Summary
El protocolo tiene como objetivo investigar la interacción entre gotas y sustratos superhidrofóbicos en el aire. Esto incluye calibrar el sistema de medición y medir la fuerza de interacción en sustratos superhidrofóbicos con diferentes fracciones de rejilla.
Abstract
El objetivo de este documento es investigar la fuerza de interacción entre las gotas y los sustratos superhidrofóbicos en el aire. Se diseña un sistema de medición basado en un método de palanca óptica. Un voladizo milimétrico se utiliza como un componente sensible a la fuerza en el sistema de medición. En primer lugar, la sensibilidad de la fuerza de la palanca óptica se calibra mediante fuerza electrostática, que es el paso crítico en la medición de la fuerza de interacción. En segundo lugar, tres sustratos superhidrofóbicos con diferentes fracciones de rejilla se preparan con nanopartículas y rejillas de cobre. Por último, el sistema mide las fuerzas de interacción entre las gotas y los sustratos superhidrofóbicos con diferentes fracciones de rejilla. Este método se puede utilizar para medir la fuerza en la escala de submicronewton con una resolución en la escala de nanonewton. El estudio en profundidad del proceso de contacto de gotas y estructuras superhidrofóbicas puede ayudar a mejorar la eficiencia de producción en recubrimiento, película e impresión. El sistema de medición de fuerza diseñado en este papel también se puede utilizar en otros campos de medición de microfuerza.
Introduction
El contacto entre una gota y una superficie superhidrofóbica es muy común en la vida diaria y la producción industrial: gotas de agua que se deslizan desde la superficie de la hoja de loto1,2,y un estribo de agua que viaja rápidamente sobre el agua3 ,4,5,6. Un recubrimiento superhidrofóbico en la superficie exterior de un barco puede ayudar a reducir el grado de corrosión de la nave y reducir la resistencia de la navegación7,8,9,10. Hay un gran valor para la producción industrial y la investigación biónica en el estudio del proceso de contacto entre una gota y una superficie superhidrofóbica.
Para observar el proceso de propagación de las gotas en una superficie sólida, Biance utilizó una cámara de alta velocidad para fotografiar el proceso de contacto y descubrió que la duración del régimen inercial se fija principalmente por el tamaño de gota11. Eddi fotografió el proceso de contacto entre la gota y la placa transparente desde la parte inferior y lateral utilizando una cámara de alta velocidad, que reveló exhaustivamente la variación del radio de contacto de la gota viscosa con el tiempo12. Paulsen combinó un método eléctrico con la observación de cámara de alta velocidad, reduciendo así el tiempo de respuesta a 10 ns13,14.
La microscopía de fuerza atómica (AFM) también se ha utilizado para medir la fuerza de interacción entre las gotas/burbujas y las superficies sólidas. Vakarelski utilizó un voladizo AFM para medir las fuerzas de interacción entre dos pequeñas burbujas (aproximadamente 80-140 m) en solución acuosa durante colisiones controladas en la escala de micrómetros a nanómetros15. Shi utilizó una combinación de AFM y microscopía de contraste de interferencia de reflexión (RICM) para medir simultáneamente la fuerza de interacción y la evolución espaciotemporal de la película de agua delgada entre una burbuja de aire y superficies de mica de diferentes hidrofobicidad 16,17.
Sin embargo, dado que los voladizos comerciales utilizados en AFM son demasiado pequeños, el punto láser irradiado en el voladizo sería sumergido por gotas o burbujas. El AFM tiene dificultades para medir la fuerza de interacción entre gotas y gotas /sustratos en el aire.
En este documento, un sistema de medición basado en un método de palanca óptica está diseñado para medir la fuerza de interacción entre gotas y sustratos superhidrofóbicos. La sensibilidad de fuerza dela palanca óptica (S OL) se calibra mediante la fuerza electrostática18,y luego las fuerzas de interacción entre las gotas y diferentes sustratos superhidrofóbicos se miden mediante el sistema de medición.
El diagrama esquemático del sistema de medición se muestra en la Figura1. El detector sensible al láser y a la posición (PSD) constituyen el sistema de palanca óptica. Un voladizo de silicio milimétrico se utiliza como un componente sensible en el sistema. El sustrato se fija en la etapa z de nanoposición, que puede moverse en dirección vertical. Cuando el sustrato se acerca a la gota, la fuerza de interacción hace que el voladizo se doble. Por lo tanto, la posición del punto láser en PSD cambiará, y la tensión de salida de PSD cambiará. La tensión de salida de PSD Vp es proporcional a la fuerza de interacción Fi, como se muestra en Eq. (1).
①
Para adquirir la fuerza de interacción, SOL debe calibrarse primero. La fuerza electrostática se utiliza comofuerza estándar en la calibración de S OL. Como se muestra en la Figura2, el voladizo y el electrodo conforman un condensador de placa paralela, que podría generar fuerza electrostática en una dirección vertical. La fuerza electrostática Fes determinada por la tensión de la fuente de alimentación de CC Vs, como se muestra en Eq. (2)19,20,21.
②
donde C es la capacitancia del condensador de placa paralela, z es el desplazamiento del extremo libre del voladizo, y dC/dz se llama gradiente de capacitancia. La capacitancia podría medirse por el puente de capacitancia. La relación matemática entre C y z puede ser ajustada por un polinomio cuadrático, como se muestra en Eq. (3).
③
donde Q, P y CT son los coeficientes del término cuadrático, el término primario y el término constante respectivamente. Por lo tanto, la fuerza electrostática Fes puede expresarse como Eq. (4).
(4)
Dado que el área de solapamiento de dos placas del condensador es muy pequeña, la fuerza elástica actuada en el voladizo se puede expresar como Eq. (5), de acuerdo con la ley de Hooke:
(5)
donde k es la rigidez del voladizo.
Cuando la fuerza elástica y la fuerza electrostática aplicada en el voladizo son iguales (es decir,Fi a Fes), el voladizo está en equilibrio. Eq. (6) se puede derivar de Eqs. (1), (2) y (5):
(6)
Con el fin de reducir la incertidumbre de los resultados de calibración, se utiliza un método de diferencia para calcular SOL. Los resultados de dos experimentos se toman como Vs1, Vp1 y Vs2, Vp2, y se sustituyen en Eq. (6):
(7)
Transformando las ecuaciones y restando la ecuación inferior de la ecuación superior en Eq. (7), se eliminan los parámetros Q y k. A continuación, se obtiene la fórmula de calibración de S OL, como se muestra en Eq. (8):
(8)
Realizando una serie de experimentos, la curva se dibuja con P(1/Vp1-1/Vp2) como la coordenada y 2(1/Vs12-1/Vs22) como la abscisa. La pendiente de la curva es SOL.
Después deobtener S OL, el electrodo será reemplazado por diferentes sustratos superhidrofóbicos. Las fuerzas de interacción entre las gotas y los sustratos superhidrofóbicos serán medidas por el sistema que se muestra en la Figura1.
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Protocol
1. Montaje del sistema de calibración SOL
- Montar el sistema de calibración SOL de acuerdo con el diagrama esquemático que se muestra en la Figura2.
- Fije el láser a un soporte, haciendo que el ángulo entre el láser y la dirección horizontal sea de 45o.
- Fije el PSD a otro soporte, haciendo que el PSD perpendicular al láser. Conecte el PSD al dispositivo de adquisición de datos y al dispositivo de adquisición de datos al ordenador.
NOTA: Estos ángulos están determinados por la medición visual del experimentador y no tienen por qué ser exactamente de 45o o 90o. - Fije el extremo más ancho del voladizo a un dispositivo de sujeción mientras el otro extremo está suspendido. Fije el dispositivo de sujeción a una etapa de desplazamiento bidimensional de alta precisión.
NOTA: Las dimensiones del voladizo se muestran en la Figura3. - Fije el electrodo de placa a la etapa z de nanoposición mediante un dispositivo de sujeción.
NOTA: La etapa z de nanoposicionamiento puede llevar el electrodo a moverse a lo largo del eje z con una resolución de desplazamiento de 1 nm. - Conecte el polo positivo del puente capacitivo con el voladizo y el polo negativo con el electrodo de placa.
- Instale una cámara de alta velocidad, cuya línea de visión es perpendicular al voladizo.
- Ajuste la posición del electrodo de placa, haciendo que la distancia vertical entre el electrodo de placa y el voladizo sea de unos 100 m, y la longitud de solapamiento de aproximadamente 0,5 mm.
NOTA: Estas distancias se comprueban mediante el procesamiento de imágenes.
2. Medición del gradiente de capacitancia
- Utilice el ordenador para controlar el puente de capacitancia para recoger los cambios de capacitancia entre el electrodo de placa y el voladizo en tiempo real. Establezca la frecuencia de muestreo en 0,5 Hz.
- Controle la etapa z de nanoposicionamiento por ordenador para que el electrodo de la placa se elase hacia arriba con un paso de 10 m y un número de paso de 6 y permanezca durante 10 s después de cada movimiento.
- Cambie la dirección del movimiento del electrodo de placa hacia abajo y repita el paso 2.2.
- Determinar la relación entre la capacitancia y el desplazamiento del electrodo de placa en el resultado de la medición, y obtener el valor de P de acuerdo con el Eq. (3).
- Repita los pasos 2.1–2.4 5x y calcule el valor promedio de P.
3. Calibración de la palanca óptica
- Desconecte la conexión entre el puente capacitivo y el electrodo de voladizo/placa.
- Conecte el polo positivo de la fuente de alimentación de CC con el voladizo y el polo negativo con el electrodo de placa.
- Ajuste la posición relativa entre el láser, PSD y voladizo para hacer que el láser se refleje en PSD por voladizo.
NOTA: El punto láser es un círculo de unos 2 mm de diámetro. - Controle la fuente de alimentación de CC por ordenador para aplicar voltaje que varía con el tiempo en el condensador de placa paralela. Al mismo tiempo, recopile la tensión de salida de PSD en tiempo real por el dispositivo de adquisición de datos.
- Establezca la frecuencia de muestreo del dispositivo de adquisición de datos en 1.000 Hz.
- Ajuste la tensión inicial de la fuente de alimentación de CC a 0 V y mantenga la unidad durante 5 s.
- Aumente la tensión en 25 V y sostenga durante 5 s.
- Repita el paso 3.4.3 4x hasta que el voltaje aumente a 125 V.
- Disminuya la tensión en 25 V y sostenga durante 5 s.
- Repita el paso 3.4.5 4x hasta que la tensión disminuya a 0 V.
- Determinar la relación sobre la tensión de salida de PSD y la tensión de alimentación de CC en el resultado de la medición, y obtener el valor de SOL de acuerdo con Eq. (8).
- Repita los pasos 3.4–3.5 5x y calcule el valor medio de SOL.
4. Preparación de sustratos superhidrofóbicos
- Prepare tres rejillas circulares de cobre con el mismo diámetro de 3 mm y diferentes fracciones de rejilla. Sus fracciones de rejilla son 46,18%, 51,39% y 58,79% respectivamente.
NOTA: Estas rejillas de cobre son productos comerciales que fueron comprados. - Rocíe las nanopartículas en tres rejillas de cobre para obtener sustratos superhidrofóbicos con microestructura e hidrofobicidad.
- Rocíe la capa base sobre la rejilla de cobre.
- Rocíe la capa superior sobre la rejilla de cobre cuando la primera capa esté seca.
NOTA: Las nanopartículas se embalan en una lata con un cabezal de pulverización. Las nanopartículas se pulverizarán presionando el cabezal de pulverización cuando se utilicen.
- Pegue las rejillas de cobre en el lado de los cilindros con un diámetro de 3 mm para obtener una estructura superhidrofóbica superficial con una curvatura de 1/3 mm-1.
5. Medición de la fuerza de interacción entre gotas y sustratos superhidrofóbicos
- Desconecte la conexión entre la fuente de alimentación de CC y el electrodo de placa/voladizo. Retire el electrodo de placa de la etapa z de nanoposición.
- Fije un soporte de placa a la etapa z de nanoposicionamiento.
- Instale una cámara de alta velocidad, cuya línea de visión es perpendicular al voladizo.
- Suspenda una gota en la superficie inferior del extremo libre del voladizo.
- Coloque una estructura superhidrofóbica con un ángulo de contacto de casi 180o en el soporte de la placa.
- Coloque una gota de 2 l en la estructura superhidrofóbica utilizando un micropipetador.
- Controle la etapa z de nanoposicionamiento utilizando software (por ejemplo, PIMikroMove) para impulsar la gota para moverse hacia arriba.
- En el cuadro de diálogo, establezca la velocidad en 10 m/s.
- Haga clic en el botón Reenviar y la gota comenzará a moverse hacia arriba.
- Haga clic en el botón Detener cuando la gota entre en contacto con el extremo libre del voladizo.
- Permanezca durante 1 o 2 s, y luego controle la etapa z de nanoposicionación para alejar la estructura superhidrofóbica del voladizo.
NOTA: Dado que el voladizo de silicio es hidrófilo, la gota se suspende en la superficie inferior del extremo libre del voladizo, formando una gota hemisférica con un diámetro de aproximadamente 0,5 mm. - Retire la estructura superhidrofóbica con un ángulo de contacto de casi 180o del soporte de la placa.
- Coloque el sustrato superhidrofóbico con una fracción de rejilla del 46,18% en el soporte de la placa.
- Ajuste la posición del soporte de la placa, haciendo que la distancia vertical entre el sustrato superhidrofóbico y la gota hemisférica sea de unos 100 m.
NOTA: La distancia se comprueba mediante el procesamiento de imágenes. - Encienda el PSD, el láser y la cámara de alta velocidad.
- Controla el dispositivo de adquisición de datos por ordenador para recopilar el voltaje de salida de PSD en tiempo real. Establezca la frecuencia de muestreo en 100 kHz.
- Establezca la velocidad en 10 m/s en el software y, a continuación, haga clic en el botón Adelante, de modo que el sustrato superhidrofóbico se mueva gradualmente más cerca de la gota.
- Haga clic en el botón Detener cuando el sustrato superhidrofóbico y el contacto de las gotas entren.
- Establezca la velocidad en 10 m/s en el software y, a continuación, haga clic en el botón Atrás para impulsar el sustrato superhidrofóbico para que se mueva hacia abajo.
- Haga clic en el botón Detener cuando el sustrato superhidrofóbico esté separado de la gota.
- Dibuje la curva de la tensión de salida de PSD variando con el tiempo.
- Repita los pasos 5.4–5.13 utilizando sustratos superhidrofóbicos con fracciones de rejilla de 51,39% y 58,79%.
- Analizar la relación entre la fuerza de interacción y la fracción de cuadrícula del sustrato superhidrofóbico.
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Representative Results
El desplazamiento del electrodo de placa y la capacitancia correspondiente entre el voladizo y el electrodo medido en un experimento se muestran en la Tabla1. La relación entre la capacitancia C y el desplazamiento z se ajusta mediante polinomio cuadrático utilizando la función polyfit en MATLAB, como se muestra en la Figura4. El coeficiente de orden P se puede obtener mediante la función de ajuste. El valor final de P es 0,2799 pF/mm, que es el promedio calculado a partir de diez resultados experimentales.
La tensión de alimentación y la tensión de salida correspondiente de PSD en un experimento se muestran en la Tabla2. La relación entre la tensión de salida de PSD Vp y la tensión de alimentación Vs se ajusta mediante función lineal, como se muestra en la Figura5, donde Vp1 y Vp2 son las diferencias entre los valores medidos y Vp0 (el valor inicial de la tensión de salida de PSD en Vss 0). SOL se puede obtener por la pendiente de la curva en la Figura 5. El valor final de SOL es de 8.847 N/V, que es el promedio calculado a partir de doce resultados experimentales.
Las curvas de las fuerzas de interacción medidas entre gotas y sustratos superhidrofóbicos que varían con el tiempo se muestran en la Figura6. Las fuerzas de interacción se calculan mediante Eq. (1), donde Vp son las diferencias entre las tensiones de salida medidas de PSD y las tensiones de salida iniciales de PSD.
Antes del punto A, el sustrato no ha contactado con la gota, por lo que la fuerza de interacción es 0. En la etapa AB, la distancia entre el sustrato y la gota es muy pequeña. Debido a la influencia aerodinámica, habrá una fuerza repulsiva entre el sustrato y la gota, que muestra una curva creciente en la figura. El punto B es el punto crítico en el que el sustrato y las gotas comienzan a entrar en contacto. Después del punto B, la fuerza de interacción entre ellos se convierte en fuerza atractiva. En la etapa BC, la gota humedece gradualmente el sustrato superhidrofóbico bajo la acción de la fuerza capilar. El voladizo se doblará hacia abajo en esta etapa, mostrando una curva decreciente en la figura. En el punto C, el sistema alcanza el equilibrio de nuevo, y el voladizo comienza a oscilar en la posición de equilibrio.
Como se muestra en la Figura6, la fuerza de interacción entre la gota y el sustrato disminuye con el aumento de la fracción de cuadrícula. La razón es que el contacto entre gotas y sustratos superhidrofóbicos es un proceso de liberación de energía. La hidrofobicidad del sustrato está correlacionada positivamente con la fracción de la rejilla. Cuanto más fuerte es la hidrofobicidad, menos energía liberada durante el contacto, por lo que la fuerza de contacto es más pequeña.
Durante el experimento encontramos que la fuerza repulsiva sólo existe en el proceso de contacto entre la gota y el sustrato con una fracción de rejilla del 46,18%. Con el aumento de la hidrofobicidad, la energía superficial del sustrato disminuye. Cuando la fuerza repulsiva no puede alcanzar la resolución del sistema, es difícil medir la fuerza repulsiva.
La magnitud de la fuerza está en una relación directa con el volumen de las gotas. Se llevó a cabo un experimento suplementario para ilustrar la relación entre la fuerza de interacción y el volumen de gotas. Tres gotas de diferentes tamaños se utilizaron en el experimento de contacto, como se muestra en la Figura7. El volumen de la gota (a), (b) y (c) es de 0,0135 l, 0,0087 l y 0,0073 l, respectivamente. En el experimento, el volumen de gotas se mide por el cambio de voltaje de salida PSD. Se miden las tensiones de salida PSD antes y después de la suspensión de la gota por voladizo, y su diferencia Vd se multiplica por SOL para obtener la gravedad de la gota. El valor de volumen de la gota se convierte por gravedad. El sustrato con una fracción de rejilla del 51,39% se utiliza en los experimentos. La fuerza de interacción medida entre las tres gotas y el sustrato se muestra en la Figura8. Es obvio que la fuerza de interacción aumenta con el aumento del volumen de gotas.
Figura 1: El sistema de medición de fuerza de interacción. El diagrama esquemático del sistema de medición basado en el método de palanca óptica para medir la interacción entre gotas y sustratos superhidrofóbicos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: El sistema de calibración de SOL. El diagrama esquemático del sistema diseñado para calibrar la sensibilidad de fuerza de la palanca óptica utilizando fuerza electrostática. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Las dimensiones del voladizo milimétrico. Vista superior y vista de alzado del voladizo milimétrico. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: La relación entre capacitancia y desplazamiento. La curva de ajuste polinómico cuadrático de la capacitancia C y el desplazamiento z en el experimento de calibración. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: La relación entre la tensión de salida de PSD y la tensión de alimentación. La curva de ajuste lineal de P(1/Vp1-Vp2) y 2(1/Vs12-Vs22) según Eq. (8). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: Los resultados de medición de la fuerza de interacción. Las fuerzas de interacción entre gotas y sustratos superhidrofóbicos con diferentes fracciones de rejilla en el aire. Diferentes colores representan diferentes fracciones de cuadrícula. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: Imágenes de tres gotas de diferentes volúmenes utilizados en el experimento. El volumen de gotas (a), (b) y (c) es de 0,0135 l, 0,0087 l y 0,0073 l respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8: Fuerza de interacción entre las tres gotas de diferentes volúmenes y el sustrato. Diferentes colores representan diferentes gotas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| Hora(s) | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 |
| Desplazamiento (m) | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 |
| Capacitancia (pF) | 2.399 | 2.402 | 2.406 | 2.411 | 2.416 | 2.422 | 2.429 |
| Hora(s) | 70 | 80 | 90 | 100 | 110 | 120 | |
| Desplazamiento (m) | 50 | 40 | 30 | 20 | 10 | 0 | |
| Capacitancia (pF) | 2.422 | 2.416 | 2.411 | 2.407 | 2.403 | 2.400 |
Tabla 1: Los resultados de calibración del gradiente de capacitancia. El desplazamiento del electrodo de placa y la capacitancia correspondiente entre el voladizo y el electrodo en un experimento.
| Hora(s) | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 |
| Tensión de alimentación (V) | 0 | 25 | 50 | 75 | 100 | 125 |
| Tensión de salida de PSD(V) | -3.5757 | -3.5656 | -3.5327 | -3.4797 | -3.3775 | -3.1733 |
| Hora(s) | 30 | 35 | 40 | 45 | 50 | |
| Tensión de alimentación (V) | 100 | 75 | 50 | 25 | 0 | |
| Tensión de salida de PSD(V) | -3.3765 | -3.4786 | -3.5321 | -3.5644 | -3.5755 |
Tabla 2: Los resultados de calibración de SOL. La tensión de alimentación y la tensión de salida correspondiente de PSD en un experimento.
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Discussion
En este protocolo, se monta y calibra un sistema de medición basado en el método de palanca óptica, que está diseñado para medir la fuerza de interacción entre las gotas y sustratos superhidrofóbicos. Entre todos los pasos, es fundamental calibrar SOL usando fuerza electrostática. Los resultados del experimento de calibración verifican Eq. (8): P(1/Vp1-1/Vp2) es proporcional a 2(1/Vs12-1/Vs22) y permiten obtener el valor de la fuerza que se medirá a través de la tensión de salida del PSD. A través del experimento de medición de la fuerza de interacción entre las gotas y sustratos superhidrofóbicos de diferentes hidrofobicidad, la fuerza de interacción disminuye con el aumento de la capacidad hidrofóbica, que verifica la relación entre hidrofobicidad y energía superficial de los sustratos.
El método de medición de fuerza basado en un voladizo de silicio milimétrico es un complemento importante para los métodos tradicionales. En comparación con el método de cámara de alta velocidad, el método de palanca óptica puede medir con precisión la fuerza en la escala nanonewton. AFM se utiliza generalmente para medir la fuerza de interacción entre objetos a escala de micrones, mientras que el sistema diseñado en este papel se puede aplicar en objetos de escala milimétrica en el aire. Este método se puede utilizar para medir la fuerza en la escala de submicronewtons, y su resolución puede alcanzar la escala de nanonewtons.
El método propuesto para medir la fuerza de interacción en este documento se limita a un pequeño rango de medición. Una gran fuerza conducirá a la deformación plástica o incluso la rotura del voladizo de silicio, lo que causará resultados incorrectos. Además, debido a que el principio de este experimento es medir la fuerza de interacción entre la gota y el sustrato bajo el equilibrio de la fuerza elástica del voladizo y la fuerza de interacción, el voladizo sólo puede medir la fuerza cuasi estática , pero no fuerza dinámica.
El estudio en profundidad del proceso de contacto de gotas y estructuras superhidrofóbicas puede ayudar a las personas a mejorar la eficiencia de la producción en recubrimiento, película, impresión y otra producción industrial. Como técnica de medición generalizada de la fuerza de adhesión, los sustratos del sistema se pueden sustituir por sustratos hechos de otros materiales. Por ejemplo, se puede utilizar un sustrato superhidrofóbico con microestructuras multietapa que está hecho de PDMS (polidimetilsiloxano). El sistema de medición de fuerza basado en el método de palanca óptica también se puede utilizar en otros campos de medición de microfuerza, como la fuerza de interacción durante la carbonescencia de dos gotas y la fuerza de interacción entre sustratos superhidrofóbicos y gotas de diferente tensión superficial.
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Disclosures
El autor no tiene nada que revelar.
Acknowledgments
Los autores agradecen a la Fundación de Ciencias Naturales de Tianjin (No 18JCQNJC04800), Fondo de Ciencia de Tribología del Laboratorio Clave Estatal de Tribología (No. SKLTKF17B18) y la National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51805367) por su apoyo.
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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