Detta protokoll möjliggör effektiv insamling av experimentella höghastighetsbilder av vätskedroppseffekter och snabb analys av dessa data i omgångar. För att effektivisera dessa processer beskriver metoden hur du kalibrerar och ställer in apparater, genererar en lämplig datastruktur och distribuerar ett bildanalysskript.
Experimentella studier av vätskedroppspåverkan på ytor begränsas ofta i deras omfattning på grund av det stora utbudet av möjliga experimentella parametrar såsom materialegenskaper, påverkansförhållanden och experimentella konfigurationer. Förvärrar detta, drop effekter studeras ofta med hjälp av data-rika höghastighetsfotografering, så att det är svårt att analysera många experiment på ett detaljerat och snabbt sätt. Syftet med denna metod är att möjliggöra en effektiv studie av droppeffekter med höghastighetsfotografering med hjälp av ett systematiskt tillvägagångssätt. Utrustningen är anpassad och kalibrerad för att producera videor som kan bearbetas korrekt med en anpassad bildbehandlingskod. Dessutom säkerställer filstrukturinställningar och arbetsflöde som beskrivs här effektivitet och tydlig organisation av databehandling, som utförs medan forskaren fortfarande är i labbet. Bildbehandlingsmetoden extraherar den digitaliserade konturen för den nedpåverkade droppen i varje bildruta i videon och bearbetade data lagras för vidare analys efter behov. Protokollet förutsätter att en droppe frigörs vertikalt under gravitationen, och påverkan registreras av en kamera som tittar från sida på med droppen upplyst med hjälp av shadowgraphy. Många liknande experiment med bildanalys av höghastighetshändelser skulle kunna åtgärdas med mindre anpassning till det protokoll och den utrustning som används.
Vätskedroppspåverkan på ytor är av stort intresse både för förståelse av grundläggande fenomen1 och för industriella processer2. Drop-effekter har studerats i över 100 år3, men många aspekter är ännu inte helt undersökta. Höghastighetsfotografering används nästan universellt för studier av droppeffekter4 eftersom det ger rika, tillgängliga data som gör det möjligt att göra analytiska mätningar med god tidsupplösning. Resultaten av en dropppåverkan på en fast yta5,6,7 sträcker sig från enkla nedfall till stänk8. Effekter på superhydrofoba ytor studeras ofta eftersom de kan generera särskilt intressanta resultat, inklusive drop bouncing9,10,11,12. Det protokoll som beskrivs här har utvecklats för att studera vattendroppseffekter på polymerytor med mikroskalmönster, och i synnerhet mönstrets påverkan på fallpåverkansresultat13,14.
Resultatet av ett fallpåverkansexperiment kan påverkas av ett stort antal möjliga variabler. Storleken och hastigheten på droppen kan variera, tillsammans med flytande egenskaper som densitet, ytspänning och viskositet. Nedgången kan vara antingen Newtons15 eller icke-Newtonian16. Ett stort utbud av slagytor har studerats, inklusive vätska7,17,fast18och elastiska19 ytor. Olika möjliga experimentella konfigurationer beskrevs tidigare av Rein et al.17. Droppen kan ta olika former. Det kan vara oscillerande, roterande eller islagsvinkel mot ytan. Ytstrukturen och miljöfaktorer som temperatur kan variera. Alla dessa parametrar gör fältet droplet effekter extremt omfattande.
På grund av detta stora utbud av variabler, studier av dynamiska flytande vätning fenomen är ofta begränsade till att fokusera på relativt specifika eller smala ämnen. Många sådana undersökningar använder ett måttligt antal experiment (t.ex. 50−200 datapunkter) som erhållits från manuellt behandlade höghastighetsvideor10,20,21,22. Bredden på sådana studier begränsas av den mängd data som kan erhållas av forskaren inom rimlig tid. Manuell bearbetning av videor kräver att användaren utför repetitiva uppgifter, såsom att mäta diametern på islagsdroppar, ofta uppnås med hjälp av bildanalys programvara (Fiji23 och Tracker24 är populära val). Den mest använda mätningen för att karakterisera falleffekter är diametern på en spridningsdroppe25,26,27,28.
På grund av förbättringar i bildbehandling börjar automatiska datorstödda metoder förbättra datainsamlingseffektiviteten. Till exempel finns bildanalysalgoritmer för automatisk mätning av kontaktvinkel29 och ytspänning med hjälp av hängedroppsmetoden30 nu tillgängliga. Mycket större effektivitetvinster kan göras för höghastighetsfotografering av droppeffekter, som producerar filmer som består av många enskilda bilder för analys, och faktiskt några nyligen genomförda studier har börjat använda automatiserad analys15,18, även om det experimentella arbetsflödet inte tydligt har förändrats. Andra förbättringar i den experimentella designen för fallpåverkan experiment har uppstått från framsteg i kommersiellt tillgängliga LED-ljuskällor, som kan kombineras med höghastighetskameror via shadowgraph teknik31,32,33,34.
I den här artikeln beskrivs en standardiserad metod för insamling och analys av filmer med drop impact. Det primära syftet är att möjliggöra en effektiv insamling av stora datamängder, vilket i allmänhet bör vara användbart för de många olika falleffektstudier som beskrivs ovan. Med den här metoden kan den tidsbelösta, digitaliserade konturen för en slagfall erhållas för ~100 experiment per dag. Analysen beräknar automatiskt dropppåverkansparametrarna (storlek, hastighet, Weber och Reynolds-tal) och den maximala spridningsdiametern. Protokollet är direkt tillämpligt för alla grundläggande droppparametrar (inklusive vätska, storlek och slaghastighet), substratmaterial eller miljöförhållanden. Studier som skannar ett stort antal experimentella parametrar kan utföras på en relativt kort tidsram. Metoden uppmuntrar också högupplösta studier, som täcker ett litet utbud av variabler, med flera upprepade experiment.
Fördelarna med den här metoden tillhandahålls av det standardiserade experimentet och en tydlig datastruktur och arbetsflöde. Den experimentella installationen producerar bilder med konsekventa egenskaper (rumsliga och kontrast) som kan skickas till en anpassad bildanalyskod (ingår som en kompletterande kodningsfil som körs på MATLAB) för snabb bearbetning av inspelade videor omedelbart efter experimentet. Integrering av databehandling och datainsamling är en primär orsak till den förbättrade övergripande hastigheten på datainsamlingen. Efter en session av datainsamling har varje video bearbetats och alla relevanta rådata lagras för vidare analys utan att kräva upparbetning av videon. Dessutom kan användaren visuellt inspektera kvaliteten på varje experiment omedelbart efter det att det utförs och upprepa experimentet om det behövs. Ett första kalibreringssteg säkerställer att den experimentella installationen kan reproduceras mellan olika labbsessioner med god precision.
Det antas att för att genomföra denna metod användaren har tillgång till en höghastighetskamera arrangerad så att den avbildar ytan från en horisontell (side-on) synvinkel. En schematisk representation av detta arrangemang visas i figur 1, inklusive definition av kartesiska axlar. Systemet bör ha möjlighet att exakt placera både kameran och provet i tre dimensioner (X, Y och Z). En skugggrafmetod implementeras för att belysa droppen och placeras längs kamerans optiska väg. Systemet bör använda ett högkvalitativt likströms(DC) LED-belysningssystem (inklusive en kolliderande kondensorlins) som kan flyttas i X- och Z-riktningar för att justera den optiska banan mot kameran. Det antas också att användaren har tillgång till en sprutpump som de kan programmera att producera enskilda droppar av önskad volym när den är ansluten till en viss nål35. Droppen faller under tyngdkraften så att dess slaghastighet styrs av nålens position ovanför ytan. Även om denna inställning är ganska generisk, table of Materials listar specifik utrustning som används för att få de representativa resultaten, och noterar några potentiella begränsningar som införts genom val av utrustning.
Bild 1: Schematisk representation av den minimala experimentella installationen. En höghastighetskamera är placerad på bilddroppar som påverkar vertikalt på ett prov från sida på. En LED-ljuskälla är i linje med kamerans siktlinje för skugggrafi. En nål används för individuell droppproduktion och kartesiska axlar definieras. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Metodbeskrivningen är inriktad på mätning av kanterna på flytande droppar när de faller och påverkar. Bilder erhålls från den vanliga sida-på synvinkel. Det är möjligt att undersöka spridning droppar från både sida-på och nedifrån och upp-vyer med hjälp av två höghastighetskameror13,14, men nedifrån och upp-vyn är inte möjligt för ogenomskinliga material, och en top-down-vy ger anpassning komplikationer. Det grundläggande arbetsflödet kan användas för att förbättra forskningen för alla små (2−3 mm diameter) objekt som påverkar ytor, och det kan användas för större eller mindre objekt med ytterligare mindre förändringar. Förbättringar och alternativ till den experimentella installationen och metoden beaktas ytterligare i diskussionsavsnittet.
Denna metod beror på kontroll av position och justering av flera delar av systemet. Ett minimikrav för att använda denna metod är möjligheten att justera provet, kameran och belysningslampan. Felaktig justering av ljuskällan till kamerasensorn är ett vanligt problem. Om ljusbanan kommer in i kameran i en vinkel produceras oönskade artefakter och hindrar bildbehandling. Användaren bör sträva efter att uppnå en nästan perfekt horisontell belysningsbana mellan LED och kamerasensorn. Exakta positioneringskontroller (t.ex. mikrometersteg) är till hjälp för denna aspekt av metoden.
Valet av lins är beroende av fov som krävs för experimentet. Även om vanliga variabla zoomobjektiv gör det möjligt att anpassa systemet i farten, lider de ofta av andra problem. Om du använder variabla zoomobjektiv måste användaren se till att den totala förstoringen inte ändras under en grupp experiment (när systemet är kalibrerat, protokollavsnitt 1). Detta problem kan undvikas med hjälp av fasta förstoringslinser. Med förstoringen fast kan fokalplanets placering av båda typerna av objektiv ändras genom att kameran flyttas i förhållande till provet.
När du justerar systemet är det lämpligt att använda ett tomt prov med samma tjocklek som de prover som ska undersökas. Detta hindrar prover av intresse från att skadas eller blöta före experiment. Om provtjockleken ändras under en grupp experiment måste systemet justeras i Z-riktningen.
Även om det inte är nödvändigt, kan tillägget av ett datorstyrt nålpositioneringssystem avsevärt öka metodens hastighet och upplösning. Vanliga stepper motor skensystem kan användas som möjliggör placering av nålen med mikrometer noggrannhet. Digital styrning av nålen gör det också möjligt för användaren att noll höjden i förhållande till ytan med större precision. Det här ytterligare steget säkerställer att den experimentella installationen kan återställas korrekt i början av en ny labbsession.
Det rekommenderas att användaren lär sig att använda kontrollprogramvaran för höghastighetskameran. De flesta moderna system kan använda en bildutlösare. Denna metod använder kamerans interna höghastighetselektronik för att övervaka ett område i FOV för ändringar. Om den kalibreras noggrant kan detta användas för att utlösa kameran automatiskt när droppen påverkar ytan. Den här metoden minskar den tid som ägnas åt att hitta rätt bildrutor i videon som ska beskäras när en video har spelats in.
Denna metod kan utökas för att använda mer än en kamera för analys av riktningsberoende fenomen. Om du använder flera kameror rekommenderas att användaren använder maskinvaruutlösare och synkronisering. De flesta höghastighetskamerasystem gör det möjligt att synkronisera flera kameror för att spela in med samma bildhastighet. Med hjälp av en delad maskinvaruutlösare (t.ex. transistor-transistorlogik [TTL]-puls) kan användaren spela in samtidiga vyer av samma experiment. Denna metod skulle kunna anpassas ytterligare för att registrera samma händelse vid två olika förstoringar.
Syftet med detta protokoll är att möjliggöra snabb insamling och bearbetning av höghastighetsvideodata för droppar som påverkar ytor. Som visat, det är mångsidig över en rad olika slagförhållanden. Med relativt små ändringar av analyskoden kan den utvidgas till att ge ytterligare data (t.ex. tidsberoende och stänkprofiler) eller att studera olika påverkansgeometrier. Ytterligare förbättringar kan innebära automatisk beskärning av videor för att inkludera de viktigaste bildrutorna av intresse. Detta steg, tillsammans med automatisering av nålhöjden, skulle göra det möjligt för batch-videor som skall samlas in på ett helautomatiskt sätt, utan kräver att användaren ändrar prov mellan effekterna.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av Marsden fonden, som administreras av Royal Society of New Zealand.
24 gauge blunt tip needle | Sigma Aldrich | CAD7930 | |
4 x 4 mm alignment square (chrome on glass) | Made in-house using lithography. | ||
5 ml syringe | ~ | ~ | Should be compatible with syringe pump. Leur lock connectors join the syringe to the needle. |
Aspheric condenser lens | Thor Labs | ACL5040U | Determines beam width, which should cover the field of view. |
Cat 5e ethernet cable | ~ | ~ | A fast data connection between the high-speed camera and PC, suitable for Photron cameras. |
Droplet impact analysis software | ~ | ~ | Provided as Supplementary Coding File. Outline data are stored in .mat files. Calculations are output as .csv files. |
Front surface high-power LED | Luminus | CBT-40-G-C21-JE201 LED | Separate power supply should be DC to avoid flickering. |
High-speed camera | Photron | Photron SA5 | Typically operated at ~10,000 fps for drop impacts. |
High-speed camera software | Photron | Photron Fastcam Viewer | Protocol assumes camera has an end trigger; that movie files can be saved in .avi format, and screenshots in .tif format, to a designated folder; and that movies can be cropped. |
Linear translation stages | Thor Labs | DTS25/M | Used to position the LED, sample and camera. |
Macro F-mount camera lens | Nikon | Nikkor 105mm f/2.8 Lens | Choice of lens determines field of view. |
PC running Matlab 2018b | Matlab | ~ | PC processing power and RAM can effect protocol speed and hence efficiency. |
Polydimethylsiloxane (PDMS) | Dow | SYLGARD™ 184 Silicone Elastomer | Substrates made using a 10:1 (monomer:cross-linker) ratio. |
PTFE tubing | ~ | ~ | |
Syringe pump | Pump Systems Inc | NE-1000 | Protocol assumes this can be set to dispense a specific volume. |