Denne protokol muliggør effektiv indsamling af eksperimentelle højhastighedsbilleder af væskedråbepåvirkninger og hurtig analyse af disse data i batches. For at strømline disse processer beskriver metoden, hvordan du kalibrerer og konfigurerer apparater, genererer en passende datastruktur og implementerer et script til billedanalyse.
Eksperimentelle undersøgelser af væskefaldspåvirkninger på overflader er ofte begrænset i deres anvendelsesområde på grund af det store udvalg af mulige eksperimentelle parametre såsom materialeegenskaber, indvirkningsforhold og eksperimentelle konfigurationer. Forværrer dette, drop virkninger er ofte undersøgt ved hjælp af data-rige high-speed fotografering, så det er vanskeligt at analysere mange eksperimenter i en detaljeret og rettidig måde. Formålet med denne metode er at muliggøre en effektiv undersøgelse af dråbepåvirkninger med højhastighedsfotografering ved hjælp af en systematisk tilgang. Udstyr er justeret og kalibreret til at producere videoer, der kan behandles nøjagtigt af en brugerdefineret billedbehandlingskode. Desuden sikrer den her beskrevne opsætning af filstruktur og arbejdsgange effektivitet og klar organisering af databehandlingen, som udføres, mens forskeren stadig er i laboratoriet. Billedbehandlingsmetoden udtrækker den digitaliserede kontur for påvirkningsslippet i hvert billede af videoen, og behandlede data gemmes til yderligere analyse efter behov. Protokollen forudsætter, at en dråbe frigives lodret under tyngdekraften, og virkningen registreres af et kamera, der ser fra side-on med dråben belyst ved hjælp af shadowgraphy. Mange lignende forsøg, der involverer billedanalyse af højhastighedshændelser, kunne behandles med mindre tilpasning af den anvendte protokol og det anvendte udstyr.
Væskefaldpåflader på overflader er af stor interesse både for forståelsen af grundlæggende fænomener1 og for industrielle processer2. Drop impacts er blevet undersøgt i over 100 år3, men mange aspekter er endnu ikke fuldt undersøgt. Højhastighedsfotografering bruges næsten universelt til undersøgelser af faldpåvirkninger4, fordi det giver omfattende, tilgængelige data, som gør det muligt at foretage analytiske målinger med god tidsopløsning. Resultaterne af en dråbepåvirkning på en fast overflade5,6,7 spænder fra simpel aflejring til sprøjt8. Virkninger på superhydrofobe overflader undersøges ofte , da de kan generere særligt interessante resultater, herunder drop hoppende9,10,11,12. Den protokol, der er beskrevet her , blev udviklet for at undersøge vanddråbepåvirkninger på polymeroverflader med mikroskalamønstre, og især mønsterets indflydelse på dråbeeffektresultaterne13,14.
Resultatet af et drop impact-eksperiment kan blive påvirket af en lang række mulige variabler. Størrelsen og hastigheden af faldet kan variere, sammen med flydende egenskaber såsom tæthed, overfladespænding, og viskositet. Faldet kan enten newtonske15 eller ikke-newtonske16. En lang række påvirkningoverflader er blevet undersøgt, herunder væske7,17, fast18, ogelastiske 19 overflader. Forskellige mulige eksperimentelle konfigurationer blev beskrevet tidligere af Rein et al.17. Dråben kan tage forskellige former. Det kan være oscillerende, roterende, eller indvirkning i en vinkel til overfladen. Overfladeteksturen og miljømæssige faktorer såsom temperatur kan variere. Alle disse parametre gør området for dråbe påvirkninger ekstremt vidtrækkende.
På grund af denne store vifte af variabler, undersøgelser af dynamiske flydende befugtning fænomener er ofte begrænset til at fokusere på relativt specifikke eller smalle emner. Mange af disse undersøgelser anvender et moderat antal forsøg (f.eks. 50−200 datapunkter) fra manuelt behandlede højhastighedsvideoer10,20,21,22. Bredden af sådanne undersøgelser er begrænset af mængden af data, der kan opnås af forskeren i en rimelig tid. Manuel behandling af videoer kræver, at brugeren udfører gentagne opgaver, såsom måling af diameteren af påvirker dråber, ofte opnået med brug af billedanalyse software (Fiji23 og Tracker24 er populære valg). Den mest udbredte måling til karakterisering af faldpåvirkninger er diameteren af et spredende faldpå 25,26,27,28.
På grund af forbedringer i billedbehandling, automatiske computer-aided metoder er begyndt at forbedre dataindsamling effektivitet. For eksempel er billedanalysealgoritmer til automatisk måling af kontaktvinkel29 og overfladespænding ved hjælp af vedhængsdropmetode30 nu tilgængelige. Der kan opnås langt større effektivitetsgevinster for højhastighedsfotografering af faldeffekter, der producerer film, der består af mange individuelle billeder til analyse, og faktisk er nogle nylige undersøgelser begyndt at bruge automatiseret analyse15,18, selv om den eksperimentelle arbejdsgang ikke har ændret sig klart. Andre forbedringer i forsøgsdesignet til drop impact-eksperimenter er opstået som følge af fremskridt inden for kommercielt tilgængelige LED-lyskilder , som kan kombineres med højhastighedskameraer via shadowgraph-teknikken31,32,33,34.
I denne artikel beskrives en standardiseret metode til indfangning og analyse af drop impact-film. Det primære mål er at muliggøre en effektiv indsamling af store datasæt, hvilket generelt bør være nyttigt for de mange forskellige dråbekollisionsundersøgelser, der er beskrevet ovenfor. Ved hjælp af denne metode kan den tidsforløste, digitaliserede kontur for en påvirker dråbe opnås for ~ 100 eksperimenter om dagen. Analysen beregner automatisk dråbeeffektparametrene (størrelse, hastighed, Weber- og Reynolds-tal) og den maksimale spredningsdiameter. Protokollen gælder direkte for alle grundlæggende dråbeparametre (herunder væske,størrelse og slaghastighed), substratmateriale eller miljøforhold. Undersøgelser, der scanner en lang række eksperimentelle parametre, kan udføres inden for en relativt kort tidsramme. Metoden tilskynder også til høj opløsning undersøgelser, der dækker en lille række variabler, med flere gentagne eksperimenter.
Fordelene ved denne metode leveres af det standardiserede eksperiment og en klar datastruktur og arbejdsgang. Den eksperimentelle opsætning producerer billeder med ensartede egenskaber (rumlige og kontrast), der kan overføres til en brugerdefineret billedanalysekode (inkluderet som en supplerende kodningsfil, der kører på MATLAB) til hurtig behandling af optagede videoer umiddelbart efter eksperimentet. Integration af databehandling og -anskaffelse er en primær årsag til den forbedrede samlede hastighed i dataindsamlingen. Efter en samling af dataindsamling, hver video er blevet behandlet, og alle relevante rådata er gemt til yderligere analyse uden at kræve oparbejdning af videoen. Desuden kan brugeren visuelt inspicere kvaliteten af hvert forsøg umiddelbart efter det er udført og gentage forsøget, hvis det er nødvendigt. Et indledende kalibreringstrin sikrer, at den eksperimentelle opsætning kan gengives mellem forskellige laboratoriesessioner med god præcision.
Det antages, at for at gennemføre denne metode brugeren har adgang til en højhastigheds-kamera arrangeret, så det billeder overfladen fra en vandret (side-on) synspunkt. En skematisk repræsentation af dette arrangement er vist i figur 1, herunder definition af kartesiske akser. Systemet skal kunne placere både kameraet og prøven præcist i tre dimensioner (X, Y og Z). En shadowgraph metode er implementeret for belysning af dråben og er placeret langs den optiske sti af kameraet. Systemet skal bruge et JÆVN-belysningssystem af høj kvalitet (herunder et kollimaeringskondensatorobjektiv), der kan flyttes i X- og Z-retning for at tilpasse den optiske vej til kameraet. Det antages også, at brugeren har adgang til en sprøjtepumpe, som de kan programmere til at producere individuelle dråber af ønsket volumen, når den er tilsluttet en bestemt nål35. Dråben falder ind under tyngdekraften, så dens anslagshastighed styres af nålens position over overfladen. Selv om denne opsætning er ganske generisk, Tabel over materialer lister specifikke udstyr, der anvendes til at opnå de repræsentative resultater, og bemærker nogle potentielle begrænsninger pålagt af valg af udstyr.
Figur 1: Skematisk repræsentation af den minimale eksperimentelle opsætning. Et højhastighedskamera er placeret på billeddråber, der påvirker lodret på en prøve fra side-on. En LED-lyskilde er på linje med kameraets sigtelinje for skyggegrafi. En nål bruges til individuel dråbeproduktion, og kartesiske akser er defineret. Klik her for at se en større version af dette tal.
Metodebeskrivelsen er fokuseret på måling af kanterne af flydende dråber, når de falder og påvirker. Billeder er fremstillet af den almindeligt anvendte side-on synspunkt. Det er muligt at undersøge sprede dråber fra både side-on og bottom-up visninger ved hjælp af to højhastighedskameraer13,14, men bottom-up visning er ikke muligt for uigennemsigtige materialer, og en top-down visning producerer tilpasning komplikationer. Den grundlæggende arbejdsgang kan bruges til at forbedre forskningen for små objekter med en diameter på 2,3 mm, der påvirker overflader, og den kan bruges til større eller mindre objekter med yderligere mindre ændringer. Forbedringer og alternativer til den eksperimentelle opsætning og metode overvejes yderligere i diskussionsafsnittet.
Denne metode afhænger af styring af placeringen og justeringen af flere dele af systemet. Et minimumskrav for at bruge denne metode er evnen til at tilpasse prøven, kameraet og belysningLED’en. Forkert tilpasning af lyskilden til kamerasensoren er et almindeligt problem. Hvis lysvejen kommer ind i kameraet i en vinkel, frembringes uønskede artefakter, og billedbehandling hindres. Brugeren skal sigte mod at opnå en næsten perfekt vandret belysningssti mellem LED’en og kamerasensoren. Præcise positioneringskontroller (f.eks. mikrometerfaser) er nyttige for dette aspekt af metoden.
Valget af linse er afhængig af FOV kræves for eksperimentet. Selv om almindeligt tilgængelige variable zoomobjektiver giver mulighed for systemet, der skal tilpasses på flue, de ofte lider af andre spørgsmål. Hvis brugeren bruger variable zoomobjektiver, skal brugeren sikre sig, at den totale forstørrelse ikke ændres under en batch af eksperimenter (når systemet er kalibreret, protokolafsnit 1). Dette problem kan undgås ved hjælp af faste forstørrelsesglas. Når forstørrelsen er fast, kan placeringen af fokale planet er af begge typer objektiver ændres ved at flytte kameraet i forhold til prøven.
Ved justering af systemet er det tilrådeligt at anvende en blindprøve af samme tykkelse som de prøver, der skal undersøges. Dette forhindrer, at de interesseprøver, der er af interesse, bliver beskadiget eller vådt før forsøg. Hvis prøvetykkelsen ændres under et parti eksperimenter, skal systemet justeres i Z-retningen.
Selv om det ikke er nødvendigt, kan tilføjelsen af et computerstyret nålepositioneringssystem øge metodens hastighed og opløsning i høj grad. Almindeligt tilgængelige stepper motorskinnesystemer kan anvendes, der giver mulighed for placering af nålen med mikrometer nøjagtighed. Digital styring af nålen giver også brugeren mulighed for at nulstille højden i forhold til overfladen med større præcision. Dette ekstra trin sikrer, at den eksperimentelle opsætning kan gendannes nøjagtigt i starten af en ny laboratoriesession.
Det tilrådes, at brugeren lærer at bruge kontrol software til højhastigheds-kamera. De fleste moderne systemer kan bruge en billedudløser. Denne metode bruger kameraets interne højhastighedselektronik til at overvåge et område af FOV for ændringer. Hvis det kalibreres omhyggeligt, kan dette bruges til at udløse kameraet automatisk, når dråben påvirker overfladen. Denne metode reducerer den tid, der bruges på at finde de korrekte billeder af videoen, der skal beskæres, når en video er optaget.
Denne metode kan udvides til at bruge mere end ét kamera til analyse af retningsafhængige fænomener. Hvis du bruger flere kameraer, anbefales det, at brugeren bruger hardware udløser og synkronisering. De fleste højhastighedskamerasystemer gør det muligt at synkronisere flere kameraer med samme billedhastighed. Ved hjælp af en delt hardwareudløser (f.eks. transistor-transistorlogik [TTL] puls) kan brugeren registrere samtidige visninger af det samme eksperiment. Denne metode kan tilpasses yderligere til at registrere den samme hændelse ved to forskellige forstørrelser.
Denne protokol har til formål at muliggøre hurtig indsamling og behandling af højhastighedsvideodata til dråber, der påvirker overflader. Som det fremgår, er det alsidigt over en række indvirkningsforhold. Med relativt små ændringer af analysekoden kan den udvides til at tilvejebringe yderligere data (f.eks. tidsafhængighed og stænkprofiler) eller for at undersøge forskellige kollisionsgeometrier. Yderligere forbedringer kunne indebære automatisk beskæring af videoer til at omfatte de vigtigste rammer af interesse. Dette trin, sammen med automatisering af nålen højde, ville gøre det muligt for batch videoer, der skal indsamles på en fuldautomatisk måde, kun kræver brugeren til at ændre prøve i mellem påvirkninger.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af Marsden Fonden, der administreres af 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. |