Summary
Protokol, havada bulunan damlacıklar ve süper hidrofobik substratlar arasındaki etkileşimi araştırmayı amaçlamaktadır. Bu, ölçüm sistemini kalibre etmek ve farklı ızgara fraksiyonları ile süper hidrofobik substratlar etkileşim gücünü ölçmek içerir.
Abstract
Bu makalenin amacı, havada damlacıklar ve süper hidrofobik substratlar arasındaki etkileşim gücünü araştırmaktır. Optik kol yöntemine dayanan bir ölçüm sistemi tasarlanmıştır. Milimetre konsol, ölçüm sisteminde kuvvet duyarlı bir bileşen olarak kullanılır. Öncelikle, optik kolun kuvvet duyarlılığı, etkileşim gücünün ölçülmesi açısından kritik bir adım olan Elektrostatik kuvvet kullanılarak kalibre edilir. İkincisi, nanopartiküller ve bakır Izgaralar ile farklı ızgara fraksiyonları ile üç süper hidrofobik substrat hazırlanır. Son olarak, farklı ızgara fraksiyonları ile damlacıklar ve süper hidrofobik substratlar arasındaki etkileşim güçleri sistem tarafından ölçülür. Bu yöntem, nanonewton ölçeği üzerinde bir çözünürlük ile sub-micronewton ölçeği üzerinde kuvvet ölçmek için kullanılabilir. Damlacıklar ve süper hidrofobik yapıların temas sürecinin derinlemesine çalışması, kaplama, film ve baskıda üretim verimliliğini artırmaya yardımcı olabilir. Bu yazıda tasarlanan Kuvvet ölçüm sistemi, mikrokuvvet ölçümünün diğer alanlarında da kullanılabilir.
Introduction
Bir damlacık ve süper hidrofobik yüzey arasındaki temas günlük yaşam ve endüstriyel üretimde çok yaygındır: Lotus Leaf1,2yüzeyinden kayar su damlacıkları ve su üzerinde hızla seyahat su Strider3 ,4,5,6. Bir geminin dış yüzeyinde süper hidrofobik kaplama, geminin korozyon derecesini azaltmaya ve navigasyon7,8,9,10direncini azaltmanıza yardımcı olabilir. Bir damlacık ile süper hidrofobik yüzey arasındaki temas sürecini inceleyerek endüstriyel üretim ve biyonik araştırmalar için büyük değer vardır.
Katı bir yüzeyde damlacıklar yayılma sürecini gözlemlemek için, Biance iletişim sürecini fotoğraf için yüksek hızlı bir kamera kullandı ve atalet rejimi süresinin ağırlıklı olarak damla boyutu11ile sabit olduğunu bulundu. Eddi bir yüksek hızlı kamera kullanarak damlacık ve şeffaf plaka arasındaki temas sürecini fotoğrafladı, hangi kapsamlı zaman12ile viskoz damlacık temas yarıçapı varyasyonu ortaya. Paulsen yüksek hızlı kamera gözlem ile bir elektrik yöntemi kombine, böylece 10 ns13,14yanıt süresini azaltır.
Atom kuvveti mikroskopisi (AFM) aynı zamanda damlacık/kabarcık ve katı yüzeyler arasındaki etkileşim gücünü ölçmek için de kullanılmıştır. Vakarelski, mikrometre ölçeği üzerinde kontrollü çarpışmalar sırasında 2 küçük kabarcıklar (yaklaşık 80-140 μm) arasındaki etkileşim güçlerini ölçmek için bir AFM konsol kullanılmış nanometreler15. Shi aynı anda etkileşim kuvveti ve farklı hidrophobicity bir hava balonu ve Mika yüzeyleri arasında ince su filmin zamanmekansal evrim ölçmek için AFM ve yansıma girişim kontrast mikroskopisi (ricm) bir kombinasyonu kullandı 16,17.
Ancak, AFM kullanılan ticari atölyeler çok küçük olduğundan, konsol üzerinde ışınlanmış lazer spot damlacıklar veya kabarcıklar tarafından batık olacaktır. AFM, havada damlacıklar ve damlacıklar/substratlar arasındaki etkileşim gücünün ölçülmesi konusunda zorluklara sahiptir.
Bu yazıda, optik kol yöntemine dayanan bir ölçüm sistemi, damlacıklar ile süper hidrofobik substratlar arasındaki etkileşim gücünü ölçmek için tasarlanmıştır. Optik kolu (Sol) kuvvet hassasiyeti elektrostatik kuvvet18ile kalibre edilir ve sonra damlacıklar ve farklı süper hidrofobik substratlar arasındaki etkileşim güçleri ölçüm sistemi ile ölçülür.
Ölçüm sisteminin şematik şeması Şekil 1' de gösterilir. Lazer ve pozisyon duyarlı dedektör (PSD) optik kolu sistemi oluşturur. Sistemde hassas bir bileşen olarak milimetrik silikon konsol kullanılır. Substrat, dikey yönde hareket edebilir Nanopositioning z-aşama üzerinde sabit. Substrat damlacık yaklaştığında, etkileşim kuvveti, konsol viraj neden olur. Böylece, PSD 'de lazer noktanın konumu değişecek ve PSD 'nin çıkış voltajı değişecek. PSD Vp 'Nin çıkış voltajı, EQ 'da gösterildiği gibi, etkileşim kuvveti Fıile orantılıdır (1).
1
Etkileşim gücünü elde etmek için, Sol ilk kalibre edilmelidir. Elektrostatik kuvvet, Solkalibrasyonunda standart kuvvet olarak kullanılır. Şekil 2' de gösterildiği gibi, konsol ve elektrot dikey yönde elektrostatik kuvvet üretebilir bir paralel plaka kondansatör, makyaj. Elektrostatik kuvvet F'ler , EQ. (2)19,20,21' de gösterildiği gibi, DC güç kaynağı Vsvoltajı ile belirlenir.
2
C , paralel plaka kondansatörünün kapasitans olduğunu, z , konsol serbest ucunu yer değiştirmesi ve dC/dz kondansitance gradyan denir. Kapasitans, kapasitans Köprüsü ile ölçülmüştür. C ve z arasındaki matematiksel ilişki, EQ 'da gösterildiği gibi, ikinci dereceden bir polinom ile monte edilebilir (3).
3
Burada Q, P ve CT ikinci dereceden terim, birincil terim ve sırasıyla sabit terim katsayıları vardır. Bu nedenle, elektrostatik kuvvet Fes EQ olarak ifade edilebilir (4).
4
Kondansatörün iki plakasının örtüşme alanı çok küçük olduğundan, konsol üzerinde hareket eden elastik kuvvet EQ olarak ifade edilebilir (5), Hooke kanununa göre:
5
Burada k , konsol sertliği.
Konsol üzerinde uygulanan elastik kuvvet ve elektrostatik kuvvet eşit olduğunda (örn. fi = fes), konsol denge içindedir. EQ. (6) EQS 'den elde edilebilir. (1), (2) ve (5):
6
Kalibrasyon sonuçlarının belirsizliğini azaltmak için Solhesaplamak için bir fark yöntemi kullanılır. İki deneylerin sonuçları VS1, vP1 ve vS2, vP2olarak alınır ve EQ. (6) olarak değiştirilir:
7
Denklemleri dönüştürerek ve alt denklemin EQ 'daki üst denklemden çıkartıldığı (7), Q ve k parametreleri ortadan kaldırılmıştır. Ardından, EQ 'da gösterildiği gibi Sol 'un kalibrasyon formülü elde edilir. (8):
8
Bir dizi deney gerçekleştirirken, eğri, Ordinat ve 2 (1/vS12-1/vS22) olarak abscissa olarak P (1/vP1-1/vP2) ile çizilir. Eğri eğim Sol.
Solaldıktan sonra, elektrot farklı süper-hidrofobik substratlar ile değiştirilir. Damlacıklar ile süper hidrofobik substratlar arasındaki etkileşim güçleri Şekil 1' de gösterilen sistem tarafından ölçülecektir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Sol kalibrasyon sisteminin montajı
- Sol kalibrasyon sistemini Şekil 2' de gösterilen şematik diyagrama göre birleştirin.
- Lazeri bir desteğe sabitleyebilir, lazer ile yatay yön arasındaki açı 45 ° olabilir.
- PSD 'i lazere dik hale getirmek için başka bir destek ile tekrar yapın. PSD 'ye veri edinme cihazına ve veri edinme cihazına bilgisayara bağlanın.
Not: Bu açılar deneylerin görsel ölçümü ile belirlenir ve tam 45 ° veya 90 ° olmamalıdır. - Diğer uç askıya alındığında bir tutma cihazına konsol daha geniş ucunu düzeltin. Tutma cihazını iki boyutlu yüksek hassasiyetli yer değiştirme aşamasına düzeltin.
Not: konsol boyutları Şekil 3' te gösterilir. - Bir sıkma cihazı ile Nanopositioning z-aşama için plaka elektrot düzeltin.
Not: Nanopositioning z-Aşama 1 Nm bir deplasman çözünürlüğü ile z ekseni boyunca taşımak için elektrot getirebilir. - Kapasitif köprünün pozitif direğini konsol ve negatif kutup ile plaka elektrot ile bağlayın.
- Yüksek hızlı bir kamera yükleyin, kim görüş hattı konsol dik.
- Plaka elektrot konumunu ayarlamak, plaka elektrot ve konsol arasındaki dikey mesafe yapma yaklaşık 100 μm ve yaklaşık 0,5 mm örtüşme uzunluğu.
Not: Bu mesafeler görüntü işleme tarafından denetlenir.
2. kapasitans degradesi ölçümü
- Plaka elektrot ve konsol arasındaki kapasitans değişikliklerini gerçek zamanlı olarak toplamak için kapasitans köprüsünü kontrol etmek için bilgisayarı kullanın. Örnekleme hızını 0,5 Hz olarak ayarlayın.
- 10 μm bir adım ve 6 adım sayısı ile yukarı adım ve her hareket sonra 10 s kalmak için plaka elektrot götürmek için bilgisayar tarafından Nanopositioning z-aşama kontrol.
- Plaka elektrot hareket yönünü aşağı doğru değiştirin ve 2,2 adım tekrarlayın.
- Ölçüm sonucu olarak plaka elektrot kapasitans ve deplasman arasındaki ilişkiyi belirlemek ve EQ göre P değerini elde (3).
- 2.1 – 2.4 5x arasındaki adımları yineleyin ve P 'nin ortalama değerini hesaplayın.
3. optik kol kalibrasyonu
- Kapasitif köprü ve konsol/plaka elektrot arasındaki bağlantının bağlantısını kesin.
- DC güç kaynağının pozitif direğini konsol ve negatif kutup ile plaka elektrot ile bağlayın.
- Lazer, PSD ve konsol arasında göreli konumu ayarlamak lazer PSD üzerinde konsol tarafından yansıtılır yapmak.
Not: lazer spot yaklaşık 2 mm çapında bir daire. - Paralel plaka kapasitör üzerinde zaman ile değişen voltaj uygulamak için bilgisayar tarafından DC güç kaynağını kontrol. Aynı zamanda, veri edinme cihazı tarafından gerçek zamanlı olarak PSD çıkış voltajı toplamak.
- Veri toplama cihazının örnekleme hızını 1.000 Hz 'ye ayarlayın.
- DC güç kaynağının ilk voltajını 0 V olarak ayarlayın ve 5 s için tutun.
- Voltajı 25 V ile artırın ve 5 s için tutun.
- Voltaj 125 V 'ye yükselene kadar 4X 3.4.3 adım tekrarlayın.
- Voltajı 25 V ile azaltın ve 5 s için tutun.
- Voltaj 0 V 'ye düştüğünde, 4X 3.4.5 adım tekrarlayın.
- PSD 'nin çıkış voltajı ve ölçüm sonucu DC besleme gerilimi ile ilgili ilişkiyi belirleyin ve EQ 'ya göre Sol değerini alın (8).
- 3.4 – 3.5 5x arasındaki adımları yineleyin ve Soldeğerinin ortalama değerini hesaplayın.
4. süper hidrofobik substratlar hazırlanması
- 3 mm ve farklı ızgara fraksiyonları aynı çapı ile üç dairesel bakır ızgaralar hazırlayın. Kılavuz fraksiyonları sırasıyla% 46,18,% 51,39 ve% 58,79 ' dir.
Not: Bu bakır ızgaralar satın alınan ticari ürünlerdir. - Nano-hidrofobik substratlar mikro yapı ve hydrophobicity elde etmek için üç bakır ızgaralar üzerine nanopartikülleri sprey.
- Temel kat bakır ızgaraya sprey.
- İlk kat kuru olduğunda üst kat bakır ızgara üzerine sprey.
Not: nanopartiküller bir sprey kafası ile bir can paketlenmiştir. Nano opartiküller kullanıldığında sprey kafası basılarak püskürtülür.
- 1/3 mm-1eğriliği ile bir yüzey süper hidrofobik yapı elde etmek için 3 mm çapında silindir tarafında bakır ızgaraları tutkal.
5. damlacıklar ve süper hidrofobik substratlar arasındaki etkileşim gücünün ölçümü
- DC güç kaynağı ile konsol/plaka elektrot arasındaki bağlantının bağlantısını kesin. Plaka elektrot Nanopositioning z-aşamasından çıkarın.
- Nanopositioning z-aşama için bir plaka desteği düzeltin.
- Yüksek hızlı bir kamera yükleyin, kim görüş hattı konsol dik.
- Konsol serbest ucunu alt yüzeyinde bir damlacık askıya.
- Plaka desteğine yaklaşık 180 ° temas açısıyla süper hidrofobik bir yapı yerleştirin.
- Bir micropipettor kullanarak süper hidrofobik yapıya 2 μL damlacık koyun.
- Nanopositioning z-aşama yazılımı kullanarak kontrol (örneğin, PIMikroMove) yukarı taşımak için damlacık sürücü.
- İletişim kutusunda, hızı 10 μm/s olarak ayarlayın.
- İleri düğmesine tıklayın ve damlacık yukarı hareket etmeye başlar.
- Tıklayın stop düğmesi zaman damlacık kontak ücretsiz ucu ile bağlantı.
- 1 veya 2 s için kalın ve sonra Nanopositioning z-aşama kontrol konsol uzak süper hidrofobik yapı sürücü.
Not: silikon konsol hidrofilik olduğundan, damlacık, yaklaşık 0,5 mm çapı ile bir hemferik damlacık oluşturan, konsol serbest ucundaki alt yüzeyinde askıya alınır. - Plaka desteğinden yaklaşık 180 ° temas açısıyla süper hidrofobik yapıyı çıkarın.
- Süper hidrofobik substrat plaka desteği% 46,18 bir ızgara fraksiyonu ile yerleştirin.
- Plaka desteğinin konumunu ayarlamak, süper hidrofobik substrat ve hemherik damlacık arasında dikey mesafe yapmak yaklaşık 100 μm olabilir.
Not: uzaklık görüntü işleme tarafından denetlenir. - PSD, lazer ve yüksek hızlı kamerayı açın.
- Gerçek zamanlı olarak PSD çıkış voltajı toplamak için bilgisayar tarafından veri toplama cihazı kontrol. Örnekleme hızını 100 kHz olarak ayarlayın.
- Yazılım içinde 10 μm/s hızını ayarlayın ve ardından İleri düğmesine tıklayın, böylece süper hidrofobik substrat damlacık giderek daha yakın hareket eder.
- Süper hidrofobik substrat ve damlacık teması olduğunda stop düğmesine tıklayın.
- Hız 10 μm/s yazılımında ayarlayın ve sonra geri düğmesine tıklayarak süper hidrofobik substrat aşağı hareket etmek için sürücü.
- Süper hidrofobik substrat damlacık ayrıldığı zaman stop düğmesine tıklayın.
- Zaman içinde değişen PSD 'nin çıkış voltajının eğrisini çizin.
- % 51,39 ve% 58,79 ızgara fraksiyonları ile süper hidrofobik substratlar kullanarak 5.4-5.13 adımlarını yineleyin.
- Etkileşim kuvveti ile süper hidrofobik substratın ızgara fraksiyonu arasındaki ilişkiyi analiz edin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Plaka elektrodunun yer değiştirmesi ve tek bir deneyde ölçülen elektrot ile ilgili Kondansat ile Tablo 1' de gösterilir. Kapasitans C ve deplasman z arasındaki ilişki, Şekil 4' te gösterildiği gibi MATLAB 'deki polyfit fonksiyonunu kullanarak ikinci dereceden polinomial ile donatılmıştır. İlk sipariş katsayısı P sığdırma fonksiyonu ile elde edilebilir. P son değeri 0,2799 pF/mm, hangi ortalama on deneysel sonuçları hesaplanır.
Bir denemede PSD 'nin besleme voltajı ve karşılık gelen çıkış voltajı Tablo 2' de gösterilir. PSD vp ve besleme gerilimi vs çıkış voltajı arasındaki ilişki, Şekil 5' te gösterildiği gibi doğrusal fonksiyon ile donatılmıştır, burada vP1 ve vP2 farklılıklar ölçülen değerler ve vP0 ( vs= 0 ' da PSD 'nin çıkış voltajının başlangıç değeri) arasındadır. Sol Şekil 5' te eğrinin eğimi ile elde edilebilir. Sol IS 8,847 μn/V son değeri, ortalama oniki deneysel sonuçlardan hesaplanır.
Zamanla değişen damlacıklar ve süper hidrofobik substratlar arasında ölçülen etkileşim güçlerinin eğrileri Şekil 6' da gösterilir. Etkileşim güçleri EQ. (1) ile hesaplanır, burada Vp , PSD 'nin ölçülen çıkış voltajları ile PSD 'nin ilk çıkış gerilimleri arasındaki farklar arasındadır.
A noktasından önce, substrat damlacık ile temasa geçmiyor, bu nedenle etkileşim kuvveti 0 ' dır. Aşama AB 'de, substrat ile damlacık arasındaki mesafe çok küçüktür. Aerodinamik etkisi nedeniyle, substrat ve damlacık arasında bir itici kuvvet olacaktır, hangi rakam yükselen bir eğrisi gösterir. Point B, substrat ve damlacık temas etmeye başlar kritik noktasıdır. B noktasından sonra, aralarındaki etkileşim kuvveti çekici bir kuvvet haline gelir. BC aşamasında damlacık, kapiller kuvvetinin eylem altında süper-hidrofobik substrat kademeli olarak ıslatır. Konsol, bu aşamada aşağı eğilip, rakamdan azalan bir eğrisi gösterir. C noktasında, sistem tekrar dengeye ulaşır ve konsol denge pozisyonunda osilat yapmaya başlar.
Şekil 6' da gösterildiği gibi, damlacık ile substrat arasındaki etkileşim kuvveti, ızgara fraksiyonunun artması ile azalır. Nedeni damlacıklar ve süper hidrofobik substratlar arasındaki temas enerji serbest bir süreçtir. Substratın hydrophobicity ızgara fraksiyonu ile olumlu korelasyon. Hydrophobicity daha güçlü, temas sırasında daha az enerji serbest, bu yüzden Kontak kuvveti küçüktür.
Deney sırasında biz itici kuvvet sadece% 46,18 bir ızgara fraksiyonu ile damlacık ve substrat arasındaki temas sürecinde var olduğunu bulduk. Hydrophobicity artışı ile, substrat yüzey enerjisi azalır. İtici kuvvet sistemin çözünürlüğüne ulaşamazsa, itici kuvveti ölçmek zordur.
Kuvvet büyüklüğü damlacık hacmi ile doğrudan bir ilişki içindedir. Etkileşim kuvveti ile damlacık hacmi arasındaki ilişkiyi göstermek için ek bir deney yapılmıştır. Şekil 7' de gösterildiği gibi, temas deneyinde farklı boyutlarda üç damlacıklar kullanılmıştır. Damlacık (a), (b) ve (c) hacmi sırasıyla 0,0135 μL, 0,0087 μL ve 0,0073 μL 'dir. Deneyde, damlacıklar hacmi PSD çıkış voltajı değişikliği ile ölçülür. PSD çıkış voltajları önce ve sonra damlacık ile askıya sonra konsol ölçülür, ve fark Vd Ile çarpılır Sol yerçekimi elde etmek için damlacık. Damlacık hacim değeri yerçekimi ile dönüştürülür. Deneylerde% 51,39 ' lık bir ızgara fraksiyonu olan substrat kullanılır. Üç damlacıklar ile substrat arasındaki ölçülen etkileşim kuvveti Şekil 8' de gösterilir. Bu etkileşim kuvveti damlacık hacmi artışı ile artar açıktır.
Şekil 1: etkileşim kuvveti ölçüm sistemi. Damlacıklar ve süper hidrofobik substratlar arasındaki etkileşimi ölçmek için optik kol yöntemine dayanan ölçüm sisteminin şematik şeması. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Şekil 2: Solkalibrasyon sistemi. Elektrostatik kuvvet kullanılarak optik kolun kuvvet hassasiyetini kalibre etmek için tasarlanan sistemin şematik şeması. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Şekil 3: milimetrik konsol boyutları. Milimetrik konsol üst görünümü ve yükseklik görünümü. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Şekil 4: kapasitans ve deplasman arasındaki ilişki. Kalibrasyon denemede kapasitenin C ve deplasman z 'nin ikinci dereceden polinom montaj eğrisi. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Şekil 5: PSD 'nin çıkış voltajı ile besleme gerilimi arasındaki ilişki. EQ (8) ' e göre P (1/VP1-vP2) ve 2 (1/vS12-vS22) doğrusal sığdırma eğrisi. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Şekil 6: etkileşim gücünün ölçüm sonuçları. Havada farklı ızgara fraksiyonları ile damlacıklar ve süper hidrofobik substratlar arasında etkileşim güçleri. Farklı renkler farklı ızgara kesirleri temsil eder. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Şekil 7: denemede kullanılan üç damla farklı hacimin görüntüleri. Damlacıklar (a), (b) ve (c) hacmi sırasıyla 0,0135 μL, 0,0087 μL ve 0,0073 μL 'dir. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Şekil 8: farklı hacimlerin üç damlacıkları ve substrat arasındaki etkileşim kuvveti. Farklı renkler farklı damlacıkları temsil eder. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
| Zaman (ler) | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 |
| Deplasman (μm) | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 |
| Kapasitans (pF) | 2,399 | 2,402 | 2,406 | 2,411 | 2,416 | 2,422 | 2,429 |
| Zaman (ler) | 70 | 80 | 90 | 100 | 110 | 120 | |
| Deplasman (μm) | 50 | 40 | 30 | 20 | 10 | 0 | |
| Kapasitans (pF) | 2,422 | 2,416 | 2,411 | 2,407 | 2,403 | 2,400 |
Tablo 1: kapasitans degradenin kalibrasyon sonuçları. Plaka elektrodunun yer değiştirmesi ve tek bir deneyde konsol ile elektrot arasında ilgili kapasitans.
| Zaman (ler) | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 |
| Besleme gerilimi (V) | 0 | 25 | 50 | 75 | 100 | 125 |
| PSD (V) çıkış voltajı | -3,5757 | -3,5656 | -3,5327 | -3,4797 | -3,3775 | -3,1733 |
| Zaman (ler) | 30 | 35 | 40 | 45 | 50 | |
| Besleme gerilimi (V) | 100 | 75 | 50 | 25 | 0 | |
| PSD (V) çıkış voltajı | -3,3765 | -3,4786 | -3,5321 | -3,5644 | -3,5755 |
Tablo 2: Sol'nin kalibrasyon sonuçları. Tek bir denemede besleme voltajı ve PSD 'nin karşılık gelen çıkış voltajı.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu protokolde, optik kol yöntemine dayanan bir ölçüm sistemi monte edilmiş ve kalibre edilmiş olup, damlacıklar ile süper hidrofobik substratlar arasındaki etkileşim gücünü ölçmek için tasarlanmıştır. Tüm adımlar arasında, Sol kullanarak elektrostatik kuvvet kalibre etmek önemlidir. Kalibrasyon denemenin sonuçları EQ. (8): P (1/vP1-1/vP2) 2 (1/vS12-1/vS22) ile orantılıdır ve bunun değeri elde etmek mümkün hale PSD 'nin çıkış voltajı ile ölçülecek kuvvet. Farklı hydrophobicity damlacıklar ve süper hidrofobik substratlar arasındaki etkileşim kuvveti ölçme deneyi sayesinde, etkileşim kuvveti hidrofobik kapasitenin artması ile azalır, hangi arasındaki ilişkiyi doğrular hidrophobicity ve yüzey enerjisi substratlar.
Milimetre silikon konsol bazlı Kuvvet ölçüm yöntemi, geleneksel yöntemlerin önemli bir tamamlayıcı yöntemidir. Yüksek hızlı kamera yöntemiyle karşılaştırıldığında, optik kol yöntemi nanonewton ölçeğinde gücü doğru şekilde ölçebilir. AFM genellikle mikron ölçekli nesneler arasındaki etkileşim gücünü ölçmek için kullanılır, bu yazıda tasarlanmış sistem havada milimetre ölçekli nesnelere uygulanabilir iken. Bu yöntem, alt-micronewtons ölçekte kuvvet ölçmek için kullanılabilir ve çözünürlüğü nanonewtons ölçeği ulaşabilir.
Bu yazıda etkileşim kuvvetini ölçmek için önerilen yöntem küçük bir ölçüm aralığı ile sınırlıdır. Büyük bir kuvvet, plastik deformasyona veya hatta silikon konsol kırmasına yol açacaktır, bu da yanlış sonuçlara neden olur. Buna ek olarak, bu denemenin prensibi, damlacık ile substrat arasındaki etkileşim gücünü, konsol ve etkileşim kuvvetinin elastik gücünün dengesi altında ölçmek için, konsol sadece yarı statik kuvveti ölçebilir , ama dinamik kuvvet değil.
Damlacıklar ve süper hidrofobik yapıların temas sürecinin derinlemesine çalışması, insanların kaplama, film, baskı ve diğer endüstriyel üretimdeki üretim verimliliğini iyileştirmesine yardımcı olabilir. Jeneralize yapışma kuvveti ölçüm tekniği olarak, sistemdeki substratlar diğer malzemelerden yapılmış substratlar ile değiştirilebilir. Örneğin, PDMS (POLYDİMETHYLSİLOXANE) yapılmış çok aşamalı mikroyapıları ile bir süper hidrofobik substrat kullanılabilir. Optik kol yöntemine dayanan Kuvvet ölçüm sistemi, iki damlacıklar ve süper hidrofobik substratlar ve damlacıklar arasındaki etkileşim kuvveti sırasında etkileşim kuvveti gibi mikro kuvvet ölçümünün diğer alanlarında da kullanılabilir. farklı yüzey gerilimi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarın ifşa etmesi gereken bir şey yok.
Acknowledgments
Yazarlar Tianjin doğal Bilim Vakfı (No. 18JCQNJC04800), Tribology devlet anahtar Laboratuvarı Tribology Bilim Fonu teşekkür ederiz (Hayır. SKLTKF17B18) ve Ulusal Doğal Bilim Vakfı Çin (Grant No. 51805367) onların destek için.
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. |
References
- Guo, Z., Liu, W. Biomimic from the superhydrophobic plant leaves in nature: Binary structure and unitary structure. Plant Science. 172 (6), 1103-1112 (2007).
- Koch, K., Bhushan, B., Barthlott, W. Diversity of structure, morphology and wetting of plant surfaces. Soft Matter. 4 (10), 1943-1963 (2008).
- Gao, X., Jiang, L. Biophysics: Water-repellent legs of water striders. Nature. 432 (7013), 36 (2004).
- 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).
- Zheng, Y., et al. Elegant Shadow Making Tiny Force Visible for Water-Walking Arthropods and Updated Archimedes’ Principle. Langmuir. 32 (41), 10522-10528 (2016).
- Hu, D. L., Chan, B., Bush, J. W. M. The hydrodynamics of water strider locomotion. Nature. 424 (6949), 663-666 (2003).
- 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).
- 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).
- Guo, Z., Liu, W., Su, B. A stable lotus-leaf-like water-repellent copper. Applied Physics Letters. 92 (6), 063104 (2008).
- 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).
- 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).
- Eddi, A., Winkels, K. G., Snoeijer, J. H. Short time dynamics of viscous drop spreading. Physics of Fluids. 25 (1), 77-177 (2017).
- Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence. Physical Review Letters. 106 (11), 114501 (2011).
- Paulsen, J. D. Approach and coalescence of liquid drops in air. Physical Review E. 88 (6), 063010 (2013).
- Vakarelski, I. U., et al. Bubble colloidal AFM probes formed from ultrasonically generated bubbles. Langmuir. 24 (3), 603-605 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Song, L., et al. Highly sensitive, precise, and traceable measurement of force. Instrumentation Science & Technology. 44 (4), 15 (2016).
- 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).
