Summary
该协议旨在研究水滴和空气中超疏水基板之间的相互作用。这包括校准测量系统,测量具有不同网格分数的超疏水基板的相互作用力。
Abstract
本文旨在研究空气中液滴与超疏水基板之间的相互作用力。设计了一种基于光学杠杆方法的测量系统。在测量系统中,毫米悬臂用作力敏感元件。首先,使用静电对光学杠杆的力灵敏度进行校准,这是测量相互作用力的关键步骤。其次,用纳米粒子和铜网格制备三种具有不同网格分数的超疏水基板。最后,通过系统测量了液滴与具有不同网格分数的超疏水基板之间的相互作用力。该方法可用于测量亚微牛顿尺度上的力,分辨率为纳米牛顿。深入研究液滴和超疏水性结构的接触过程,有助于提高涂层、薄膜和印刷的生产效率。本文设计的力测量系统也可用于微力测量的其他领域。
Introduction
水滴和超疏水表面的接触在日常生活和工业生产中很常见:水滴从莲叶1、2的表面滑落,水滴在水中快速移动3 ,4,5,6.船舶外表面的超疏水涂层可以帮助降低船舶的腐蚀程度,降低航行7、8、9、10的阻力。在研究液滴和超疏水表面的接触过程方面,工业生产和仿生学研究具有十分重要的意义。
为了观察液滴在固体表面上的扩散过程,Biance使用高速相机拍摄了接触过程,发现惯性系统持续时间主要由11的液滴大小固定。Eddi使用高速相机从底部和侧面拍摄了滴滴与透明板之间的接触过程,全面揭示了粘性滴接触半径的变化与时间12。保罗森将一种电气方法与高速摄像机观察相结合,从而将响应时间缩短到10ns13,14。
原子力显微镜 (AFM) 也用于测量水滴/气泡与固体表面之间的相互作用力。Vakarelski使用AFM悬臂测量两个小气泡(约80-140μm)在水溶液中的相互作用力,在微米到纳米15的受控碰撞中。施用AFM和反射干涉对比显微镜(RICM)的组合,同时测量气泡和不同疏水的云母表面之间的相互作用力和时空演化。16,17.
然而,由于AFM中使用的商业悬臂太小,悬臂上照射的激光点将被飞沫或气泡淹没。AFM 难以测量空气中液滴和液滴/基板之间的相互作用力。
本文设计了一种基于光学杠杆方法的测量系统,用于测量液滴与超疏水基板之间的相互作用力。光学杠杆(S OL)的力灵敏度通过静电18进行校准,然后通过测量系统测量液滴与不同超疏水基板之间的相互作用力。
测量系统的示意图如图1所示。激光和位置敏感探测器 (PSD) 构成光学操纵器系统。毫米硅悬臂用作系统中的敏感组件。基板固定在纳米定位z级上,可以垂直移动。当基板接近滴时,相互作用力导致悬臂弯曲。因此,激光点在 PSD 上的位置将发生变化,PSD 的输出电压也将发生变化。PSD Vp的输出电压与交互力Fi成正比,如 Eq. (1) 所示。
⑴
为了获得相互作用力,必须首先校准SOL。静电作为SOL校准的标准力。如图2所示,悬臂和电极组成一个平行板电容器,可产生垂直方向的静电。静电F由直流电源Vs的电压决定,如Eq.(2)19、20、21 所示。
(2)
其中C是平行板电容器的电容,z是悬臂自由端的位移,dC/dz称为电容梯度。电容可以通过电容桥进行测量。C和z之间的数学关系可以通过二次多项式来拟合,如 Eq. (3 所示)。
(3)
其中 Q、P 和 CT 分别是二次项、主项和常量项的系数。因此,静电F es可以表示为Eq.(4)。
(4)
由于电容器两个板的重叠面积非常小,根据胡克定律,悬臂上的弹性力可以表示为 Eq.(5):
(5)
其中k是悬臂的刚度。
当施加在悬臂上的弹性力和静力相等时(即,Fi = Fes),悬臂处于平衡状态。Eq. (6) 可以从 Eq 派生。(1)、(2)和(5):
(6)
为了降低校准结果的不确定性,采用差值法计算SOL。两个实验的结果被作为Vs1,Vp1和Vs2,Vp2,并被替换到Eq.(6):
(7)
变换方程,从Eq.(7)的上方程中减去下方程,参数Q和k被消除。然后得到SOL的校准公式,如Eq.(8)所示:
(8)
执行一系列实验,以P(1/Vp1-1/Vp2)为坐标,2(1/Vs12-1/Vs22)作为腹肌。曲线的斜率为 SOL。
获得SOL后,电极将被不同的超疏水基板所取代。液滴和超疏水基板之间的相互作用力将通过如图1所示的系统进行测量。
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Protocol
1. SOL校准系统的装配
- 根据图2所示的原理图组装SOL校准系统。
- 将激光固定到支架上,使激光与水平方向之间的角度为 45°。
- 将 PSD 固定到另一个支架上,使 PSD 垂直于激光。将 PSD 连接到数据采集设备,将数据采集设备连接到计算机。
注:这些角度由实验者的视觉测量确定,不需要精确为 45° 或 90°。 - 将悬臂的较宽端固定到保持装置上,而另一端则挂起。将保持装置固定到二维高精度位移阶段。
注:悬臂的尺寸如图3所示。 - 通过夹紧装置将板电极固定到纳米定位 z 级。
注:纳米定位 z 级可使电极沿 z 轴移动,位移分辨率为 1 nm。 - 电容式桥的正极与悬臂,用板电极连接负极。
- 安装一个高速摄像机,其视线垂直于悬臂。
- 调整板电极的位置,使板电极与悬臂之间的垂直距离约为100μm,重叠长度约为0.5 mm。
注: 这些距离通过图像处理进行检查。
2. 电容梯度的测量
- 使用计算机控制电容桥,实时收集板电极和悬臂之间的电容变化。将采样速率设置为 0.5 Hz。
- 通过计算机控制纳米定位 z 级,以驱动板电极以 10 μm 的步长和 6 的步数向上移动,并在每次移动后保持 10 秒。
- 将板电极的运动方向向下更改,并重复步骤 2.2。
- 在测量结果中确定板电极的电容和位移之间的关系,并根据Eq.(3)获得P值。
- 重复步骤 2.1×2.4 5x 并计算 P 的平均值。
3. 光学操纵杆的校准
- 断开电容式电桥和悬臂/板电极之间的连接。
- 将直流电源的正极与悬臂和负极与板电极连接。
- 调整激光、PSD 和悬臂之间的相对位置,使激光通过悬臂在 PSD 上反射。
注:激光点是一个直径约2毫米的圆。 - 通过计算机控制直流电源,在并联板电容器上施加电压随时间变化。同时,通过数据采集装置实时采集PSD的输出电压。
- 将数据采集设备的采样速率设置为 1,000 Hz。
- 将直流电源的初始电压设置为 0 V 并保持 5 s。
- 将电压增加 25 V 并保持 5 s。
- 重复步骤 3.4.3 4x,直到电压增加到 125 V。
- 将电压降低 25 V 并保持 5 s。
- 重复步骤 3.4.5 4x,直到电压降至 0 V。
- 确定测量结果中PSD输出电压与直流电源电压的关系,并根据Eq.(8)获得SOL值。
- 重复步骤 3.4×3.5 5x 并计算 SOL的平均值。
4. 制备超疏水基板
- 准备三个直径为 3 mm 和不同网格分数的圆形铜网格。其网格分数分别为46.18%、51.39%和58.79%。
注:这些铜网是购买的商业产品。 - 将纳米粒子喷洒到三个铜网格上,以获得具有微结构和疏水性的超疏水基板。
- 将底涂层喷涂到铜格上。
- 当第一层涂层干燥时,将上涂层喷洒到铜格栅上。
注:纳米颗粒用喷头装在罐中。使用时,纳米颗粒将通过按喷头进行喷涂。
- 将直径为3毫米的圆柱体侧面的铜格栅粘上,以获得曲率为1/3mm-1的表面超疏水结构。
5. 水滴和超疏水基板相互作用力的测量
- 断开直流电源和悬臂/板电极之间的连接。从纳米定位 z 级上拆下板电极。
- 将板支撑固定到纳米定位 z 级。
- 安装一个高速摄像机,其视线垂直于悬臂。
- 将水滴悬挂在悬臂自由端的下表面。
- 将接触角接近 180° 的超疏水结构放置在板支架上。
- 使用微管剂在超疏水结构上放置2μL液滴。
- 使用软件(例如 PIMikroMove)控制纳米定位 z 级,以驱动滴向上移动。
- 在对话框中,将速度设置为 10 μm/s。
- 单击"前进"按钮,滴开始向上移动。
- 当飞沫与悬臂的自由端接触时,单击"停止"按钮。
- 停留 1 或 2 秒,然后控制纳米定位 z 级,将超疏水性结构从悬臂上移开。
注:由于硅悬臂是亲水性的,液滴悬浮在悬臂自由端的下表面,形成直径约0.5毫米的半球液滴。 - 从板支架上拆下接触角度接近 180° 的超疏水性结构。
- 将具有46.18%网格分数的超疏水基板放在板支撑上。
- 调整板支撑的位置,使超疏水基板与半球液滴之间的垂直距离约为100μm。
注: 通过图像处理检查距离。 - 打开 PSD、激光和高速摄像头。
- 通过计算机控制数据采集装置,实时采集PSD的输出电压。将采样速率设置为 100 kHz。
- 在软件中将速度设置为 10 μm/s,然后单击"前进"按钮,使超疏水基板逐渐靠近液滴。
- 当超疏水基板和液滴接触时,单击"停止"按钮。
- 在软件中将速度设置为 10 μm/s,然后单击"后退"按钮以驱动超疏水基板向下移动。
- 当超疏水基板与液滴分离时,单击"停止"按钮。
- 绘制 PSD 输出电压随时间变化的曲线。
- 使用网格分数为 51.39% 和 58.79% 的超疏水基板重复步骤 5.4_5.13。
- 分析超疏水基板的相互作用力与网格分数的关系。
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Representative Results
表1显示了板电极的位移和悬臂与电极之间相应的电容。电容C和位移z之间的关系由二次多项式使用MATLAB中的多合函数拟合,如图4所示。 一阶系数 P 可以通过拟合函数获得。P的最终值为0.2799 pF/mm,这是根据10个实验结果计算的平均值。
表2显示了一个实验中PSD的电源电压和相应的输出电压。PSD Vp的输出电压与电源电压Vs之间的关系由线性函数拟合,如图5所示,其中Vp1和Vp2是差分测量值和Vp0之间(V s=0 处 PSD 输出电压的初始值)。SOL可以通过图5中的曲线斜率获得。SOL的最终值为8.847μN/V,这是根据12个实验结果计算的平均值。
水滴和超疏水基板之间测量的相互作用力的曲线随时间而变化,如图6所示。相互作用力由 Eq.(1)计算,其中Vp是 PSD 测量输出电压与 PSD 初始输出电压之间的差值。
在点 A 之前,基板未与滴接触,因此相互作用力为 0。在阶段 AB 中,基板和滴之间的距离非常小。由于空气动力学的影响,基材和电滴之间会有排斥力,在图中显示上升曲线。点 B 是基板和滴开始接触的临界点。点 B 后,它们之间的相互作用力变得具有吸引力。在BC阶段,液滴在毛细管作用下逐渐湿湿了超疏水基板。在此阶段,悬臂将向下弯曲,在图中显示递减曲线。在C点,系统再次达到平衡,悬臂开始在平衡位置振荡。
如图6所示,滴和基板之间的相互作用力随着网格分数的增加而减小。原因是液滴和超疏水基板之间的接触是一个释放能量的过程。基材的疏水性与网格分数呈正相关。疏水性越强,接触过程中释放的能量越少,因此接触力较小。
在实验中,我们发现排斥力只存在于电滴和基板的接触过程中,网格分数为46.18%。随着疏水性的增加,基材的表面能量降低。当排斥力不能达到系统的分辨率时,很难测量排斥力。
力的大小与滴积有直接关系。进行了补充实验,说明相互作用力与滴量的关系。在接触实验中使用了三个不同大小的液滴,如图7所示。滴滴 (a)、(b) 和 (c) 的体积分别为 0.0135 μL、0.0087 μL 和 0.0073 μL。在实验中,液滴的体积是通过PSD输出电压的变化来测量的。测量悬臂悬架悬架悬架前后的PSD输出电压,其差值Vd乘以S OL,以获得液滴的重力。滴的体积值由重力转换。实验采用网格分数为51.39%的基板。三个液滴和基材之间测得的相互作用力如图8所示。很明显,相互作用力会随着滴数的增加而增加。
图1:交互力测量系统。基于光学杠杆方法测量水滴与超疏水基板相互作用的测量系统的示意图。请点击此处查看此图的较大版本。
图2:SOL的校准系统。设计用于利用静电校准光学杠杆的力灵敏度的系统示意图。请点击此处查看此图的较大版本。
图3:毫米悬臂的尺寸。毫米悬臂的顶视图和高程视图。请点击此处查看此图的较大版本。
图4:电容和位移之间的关系。校准实验中电容C和位移z的二次多项面拟合曲线。请点击此处查看此图的较大版本。
图5:PSD输出电压与电源电压的关系。根据Eq.(8)和2(1/Vs12-V s2 2)的P(1/Vp1-Vp2)和2(1/V s1 2-Vs22)的线性拟合曲线。请点击此处查看此图的较大版本。
图6:相互作用力的测量结果。水滴和空气中具有不同网格分数的超疏水基板之间的相互作用力。不同的颜色表示不同的网格分数。请点击此处查看此图的较大版本。
图 7:实验中使用的不同卷的三滴图像。液滴 (a)、(b) 和 (c) 的体积分别为 0.0135μL、0.0087μL 和 0.0073μL。请点击此处查看此图的较大版本。
图8:不同体积的三个液滴与基板之间的相互作用力。不同的颜色表示不同的液滴。请点击此处查看此图的较大版本。
| 时间 | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 |
| 位移(μm) | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 |
| 电容(pF) | 2.399 | 2.402 | 2.406 | 2.411 | 2.416 | 2.422 | 2.429 |
| 时间 | 70 | 80 | 90 | 100 | 110 | 120 | |
| 位移(μm) | 50 | 40 | 30 | 20 | 10 | 0 | |
| 电容(pF) | 2.422 | 2.416 | 2.411 | 2.407 | 2.403 | 2.400 |
表1:电容梯度的校准结果。在一个实验中,板电极的位移和悬臂与电极之间的相应电容。
| 时间 | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 |
| 电源电压(V) | 0 | 25 | 50 | 75 | 100 | 125 |
| PSD 输出电压(V) | -3.5757 | -3.5656 | -3.5327 | -3.4797 | -3.3775 | -3.1733 |
| 时间 | 30 | 35 | 40 | 45 | 50 | |
| 电源电压(V) | 100 | 75 | 50 | 25 | 0 | |
| PSD 输出电压(V) | -3.3765 | -3.4786 | -3.5321 | -3.5644 | -3.5755 |
表2:SOL的校准结果。在一个实验中,PSD的电源电压和相应的输出电压。
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Discussion
在此协议中,组装和校准了基于光学杠杆方法的测量系统,用于测量液滴与超疏水基板之间的相互作用力。在所有步骤中,使用静电校准 SOL至关重要。校准实验的结果验证Eq.(8):P(1/Vp1-1/Vp2)与2(1/Vs12-1/Vs22)成正比,从而可以获得通过 PSD 的输出电压测量的力。通过测量不同疏水性液滴与超疏水基板之间的相互作用力的实验,相互作用力随着疏水能力的增加而减小,从而验证了水相基材的疏水性和表面能量。
基于毫米硅悬臂的力测量方法是对传统方法的重要补充。与高速相机方法相比,光学杠杆法能精确测量纳米牛顿尺度上的力。AFM通常用于测量微米尺度物体之间的相互作用力,而本文所设计的系统可应用于空气中毫米尺度的物体。该方法可用于测量亚微牛顿尺度的力,其分辨率可达纳米牛顿的尺度。
本文提出的测量相互作用力的方法仅限于小测量范围。较大的力会导致硅悬臂的塑性变形甚至断裂,从而导致不正确的结果。此外,由于本实验的原理是测量悬臂弹性力和相互作用力平衡下水滴和基底之间的相互作用力,悬臂只能测量准静态力,但不是动力。
深入研究液滴和超疏水性结构的接触过程,有助于提高涂料、薄膜、印刷等工业生产的生产效率。作为一种广义的附着力测量技术,系统中的基板可以替换为由其他材料制成的基板。例如,可以使用由PDMS(聚二甲基硅氧烷)制成的具有多阶段微观结构的超疏水基板。基于光学杠杆方法的力测量系统也可用于微力测量的其他领域,如两个液滴凝聚过程中的相互作用力和超疏水基板和液滴之间的相互作用力不同的表面张力。
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Disclosures
提交人没有什么可透露的。
Acknowledgments
作者感谢天津市自然科学基金(第18JCQNJC04800号),《摩擦学国家重点实验室摩擦科学基金》(第18号)。SKLTKF17B18)和中国国家自然科学基金(授权号51805367)的支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Camera | Shenzhen Andonstar Tech Co., Ltd | digital microscope A1 | Frame rate: 30 frames/sec; Focal distance: 5 mm - 30 mm |
| Capacitive bridge | Andeen-Hagerling | AH2550A | The capacitive bridge is used to measure the capacitance between the cantilever and the plate electrode. |
| Data acquisition device | National Instruments | USB-4431 | The data acquisition device is used to read the output voltage data. |
| DC power supply | Keithley | 2410 | Voltage range: ±5 μV; Accuracy: 0.012% |
| Grid | Electron Microscopy China | AGH100, AGH150, AGH300 | The grid fractions of AGH100, AGH150 and AGH300 are 46.18%, 51.39% and 58.79% respectively |
| Laser | Shenzhen Infrared Laser Technology Co., Ltd. | HW650AD100-10BD | Laser wavelength: 650 nm |
| Nanoparticle | Rust-Oleum | 274232 | NeverWet Multi-Surface Liquid Repelling Treatment is a revolutionary super hydrophobic coating. |
| Nanopositioning z-stage | Physik Instrumente | P622.ZCD | Travel ranges 50 µm to 250 µm (350 µm open loop); Resolution to 0.1 nm; Linearity error only 0.02% |
| Position sensitive detector | Hamamatsu Photonics K.K. | S1880 | The two-dimensional PSD is used to translate optical signals into electrical signals. |
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