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

Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области бионики и механики жидкости, такие как супергидрофобные структуры листьев лотоса и процессы коморесценции капель. Основным преимуществом этой техники является то, что сила в масштабе суб-микро-ньютонов может быть измерена с разрешением масштаба нанонютонов. Этот метод может дать представление о контактном процессе капель и супергидрофобных структур.

И он также может быть применен к другим областям измерения микро-силы. Лица, которые никогда не выполняли этот метод будет бороться, потому что расстояние между каплями и супергидрофобных субстратов трудно контролировать точно. Подготовь систему измерений на соответствующей лабораторной скамейке.

В центре системы находится кремниевая кантилевер, которая подвешено над нанопозиционацией. Пятимиллиметровый кантилевер устанавливается в конце держателя. Высокоскоростная камера находится на месте с прямой видимости перпендикулярно кантилеверу.

Стадия нанопозиции имеет поддержку, которая держит электрод, который в этой точке. Наконец, лазер и чувствительный к положению детектор расположены для измерения отклонения кантилевера. После измерения градиента емкости используйте управляемый компьютером канал питания постоянного тока для калибровки оптического рычага.

Эта схема обеспечивает и просмотр настройки для калибровки. Электрод пластины находится на стадии нанопозиционирования. Это 100 микрометров ниже кантилевера с длиной перекрытия в полмиллиметра.

Кантилевер и электрод образуют конденсатор, с положительным притяжением питания постоянного тока, соединенным с кантилевером, и отрицательным притяжением с электродом пластины. Далее отрегулируйте относительное положение лазера, чувствительный к положению детектор и кантилевер. Упорядочить их так лазерный луч отражается кантилевер к детектору.

На компьютере установите скорость получения данных детектора выходного напряжения до одного килогерца. В программном обеспечении управления питанием постоянного тока установите стартовый уровень напряжения до нуля вольт. Установите конец напряжения до 125 вольт.

Увеличение напряжения на 25 вольт. Держите каждое значение напряжения в течение пяти секунд. По мере того как напряжение разнообразно, контролировать выход напряжения детектора положения чувствительного.

После этой последовательности измерений выполните аналогичную последовательность, начиная с напряжения на 125 вольт и уменьшаясь до нуля вольт с шагом 25 вольт. Используйте данные пяти полных измерений для создания участка, в котором наклон является постоянной пропорциональностью между силой взаимодействия и позицией чувствительного детектора выходного напряжения. Чтобы подготовиться к измерениям, отключите dc-источник питания от пластины и кантилевер.

Далее, работа с нанопозиционированием и этапом. Определите электрод на опоре пластины и удалите оба, отвинтив опору со сцены. На их месте, винт новой пластины поддержки z этапе, прежде чем продолжить.

Убедитесь, что высокоскоростная камера прямой видимости перпендикулярно кантилеверу. Далее, получить супергидрофобную структуру для поддержки пластины. Используйте конструкцию с контактным углом почти 180 градусов, чтобы приостановить каплю воды из кантилевера.

Для эксперимента прикрепите эту структуру к поддержке пластины на сцене . С микро pipette, поместите две капли микролитра воды на супергидрофобной структуры. Теперь начните работать с программным обеспечением стадии нанопозиции.

В этом программном обеспечении, перейдите на скорость диалог поле и установить скорость до 10 микрометров в секунду. Нажмите кнопку вперед, чтобы начать падение, движущийся вверх. Нажмите стоп, когда капля контакты свободный конец cantilever.

Через одну-две секунды вручную переместите этап q от кантилевера. Полушарие капли воды должны оставаться приостановлено от нижней поверхности кантилевера. Чтобы продолжить, удалить супергидрофобную структуру из поддержки пластины и получить супергидрофобный субстрат, чтобы заменить его.

Этот субстрат состоит из медной крупы с распыленными на наночастицами. Субстрат приклеен к цилиндру. Этот субстрат имеет фракцию сетки 46.18%Поместите субстрат на поддержку пластины.

Отрегулируйте положение супергидрофобного субстрата таким образом, чтобы он был в 100 микрометрах от полушария капли на кантилевере. С детектором, лазером и камерой, вернуться к работе с программным обеспечением управления нанопозиционированием. В коробке для диалога скорости установите скорость до 10 микрометров в секунду.

Нажмите кнопку вперед, чтобы начать субстрат, движущийся вверх. Нажмите стоп, когда субстрат и капли ввести контакт. Нажмите кнопку "Назад", чтобы переместить супергидрофобный субстрат вниз.

Нажмите кнопку остановки, когда субстрат и капля разделены. Существуют различные сценарии, представленные в этих сюжетах Взаимодействия Силы стихов Время. Первое внимание на данные в черной кривой, которая для субстрата с сеткой фракции 46,18%Первоначально, субстрат и капли далеки от контакта.

На данный момент сила равна нулю. По мере уменьшения расстояния между субстратом и каплей возникает отталкивающей силы. Об этом свидетельствует увеличение силы.

Как только субстрат и капля вступают в контакт, сила между ними становится привлекательной, что приводит к снижению кривой, как капля постепенно смочет субстрат через капиллярные действия. В конце концов, кантилевер колеблется вокруг равновесного положения. При использовании других более высоких фракций сетки уменьшается величина силы между каплей и субстратом.

При попытке этой процедуры, важно помнить, что соответствующее положение между лазером, PSD, и cantilever не может быть изменен. Что может обеспечить точность результатов измерений. После его развития, этот метод прокладывает путь для исследований в области измерения силы напряжения, чтобы исследовать силу во время капель в контакте с субстратом в воздухе.