Medindo a força de interação entre um droplet e um substrato super-hidrofóbico pelo método de alavanca óptica

Este método pode ajudar a responder a perguntas-chave no campo da biônica e da mecânica de fluidos, como estruturas superhidrofóbicas de folhas de lótus e os processos de coalescência de gotículas. A principal vantagem desta técnica é que uma força na escala de sub-micro-newtons pode ser medida com uma resolução de escala de nanonovos. Este método poderia fornecer insights sobre o processo de contato de gotículas e estruturas superhidrofóbicas.

E também pode ser aplicado a outros campos de medição de micro-força. Indivíduos que nunca realizaram essa técnica lutarão porque a distância entre gotículas e substratos superhidrofóbicos é difícil de controlar com precisão. Prepare o sistema de medição em um banco de laboratório apropriado.

No centro do sistema está o cantilever de silício, que está suspenso sobre um estágio Z de nanoposicionamento. O cantilever de cinco milímetros de comprimento é montado na extremidade do suporte. Uma câmera de alta velocidade está no lugar com a linha de visão perpendicular ao cantilever.

O estágio Z de nanoposicionamento tem um suporte que contém um eletrodo que neste momento. Finalmente, um laser e um detector sensível de posição são organizados para medir a deflexão cantilever. Depois de medir o gradiente de capacitância, use uma fonte de alimentação DC controlada pelo computador para calibrar a alavanca óptica.

Este esquema fornece e visão geral da configuração para calibração. Um eletrodo de placa está no estágio Z de nanoposicionamento. Está 100 micrômetros abaixo do cantilever com um comprimento de sobreposição de meio milímetro.

O cantilever e o eletrodo formam um capacitor, com a puxada positiva da fonte de alimentação DC conectada com o cantilever e a tração negativa com o eletrodo da placa. Em seguida, ajuste as posições relativas do laser, o detector sensível à posição e o cantilever. Organize-os para que o raio laser seja refletido pelo cantilever para o detector.

No computador, defina a taxa de aquisição de dados da tensão de saída do detector para um quilohertz. No software de controle de alimentação DC, defina a tensão inicial para zero volts. Coloque a tensão final em 125 volts.

Tenha o aumento da tensão em incrementos de 25 volts. Segure cada valor de tensão por cinco segundos. Como a tensão é variada, monitore a saída de tensão do detector sensível à posição.

Após esta sequência de medições, realize uma sequência análoga começando com a tensão a 125 volts e diminuindo para zero volts em incrementos de 25 volts. Use os dados de cinco medidas completas para criar um plot no qual a inclinação é a constante de proporcionalidade entre a força de interação e a tensão de saída sensível do detector de posição. Para se preparar para as medições, desconecte a fonte de alimentação DC da placa e cantilever.

Em seguida, trabalhe com o estágio Z de nanoposicionamento. Identifique o eletrodo no suporte da placa e remova ambos desparafusando o suporte do palco. Em seu lugar, enrosque um novo suporte de placa para a etapa z antes de continuar.

Certifique-se de que a linha de visão da câmera de alta velocidade é perpendicular ao cantilever. Em seguida, obtenha uma estrutura superhidrofóbica para o suporte da placa. Use a estrutura com um ângulo de contato de quase 180 graus para suspender a gota d'água do cantilever.

Para o experimento, afixe esta estrutura no suporte da placa no estágio Z. Com uma micro pipeta, coloque uma gota de dois microliter de água na estrutura superhidrofóbica. Agora comece a trabalhar com o software de palco de nanoposicionamento.

Neste software, vá para a caixa de diálogo de velocidade e defina a velocidade para 10 micrômetros por segundo. Clique no botão para frente para iniciar a gotícula movendo-se para cima. Clique em parar quando a gota entrar em contato com a extremidade livre do cantilever.

Após um ou dois segundos, mova manualmente o estágio Z para longe do cantilever. Uma gota hemisférica de água deve permanecer suspensa da superfície inferior do cantilever. Para continuar, remova a estrutura superhidrofóbica do suporte da placa e obtenha um substrato superhidrofóbico para substituí-la.

Este substrato consiste em um grão de cobre com pulverizado em nanopartículas. O substrato está colado em um cilindro. Este substrato tem uma fração de grade de 46,18% Coloque o substrato no suporte da placa.

Ajuste a posição do substrato superhidrofóbico para que esteja a 100 micrômetros da gotícula hemisférica no cantilever. Com o detector, laser e câmera ligados, volte a trabalhar com o software de controle de nanoposicionamento. Na caixa de diálogo de velocidade, defina a velocidade para 10 micrômetros por segundo.

Clique no botão para frente para iniciar o substrato movendo-se para cima. Clique em parar quando o substrato e a gotícula fizerem contato. Clique no botão de trás para mover o substrato superhidrofóbico para baixo.

Clique no botão parar quando o substrato e a gotícula estiverem separados. Há diferentes cenários representados nessas tramas de versos da Força de Interação Tempo. Primeiro foco nos dados na curva preta que é para o substrato com fração de grade 46,18%Inicialmente, o substrato e a gotícula estão longe de contato.

Neste ponto, a força é zero. À medida que a distância entre o substrato e a gotícula diminui, surge uma força repulsiva. Isso se reflete no aumento da força.

Uma vez que o substrato e a gotícula entram em contato, a força entre os dois torna-se atraente, levando a uma diminuição na curva à medida que a gotícula gradualmente molha o substrato através da ação capilar. Eventualmente, o cantilever oscila em torno de uma posição de equilíbrio. Quando outras frações de grade mais altas são usadas, a magnitude da força entre a gotícula e o substrato diminui.

Ao tentar esse procedimento, é importante lembrar que a posição relevante entre laser, PSD e cantilever não pode ser alterada. O que pode garantir a precisão dos resultados da medição. Após seu desenvolvimento, essa técnica abre caminho para pesquisas no campo da medição da força de tensão explorarem a força durante gotículas em contato com o substrato no ar.