Методическая статья

Измерение силы взаимодействия между каплей и супер-гидрофобным субстратом методом оптического рычага

DOI:

10.3791/59539

⸱

14 июня 2019 г.

 ,  ,  ,  ,  , 
1State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments, Tianjin University

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Протокол направлен на изучение взаимодействия капель и супер-гидрофобных субстратов в воздухе. Это включает в себя калибровку системы измерений и измерение силы взаимодействия на супер-гидрофобных субстратах с различными фракциями сетки.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Целью данной работы является изучение силы взаимодействия между каплями и супер-гидрофобными субстратами в воздухе. Разработана система измерения на основе метода оптического рычага. В качестве компонента, чувствительного к силе, в системе измерений используется миллиметровый кантилевер. Во-первых, чувствительность оптического рычага откалибрована с помощью электростатического силы, что является критическим шагом в измерении силы взаимодействия. Во-вторых, три супер-гидрофобных субстрата с различными фракциями сетки готовятся с наночастицами и медными сетками. Наконец, силы взаимодействия между каплями и супер-гидрофобными субстратами с различными фракциями сетки измеряются системой. Этот метод может быть использован для измерения силы в масштабе субмикроньютона с разрешением на шкале наноньютона. Глубокое изучение процесса контакта капель и сверхгидрофобных конструкций может помочь повысить эффективность производства в покрытии, пленке и печати. Система измерения силы, разработанная в этой работе, также может быть использована в других областях измерения микросилы.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Контакт между каплями и супер-гидрофобной поверхностью очень распространен в повседневной жизни и промышленном производстве: капли воды скользят с поверхности листьев лотоса1,2, и водный спирали быстро путешествия по воде3 ,4,5,6. Супер-гидрофобное покрытие на внешней поверхности корабля может помочь снизить степень коррозиисудна и уменьшить сопротивление навигации 7,8,9,10. Существует большое значение для промышленного производства и бионики исследований в изучении процесса контакта между капля и супер-гидрофобной поверхности.

Для наблюдения за процессом распространения капель на твердой поверхности, Biance использовал высокоскоростную камеру, чтобы сфотографировать процесс контакта и обнаружил, что продолжительность инерционного режима в основном фиксируется размером падения11. Эдди сфотографировал процесс контакта между каплей и прозрачной пластиной снизу и сбоку с помощью высокоскоростной камеры, которая всесторонне выявила изменение радиуса контакта вязкой капли со временем12. Полсен объединил электрический метод с высокоскоростным наблюдением камеры, тем самым сократив время отклика до 10 нс13,14.

Атомная микроскопия силы (AFM) также была использована для измерения силы взаимодействия между каплями / пузырь и твердых поверхностей. Вакарельски использовал aFM кантилевер для измерения сил взаимодействия между двумя маленькими пузырьками (примерно 80-140 мкм) в ввоковом растворе во время контролируемых столкновений в масштабе микрометров до нанометров15. Ши использовал комбинацию AFM и отражения взаимодействия контрастной микроскопии (RICM) одновременно измерить силу взаимодействия и пространственно-временной эволюции тонкой водной пленки между воздушным пузырем и слюдой поверхностей различной гидрофобности 16,17.

Однако, поскольку коммерческие кантилеверы, используемые в AFM, слишком малы, лазерное пятно, облученое на кантилевере, будет погружено каплями или пузырьками. AFM имеет трудности в измерении силы взаимодействия между каплями и каплями / субстратами в воздухе.

В этой работе система измерения, основанная на методе оптического рычага, предназначена для измерения силы взаимодействия между каплями и сверхгидрофобными субстратами. Чувствительность силы оптического рычага (SOL) откалибрована электростатической силой18,после чего силы взаимодействия между каплями и различными сверхгидрофобными субстратами измеряются системой измерения.

Схематическая схема системы измерений показана на рисунке 1. Лазерный и чувствительный к положению детектор (PSD) представляют собой оптическую систему рычага. В качестве важного компонента в системе используется миллиметровый кремниевый кантилевер. Субстрат фиксируется на нанопозиционирующем z-этапе, который может двигаться в вертикальном направлении. Когда субстрат приближается к капле, сила взаимодействия заставляет кантилевер согнуться. Таким образом, положение лазерного пятна на PSD изменится, и выходное напряжение PSD изменится. Выходное напряжение PSD Vp пропорционально силе взаимодействия Fi, как показано в Eq. (1).

figure-introduction-1(1)

Для того, чтобы приобрести силу взаимодействия, SOL должны быть откалиброваны в первую очередь. Электростатическая сила используется в качестве стандартной силыв калибровке S OL. Как показано на рисунке 2, кантилевер и электрод составляют параллельный конденсатор пластины, который может генерировать электростатическую силу в вертикальном направлении. Электростатическая сила Fes определяется напряжением блокпитания ПИТАНИЯ DC Vs,как показано в Eq. (2)19,20,21.

figure-introduction-2(2)

где C является конденсацией параллельного конденсатора пластины, z является смещение свободного конца кантилевера, а d C/dz называется градиентом конденсата. Конденсация может быть измерена мостом емкой емки. Математическая связь между C и z может быть установлена квадратной полиномиальной, как показано в Eq. (3).

figure-introduction-3(3)

где q, P и CT являются коэффициентами квадратного термина, первичного термина и постоянного термина соответственно. Таким образом, электростатическая сила Fes может быть выражена как Eq. (4).

figure-introduction-4(4)

Так как область перекрытия двух пластин конденсатора очень мала, упругая сила действовала на кантилевере может быть выражена как Eq. (5), в соответствии с законом Хука:

figure-introduction-5(5)

где k является жесткость кантилевера.

Когда эластичная сила и электростатическая сила, наносимые на кантилевер, равны (т.е.,Fi q Fes),кантилевер находится в равновесии. Eq. (6) можно производным от eqs. (1), (2) и (5):

figure-introduction-6(6) 6

Для уменьшения неопределенности результатов калибровки для расчета SOLиспользуется метод различия. Результаты двух экспериментов принимаются как Vs1,Vp1 и Vs2,Vp2,и заменяются на Eq. (6):

figure-introduction-7(7)

Преобразование уравнений и вычитание нижнего уравнения из верхнего уравнения в Eq. (7), параметры q и k устраняются. Затем получается формула калибровки S OL, как показано в Eq. (8):

figure-introduction-8(8)

Выполняя серию экспериментов, кривая нарисована с P(1/Vp1-1/Vp2) как ординативис и 2(1/Vs1-1/Vs22) как abscissa. Склон кривой SOL.

После полученияS OL, электрод будет заменен различными супер-гидрофобных субстратов. Силы взаимодействия между каплями и супер-гидрофобными субстратами будут измеряться системой, показанной на рисунке 1.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Сборка системы калибровки SOL

  1. Соберите систему калибровки SOL в соответствии с схематической диаграммой, показанной на рисунке 2.
  2. Зафиксировать лазер на опору, делая угол между лазером и горизонтальным направлением 45 ".
  3. Исправьте PSD на другую поддержку, что делает PSD перпендикулярно лазеру. Подключите PSD к устройству сбора данных и устройству для сбора данных к компьютеру.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Эти углы определяются визуальным измерением экспериментатора и не должны быть точно 45 "или 90" .
  4. Исправьте более широкий конец кантилевера к удерживающее устройство, в то время как другой конец приостанавливается. Зафиксировать удерживающее устройство на двухмерной высокоточной стадии перемещения.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Размеры кантилевера показаны на рисунке 3.
  5. Закрепите электрод пластины на нанопозиционированию z-стадии с помощью зажима.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Нанопозиционирование z-стадии может привести к тому, что электрод перемещается по оси z с разрешением смещения 1 нм.
  6. Соедините положительный полюс емкостного моста с кантилевером и отрицательным полюсом с электродом пластины.
  7. Установите высокоскоростную камеру, линия видимости которой перпендикулярна кантилеверу.
  8. Отрегулируйте положение электрода пластины, что делает вертикальное расстояние между электродом пластины и кантилевером около 100 мкм, а длина перекрытия около 0,5 мм.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Эти расстояния проверяются с помощью обработки изображений.

2. Измерение градиента емачина

  1. Используйте компьютер для управления емкой моста для сбора изменений емки между электродом пластины и кантилевером в режиме реального времени. Установите частоту выборки до 0,5 Гц.
  2. Управление нанопозиционирования z-этап с помощью компьютера, чтобы диск пластины электрода шаг вверх с шагом 10 мкм и шаг номер 6 и остаться на 10 с после каждого движения.
  3. Измените направление движения электрода пластины вниз и повторите шаг 2.2.
  4. Определить связь между емкостью и смещением электрода пластины в результате измерения, и получить значение P в соответствии с Eq. (3).
  5. Повторите шаги 2.1-2.4 5x и вычислите среднее значение P.

3. Калибровка оптического рычага

  1. Отключите связь между емкостным мостом и кантилевером/электродом плиты.
  2. Соедините положительный полюс питания ПОСТОЯННОГО тока с кантилевером и отрицательным полюсом с электродом пластины.
  3. Отрегулируйте относительное положение между лазером, PSD и кантилевером, чтобы сделать лазер отраженным на PSD кантилевером.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Лазерное пятно круг около 2 мм в диаметре.
  4. Управление блок питания постоянного тока с помощью компьютера, чтобы применить напряжение, меняющееся со временем на параллельном конденсаторе пластины. В то же время, собирать выходное напряжение PSD в режиме реального времени с помощью устройства для сбора данных.
    1. Установите скорость выборки устройства для сбора данных до 1000 Гц.
    2. Установите начальное напряжение блок питания постоянного тока до 0 V и удерживайте 5 с.
    3. Увеличьте напряжение на 25 В и удерживайте 5 с.
    4. Повторите шаг 3.4.3 4x до тех пор, пока напряжение не увеличится до 125 В.
    5. Уменьшите напряжение на 25 В и удерживайте 5 с.
    6. Повторите шаг 3.4.5 4x до тех пор, пока напряжение не уменьшится до 0 V.
  5. Определить связь о производительном напряжении PSD и напряжения подачи постоянного тока в результате измерения, и получить значение SOL в соответствии с Eq. (8).
  6. Повторите шаги 3.4-3.5 5x ивычислите среднее значение S OL.

4. Подготовка супергидрофобных субстратов

  1. Подготовьте три круглые медные сетки с одинаковым диаметром 3 мм и различные фракции сетки. Их сетка фракций 46,18%, 51,39% и 58,79% соответственно.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Эти медные сетки являются коммерческими продуктами, которые были приобретены.
  2. Спрей наночастиц на три медные сетки для получения супер-гидрофобных субстратов с микроструктурой и гидрофобности.
    1. Спрей базовый слой на медную сетку.
    2. Спрей верхней шерсти на медной сетке, когда первый слой сухой.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Наночастицы упакованы в банку с головкой спрей. Наночастицы будут распыляться при нажатии на головку спрея при использовании.
  3. Клей медных сеток на стороне цилиндров диаметром 3 мм для получения поверхности супер-гидрофобной структуры с кривизной 1/3 мм-1.

5. Измерение силы взаимодействия между каплями и сверхгидрофобными субстратами

  1. Отключите соединение между блоком питания постоянного тока и электродом кантилевера/пластины. Удалите электрод пластины из нанопозиционирования z-стадии.
  2. Исправьте поддержку пластины нанопозиционирования z-стадии.
  3. Установите высокоскоростную камеру, линия видимости которой перпендикулярна кантилеверу.
  4. Приостановить капля на нижней поверхности свободного конца кантилевера.
    1. Поместите супер-гидрофобную структуру с углом контакта почти 180 градусов на опору пластины.
    2. Поместите капельку в 2 л на супер-гидрофобную структуру с помощью микропипеттера.
    3. Управление нанопозиционирования z-стадии с помощью программного обеспечения (например, PIMikroMove), чтобы управлять капля двигаться вверх.
      1. В диалоговом поле установите скорость до 10 мкм/с.
      2. Нажмите кнопку «Вперед», и капля начинает двигаться вверх.
      3. Нажмите кнопку "Стоп", когда капля контактирует со свободным концом кантилевера.
    4. Оставайтесь на 1 или 2 с, а затем контролировать нанопозиционирования z-этап, чтобы управлять супер-гидрофобной структуры от кантилевера.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Так как кремниевый кантилевер гидрофильный, капля подвешивается на нижней поверхности свободного конца кантилевера, образуя гемсферную капельку диаметром около 0,5 мм.
    5. Удалите сверхгидрофобную структуру с углом контакта почти 180 градусов с опоры пластины.
  5. Поместите супер-гидрофобный субстрат с фракцией сетки 46,18% на опору пластины.
  6. Отрегулируйте положение опоры пластины, что делает вертикальное расстояние между супергидрофобным субстратом и полусферической каплей около 100 мкм.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Расстояние проверяется обработкой изображений.
  7. Включите PSD, лазерную и высокоскоростную камеру.
  8. Управление устройством для сбора данных с помощью компьютера для сбора выходного напряжения PSD в режиме реального времени. Установите частоту выборки до 100 кГц.
  9. Установите скорость до 10 мкм/с в программном обеспечении, а затем нажмите кнопку «Вперед», чтобы супергидрофобный субстрат постепенно приближались к капле.
  10. Нажмите кнопку "Стоп", когда супер-гидрофобный субстрат и контакт капель.
  11. Установите скорость до 10 мкм/с в программном обеспечении, а затем нажмите кнопку "Назад", чтобы заставить супер-гидрофобный субстрат двигаться вниз.
  12. Нажмите кнопку "Стоп", когда супергидрофобный субстрат отделяется от капли.
  13. Нарисуйте кривую выходного напряжения PSD, меняя время.
  14. Повторите шаги 5.4-5.13 с использованием супер-гидрофобных субстратов с фракциями сетки 51,39% и 58,79%.
  15. Проанализируйте взаимосвязь между силой взаимодействия и фракцией сетки супергидрофобного субстрата.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Смещение электрода пластины и соответствующая емость между кантилевером и электродом, измеренным в одном эксперименте, показаны в таблице1. Взаимосвязь между емкостью C и смещением z устанавливается квадратной полиномиальной с использованием полифитной функции в MATLAB, как показано на рисунке 4. Коэффициент первого порядка P может быть получен по функции фитинга. Окончательное значение P составляет 0,2799 п/мм, что является средним значением, рассчитанным ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В этом протоколе собрана и откалибрована система измерения на основе метода оптического рычага, которая предназначена для измерения силы взаимодействия между каплями и сверхгидрофобными субстратами. Среди всех шагов, важно калибровать SOL с помощью электростатического силы. Результаты калибровоза эксперимента проверяют Eq. (8): P(1/Vp1-1/Vp2) пропорциональна 2(1/Vs12-1/Vs2)и позволяют получить значение силу, к...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Автору нечего раскрывать.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы благодарят Тяньцзиньский фонд естественных наук (No 18JC-NJC04800), Научно-ресурсный фонд трибологии Государственной ключевой лаборатории трибологии (No. SKLTKF17B18) и Национальный фонд естественных наук Китая (Грант No 51805367) за их поддержку.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
ФотоаппаратШэньчжэнь Andonstar Tech Co., Ltdцифровой микроскоп A1Частота кадров: 30 кадров/сек; Фокусное расстояние: 5 мм - 30 мм
Емкостный мостAndeen-HagerlingAH2550AЕмкостный мост используется для измерения емкости между консолью и пластинчатым электродом.
Устройство сбора данныхNational InstrumentsUSB-4431Устройство сбора данных используется для считывания данных о выходном напряжении.
Источник питания постоянного токаKeithley2410Диапазон напряжения: ± 5 μ V; Точность: 0,012%
Сеточная электронная микроскопия КитайAGH100, AGH150, AGH300Сеточные доли AGH100, AGH150 и AGH300 составляют 46,18%, 51,39% и 58,79% соответственно
LaserShenzhen Infrared Laser Technology Co., Ltd.HW650AD100-10BDДлина волны лазера: 650 нм
НаночастицыRust-Oleum274232NeverWet Multi-Surface Liquid Repelling Treatment - это революционное супергидрофобное покрытие.
Нанопозиционирование z-stagePhysik InstrumenteP622. ZCDTravel диапазоны 50 & микро; м до 250 & микро; м (350 & микро; м разомкнутый контур); Разрешение до 0,1 нм; Погрешность линейности всего 0.02%
Позиционно-чувствительный детекторHamamatsu Photonics K.K.S1880Двумерный PSD используется для преобразования оптических сигналов в электрические.

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Z

Похожие статьи