise, and traceable measurement of force.</a> Instrumentation Science & Technology. 44 (4), 15(2016).</li>
<li>Zheng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+multi-position+calibration+of+the+stiffness+for+atomic-force+microscope+cantilevers+based+on+vibration%5BTitle%5D)+AND+%22Measurement+Science+%26+Technology%22%5BJournal%5D)">The multi-position calibration of the stiffness for atomic-force microscope cantilevers based on vibration.</a> Measurement Science & Technology. 26 (5), 055001(2012).</li>
</ol>

Autor nie ma nic do zdradzienia.

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...

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).
<img alt="Równanie równowagi statycznej Fi=SOLVp dla analizy bilansu sił." src="/files/ftp_upload/59539/59539eq1.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 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.
<img alt="Wzór na siłę elektroforetyczną, F_es=1/2V_s²dC/dz, związany z analizą gradientu stężeń." src="/files/ftp_upload/59539/59539eq2.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 2"> (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).
<img alt="Wzór na równanie kwadratowe C=Qz²+Pz+CT, wyrażenie matematyczne do obliczeń." src="/files/ftp_upload/59539/59539eq3.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 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).
<img alt="Równanie siły elektrostatycznej \(F_{es}=\frac{1}{2}V_s^2(2Qz+P)\), wzór matematyczny." src="/files/ftp_upload/59539/59539eq4.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 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):
<img alt="Równanie równowagi statycznej: Fi=kz, symbol do obliczeń siły sprężystości, wzór fizyczny." src="/files/ftp_upload/59539/59539eq5.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 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):
<img alt="Równanie bilansu energii w dynamice płynów; V² prędkość, Q ciepło, SOL stała rozpuszczalności." src="/files/ftp_upload/59539/59539eq6.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 6"> (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):
<img alt="Równania równowagi statycznej; wzory na bilans sił." src="/files/ftp_upload/59539/59539eq7.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 7"> (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):
<img alt="Równanie termodynamiczne rozpuszczalności; wzór określający zależność między rozpuszczalnością a różnicami w ciśnieniu par." src="/files/ftp_upload/59539/59539eq8.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 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.

<table><tbody><tr><td>Kamera</td><td>Shenzhen Andonstar Tech Co., Ltd</td><td>mikroskop cyfrowy A1</td><td>Liczba klatek na sekundę: 30 klatek / s; Odległość ogniskowa: 5 mm - 30 mm</td></tr><tr><td>Mostek pojemnościowy</td><td>Andeen-Hagerling</td><td>AH2550A</td><td>Mostek pojemnościowy służy do pomiaru pojemności między wspornikiem a elektrodą płytkową.</td></tr><tr><td>Urządzenie do akwizycji danych</td><td>National Instruments</td><td>USB-4431</td><td>Urządzenie do akwizycji danych służy do odczytu danych o napięciu wyjściowym.</td></tr><tr><td>Zasilacz prądu stałego</td><td>Keithley</td><td>2410</td><td>Zakres napięcia: &plusmn; 5 &mu; V; Dokładność: 0,012%</td></tr> <tr><td>Mikroskopia</td><td>elektronowa siatki Chiny</td><td>AGH100, AGH150, AGH300</td><td>Frakcje siatki AGH100, AGH150 i AGH300 wynoszą odpowiednio 46,18%, 51,39% i 58,79%</td></tr><tr><td>Laser</td><td>Shenzhen Infrared Laser Technology Co., Ltd.</td>Długość fali lasera <td>HW650AD100-10BD</td><td>: 650 nm</td></tr><tr><td>Nanocząstki</td><td>Rust-Oleum</td><td>274232</td><td>NeverWet Multi-Surface Liquid Repelling Treatment to rewolucyjna powłoka super hydrofobowa.</td></tr><tr><td>Nanopozycjonowanie stopnia Z-Instrument</td><td>Physik</td><td>P622. ZCD</td><td>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%</td></tr><tr><td>Detektor czuły na położenie</td><td>Hamamatsu Photonics K.K.</td><td>S1880</td><td>Dwuwymiarowy PSD służy do przekształcania sygnałów optycznych na sygnały elektryczne.</td></tr></tbody></table>

pomiar siły oddziaływania między kroplą a podłożem superhydrofobowym metodą dźwigni optycznej

Measuring the Interaction Force Between a Droplet and a Super-hydrophobic Substrate by the Optical Lever Method

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.

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/...

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.

Pomiar siły oddziaływania między kroplą a podłożem superhydrofobowym metodą dźwigni optycznej

The goal of this paper is to investigate the interaction force between droplets and super-hydrophobic substrates in the air. A measurement system based on ...

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.

measuring-interaction-force-between-droplet-super-hydrophobic

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Nanoskopia sondy koloidalnej może być używana w różnych dziedzinach, aby uzyskać wgląd w fizyczną stabilność i kinetykę krzepnięcia systemów koloidalnych oraz pomóc w odkrywaniu leków i naukach o recepturach przy użyciu systemów biologicznych. Opisana w nim metoda dostarcza ilościowych i jakościowych środków do badania takich systemów.

Ilościowe i jakościowe badanie oddziaływań cząstka-cząstka za pomocą nanoskopii sondy koloidalnej

Opisano protokół produkcji i obsługi urządzeń do odwadniania pól (Field-DW), a także wstępne badania wpływu pól elektrycznych na zawartość kropel.

Wykorzystanie zmniejszonej interakcji kropelka-powierzchnia w celu optymalizacji transportu bioanalitów w cyfrowej mikrofluidyce

Przedstawiono protokół kowalencyjnego łączenia dużej różnorodności pojedynczych cząsteczek na końcówce AFM. Podano procedury i przykłady określające siłę adhezji i energię swobodną tych cząsteczek na stałych nośnikach i biointerfejsach.

Badanie adhezji pojedynczych cząsteczek za pomocą spektroskopii sił atomowych

Prezentujemy nową technikę pomiaru bocznej dyfuzji gatunków powierzchniowo czynnych na granicy płyn-płyn poprzez połączenie monowarstwy kropelki z płaską monowarstwą.

Odzyskiwanie fluorescencji po połączeniu kropli w celu zmierzenia dwuwymiarowej dyfuzji monowarstwy fosfolipidowej

Ta praca przedstawia prostą i wizualną metodę wykrywania polimorfizmów wielonukleotydowych na pneumatycznej platformie do manipulacji kropelkami. Dzięki proponowanej metodzie cały eksperyment, w tym manipulacja kropelkami i wykrywanie polimorfizmów wielonukleotydowych, może być przeprowadzony w temperaturze około 23 °C bez pomocy zaawansowanych urządzeń.

Wizualna detekcja kolorymetryczna polimorfizmów wielonukleotydowych na pneumatycznej platformie do manipulacji kropelkami

Ilustrujemy kilka metodologii produkcji superhydrofobowych powierzchni metalowych oraz badania ich trwałości i właściwości przeciwoblodzeniowych.

Wytwarzanie superhydrofobowych powierzchni metalowych do zastosowań przeciwoblodzeniowych

Przedstawiono protokół do badania wpływu fal na dynamikę uderzeń kropel w przepływające warstwy cieczy.

Kontrola filmu w celu zbadania wpływu fal na dynamikę oddziaływania kropel na cienkie, płynące warstwy cieczy

Przedstawiamy protokół do badania powstawania hydratów w obecności niejonowych środków powierzchniowo czynnych na granicy kropel wody zanurzonych w cyklopentanie. Protokół polega na zbudowaniu taniego, programowalnego regulatora temperatury. System kontroli temperatury jest połączony z technikami wizualizacji i pomiarami ciśnienia wewnętrznego.

Badanie wpływu środków powierzchniowo czynnych na krystalizację hydratów na granicy faz olej-woda przy użyciu niedrogiego, zintegrowanego modułowego urządzenia Peltiera

Ten protokół umożliwia efektywne zbieranie eksperymentalnych obrazów uderzeń kropel cieczy z dużą prędkością oraz szybką analizę tych danych w partiach. Aby usprawnić te procesy, metoda opisuje, jak skalibrować i ustawić aparaturę, wygenerować odpowiednią strukturę danych i wdrożyć skrypt do analizy obrazu.

Wysokoprzepustowa analiza uderzeń kropel cieczy

Ogólnym celem protokołu jest przygotowanie ponad miliona uporządkowanych, jednolitych, stabilnych i biokompatybilnych kropel femtolitru na płaskim podłożu o powierzchni 1cm2, który może być użyty do syntezy białek bez komórek.

Femtolitrowa matryca kropelkowa do masowo równoległej syntezy białek z pojedynczych cząsteczek DNA

Ten protokół wykorzystuje pęsetę optyczną z podwójną pułapką do pomiaru sił między kroplami w czasie rzeczywistym podczas enzymatycznego trawienia emulsji. Ułatwia badanie stabilności emulsji i dynamiki kropel, co ma zastosowanie w naukach o żywności i farmaceutykach.

Pomiar siły w czasie rzeczywistym między kropelkami emulsji podczas rozpadu enzymatycznego

Poznaj pomiar siły oddziaływania między kroplą a podłożem superhydrofobowym metodą dźwigni optycznej. Technika ta umożliwia badanie procesów kontaktu w bionice i mechanice płynów z nanonewtonową rozdzielczością.

Pomiar siły oddziaływania między kroplą a podłożem superhydrofobowym metodą dźwigni optycznej

Przeglądaj więcej filmów