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Engineering

Análise de alto throughput de impactos de gotículas líquidas

doi: 10.3791/60778 Published: March 6, 2020

Summary

Este protocolo permite a coleta eficiente de imagens experimentais de alta velocidade de impactos de queda líquida e uma análise rápida desses dados em lotes. Para agilizar esses processos, o método descreve como calibrar e configurar aparelhos, gerar uma estrutura de dados adequada e implantar um script de análise de imagem.

Abstract

Estudos experimentais de impactos de queda líquida em superfícies são frequentemente restringidos em seu escopo devido à grande variedade de possíveis parâmetros experimentais, como propriedades materiais, condições de impacto e configurações experimentais. Compondo isso, os impactos de queda são frequentemente estudados usando fotografia de alta velocidade rica em dados, de modo que é difícil analisar muitos experimentos de forma detalhada e oportuna. O objetivo deste método é permitir um estudo eficiente dos impactos das gotículas com fotografia de alta velocidade, utilizando uma abordagem sistemática. O equipamento é alinhado e calibrado para produzir vídeos que podem ser processados com precisão por um código de processamento de imagem personalizado. Além disso, a configuração da estrutura do arquivo e o fluxo de trabalho descritoaqui garantem eficiência e organização clara do processamento de dados, o que é realizado enquanto o pesquisador ainda está no laboratório. O método de processamento de imagem extrai o contorno digitalizado da gotícula impactante em cada quadro do vídeo, e os dados processados são armazenados para análise suplementar conforme necessário. O protocolo pressupõe que uma gotícula é liberada verticalmente gravidade, e o impacto é gravado por uma câmera visualizando de lado com a gota iluminada usando a sombra. Muitos experimentos semelhantes envolvendo análise de imagens de eventos de alta velocidade poderiam ser abordados com pequenos ajustes no protocolo e no equipamento utilizado.

Introduction

Os impactos da queda líquida nas superfícies são de grande interesse tanto para a compreensão dos fenômenos fundamentais1 quanto para os processos industriais2. Os impactos da queda têm sido estudados há mais de 100 anos3, mas muitos aspectos ainda estão para ser totalmente investigados. A fotografia de alta velocidade é quase universalmente usada para estudos de impactos de queda4 porque fornece dados ricos e acessíveis que permitem que medições analíticas sejam feitas com boa resolução de tempo. Os resultados de um impacto de queda em uma superfície sólida5,6,7 variam de simples deposição atérespingos 8. Os impactos em superfícies superhidrofóbicas são frequentemente estudados, pois podem gerar resultados particularmente interessantes, incluindo quedade9,10,11,12. O protocolo descrito aqui foi desenvolvido para estudar os impactos da gota d'água em superfícies de polímeros com padronização de microescala e, em particular, a influência do padrão nos desfechos de impacto de queda13,14.

O resultado de um experimento de impacto de queda pode ser afetado por uma grande variedade de variáveis possíveis. O tamanho e a velocidade da queda podem variar, juntamente com propriedades fluidas como densidade, tensão superficial e viscosidade. A queda pode ser newtoniana15 ou não-newtoniano16. Uma grande variedade de superfícies de impacto tem sido estudada, incluindo superfícies líquidas7,17,sólidas18e elásticas19. Várias configurações experimentais possíveis foram descritas anteriormente por Rein et al.17. A gota pode tomar diferentes formas. Pode ser oscilante, rotativo ou impacto em um ângulo para a superfície. A textura da superfície e fatores ambientais, como a temperatura, podem variar. Todos esses parâmetros tornam o campo de impactos de gotículas extremamente amplo.

Devido a essa grande variedade de variáveis, estudos de fenômenos dinâmicos de umectação líquida são muitas vezes limitados a se concentrar em tópicos relativamente específicos ou estreitos. Muitas dessas investigações utilizam um número moderado de experimentos (por exemplo, 50-200 pontos de dados) obtidos a partir de vídeos de alta velocidade processados manualmente10,20,21,22. A amplitude desses estudos é limitada pela quantidade de dados que podem ser obtidos pelo pesquisador em um período razoável de tempo. O processamento manual de vídeos exige que o usuário realize tarefas repetitivas, como medir o diâmetro das gotículas impactantes, muitas vezes alcançadas com o uso de software de análise de imagem (Fiji23 e Tracker24 são escolhas populares). A medida mais utilizada para caracterizar impactos de queda é o diâmetro de uma queda de propagação25,26,27,28.

Devido a melhorias no processamento de imagens, os métodos automáticos auxiliados por computador estão começando a melhorar a eficiência da coleta de dados. Por exemplo, algoritmos de análise de imagem para medição automática do ângulo de contato29 e tensão superficial usando o método de queda pendente30 estão agora disponíveis. Muito mais ganhos de eficiência podem ser feitos para a fotografia de alta velocidade de impactos de queda, que produz filmes compostos por muitas imagens individuais para análise, e de fato alguns estudos recentes começaram a usar análise automatizada15,18, embora o fluxo de trabalho experimental não tenha mudado claramente. Outras melhorias no projeto experimental para experimentos de impacto de queda surgiram de avanços em fontes de luz LED disponíveis comercialmente, que podem ser acopladas a câmeras de alta velocidade através da técnica de shadowgraph31,32,33,34.

Este artigo descreve um método padronizado para captura e análise de filmes de impacto de queda. O objetivo principal é permitir a coleta eficiente de grandes conjuntos de dados, que devem ser geralmente úteis para a grande variedade de estudos de impacto de queda descritos acima. Usando este método, o contorno digitalizado e resolvido pelo tempo de uma queda impactante pode ser obtido para ~100 experimentos por dia. A análise calcula automaticamente os parâmetros de impacto das gotículas (tamanho, velocidade, números de Weber e Reynolds) e o diâmetro máximo de disseminação. O protocolo é diretamente aplicável para quaisquer parâmetros básicos de gotículas (incluindo velocidade líquida, de tamanho e impacto), material de substrato ou condições ambientais. Estudos que escaneiam uma grande variedade de parâmetros experimentais podem ser conduzidos em um prazo relativamente curto. O método também incentiva estudos de alta resolução, abrangendo uma pequena gama de variáveis, com múltiplos experimentos de repetição.

Os benefícios deste método são fornecidos pelo experimento padronizado, e uma estrutura de dados e fluxo de trabalho claro. A configuração experimental produz imagens com propriedades consistentes (espacial e contraste) que podem ser passadas para um código de análise de imagem personalizado (incluído como um Arquivo de Codificação Suplementar que é executado no MATLAB) para o processamento imediato de vídeos gravados imediatamente após o experimento. A integração do processamento e aquisição de dados é um dos principais motivos para a melhoria da velocidade geral de coleta de dados. Após uma sessão de aquisição de dados, cada vídeo foi processado e todos os dados brutos relevantes são armazenados para análise posterior sem exigir o reprocessamento do vídeo. Além disso, o usuário pode inspecionar visualmente a qualidade de cada experimento imediatamente após sua realização e repetir o experimento, se necessário. Uma etapa inicial de calibração garante que a configuração experimental possa ser reproduzida entre diferentes sessões de laboratório com boa precisão.

Presume-se que para implementar este método o usuário tenha acesso a uma câmera de alta velocidade organizada para que ele visualize a superfície de um ponto de vista horizontal (lateral). Uma representação esquemmática deste arranjo é mostrada na Figura 1, incluindo a definição de eixos cartesianos. O sistema deve ter a capacidade de posicionar precisamente a câmera e a amostra em três dimensões (X, Y e Z). Um método de shadowgraph é implementado para iluminar a gota e é colocado ao longo do caminho óptico da câmera. O sistema deve usar um sistema de iluminação LED de alta qualidade (DC) de alta qualidade (incluindo uma lente condensador a collimação) que pode ser movido nas direções X e Z para alinhar o caminho óptico com a câmera. Presume-se também que o usuário tenha acesso a uma bomba de seringa que possa programar para produzir gotículas individuais de volume desejado quando conectada a uma determinada agulha35. A gotícula cai a gravidade de modo que sua velocidade de impacto é controlada pela posição da agulha acima da superfície. Embora essa configuração seja bastante genérica, a Tabela de Materiais lista equipamentos específicos utilizados para obter os resultados representativos, e observa algumas possíveis restrições impostas pela escolha dos equipamentos.

Figure 1
Figura 1: Representação esquemática da configuração experimental mínima. Uma câmera de alta velocidade é posicionada para gotículas de imagem que impactam verticalmente em uma amostra de lado a lado. Uma fonte de luz LED está alinhada com a linha de visão da câmera para a sombreia. Uma agulha é usada para a produção individual de gotículas, e eixos cartesianos são definidos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A descrição do método é focada na medição das bordas das gotículas líquidas à medida que caem e impactam. As imagens são obtidas do ponto de vista comumente usado. É possível investigar a disseminação de gotículas de vistas laterais e inferiores usando duas câmeras de alta velocidade13,14, mas a visão de baixo para cima não é possível para materiais opacos, e uma visão de cima para baixo produz complicações de alinhamento. O fluxo de trabalho básico poderia ser usado para melhorar a pesquisa de quaisquer objetos pequenos (2-3 mm de diâmetro) que impactem superfícies, e poderia ser usado para objetos maiores ou menores com outras pequenas alterações. Melhorias e alternativas à configuração experimental e ao método são consideradas ainda mais na seção de discussão.

Protocol

1. Configuração da câmera de alta velocidade

  1. Defina o campo de visão fixo (FOV) para a câmera e calcule o fator de conversão de pixel para mm.
    1. Coloque um marcador de alinhamento (por exemplo, um marcador de comprimento lateral de 4 mm com o código de análise de imagem fornecido) na posição central do estágio de amostra para que ele esteja voltado para a câmera. Ajuste a ampliação da câmera de modo que o marcador quadrado se encaixe dentro do FOV. Certifique-se de que o marcador está em foco e capture uma imagem.
      NOTA: O código de análise de imagem requer que uma gotícula com imagem cubra mais de 1% do FOV total, caso contrário, é classificado como ruído. Da mesma forma, a gotícula não deve tomar mais de 40% do FOV, caso contrário, é identificado como um evento de processamento de imagem com falha.
    2. Bloqueie a ampliação da lente e certifique-se de que ela permaneça inalterada durante um lote de experimentos.
    3. Carregue a interface gráfica do usuário (GUI) para o software de análise de impacto de gotículas clicando no ícone dentro do MATLAB.
    4. Execute o código de análise de imagem. Na GUI, clique no botão calibrar da câmera e selecione a imagem obtida na etapa 1.1.1. Digite o tamanho do quadrado de calibração em mm e clique em OK.
    5. Mova o retângulo mostrado na tela até que o quadrado de calibração seja o único objeto dentro dele. Clique em OK e o software calculará automaticamente o fator de conversão. Se a calibração automática falhar, siga o guia de software para realizar a calibração manual.
  2. Alinhe o sistema experimental.
    1. Prepare o líquido que está sendo usado para a distribuição de gotículas individuais.
      1. Posicione a montagem da agulha ao redor do nível dos olhos do usuário para permitir a facilidade de carregamento.
      2. Limpe manualmente o tubo para remover qualquer fluido empurrando o ar através de uma seringa. Certifique-se de que o tubo não está torcido e que a agulha está segura e limpa. Conserte a agulha e o tubo para que a agulha esteja vertical.
        NOTA: Se necessário, limpe a agulha de aço com etanol em um banho ultrassônico.
      3. Encha a seringa com o fluido que está sendo investigado (por exemplo, água) e conecte-o à bomba de seringa controlada pelo computador. Limpe a agulha usando a bomba de seringa (clique e segure o botão de distribuição) até que não haja bolhas no fluido.
      4. Ajuste a bomba de seringa de modo que dispense o volume necessário para a liberação de uma gotícula individual.
        NOTA: Para os resultados representativos, o diâmetro médio das gotículas foi de 2,6 mm utilizando uma taxa de dispensa de 0,5 mL/min e um volume dispensado de 11 μL. A taxa de bombeamento deve ser lenta o suficiente para que as gotículas se formem e soltem gravidade, e isso pode ser ajustado por tentativa e erro. O volume da gotícula pode ser aproximado como14
        Equation 1
        onde D é o diâmetro da agulha, γLG é a tensão da superfície líquido-gás, e ρ é a densidade do fluido.
    2. Alinhe a amostra (por exemplo, polidimetilsiloxano plano [PDMS]) colocando-a a agulha e dispensando uma única gota usando a bomba de seringa. Verifique se a gota pousa e se espalha na área da amostra de interesse, e se não alterar a posição amostral conforme necessário.
      NOTA: Se o alinhamento das gotículas estiver se mostrando difícil, verifique se a agulha está montada corretamente no suporte da agulha verticalmente e não está dobrada. A amostra está agora alinhada em relação aos eixos X e Y e não deve ser movida durante os experimentos.
    3. Alinhe e foque a câmera.
      1. Distribua uma única gota na amostra. Ajuste a posição vertical (Z) do suporte da amostra até que a superfície esteja nivelada com o centro do FOV da câmera.
      2. Ajuste a posição horizontal (X) da câmera para que a gota na amostra esteja alinhada no centro do FOV. Ajuste as posições verticais (Z) e horizontais (X) do LED para corresponder à posição da câmera, de modo que o centro da luz apareça no centro do FOV. Ajuste a distância (Y) da câmera da gotícula para que a gota entre em foco.
        NOTA: O sistema está agora alinhado e calibrado. Se o posicionamento de todos os equipamentos não for alterado, o protocolo pode ser pausado e reiniciado sem realinhamento. O alinhamento da amostra na direção vertical (Z) deve ser repetido para amostras de espessura variável.
    4. Defina as condições de gravação para a câmera.
      1. Defina a taxa de quadros da câmera como um valor ideal para o objeto que está sendo gravado.
        NOTA: A taxa de quadros ideal da câmera(fps)pode ser prevista usando31
        Equation 2
        onde N é a taxa de amostragem (número de imagens capturadas como o objeto cobre a escala de comprimento, normalmente 10), V é a velocidade da gota, e j é a escala de comprimento de imagem (por exemplo, o FOV).
      2. Ajuste o tempo de exposição da câmera para um valor o menor possível, mantendo iluminação suficiente. Nesta fase, ajuste a abertura da lente para a menor configuração disponível, mantendo iluminação suficiente.
        NOTA: Uma estimativa para o tempo mínimo de exposição(te)é dada por31
        Equation 3
        onde k é a escala de comprimento (por exemplo, o tamanho de um pixel), PMAG é a ampliação primária, e V é a velocidade da gotícula.
      3. Coloque o gatilho para a câmera. Use um gatilho de modo final para que a câmera tampe a gravação e pare no gatilho (por exemplo, um clique do mouse do usuário).
        NOTA: Um sistema de gatilho automático pode ser usado para automatizar esse processo.

2. Realização de experimentos

  1. Prepare o sistema de arquivos do computador para um lote de experimentos.
    1. Crie uma pasta para armazenar filmes para o lote atual de experimentos. Defina esta pasta como o local de salvamento do software da câmera seguindo o guia do fabricante da câmera. Certifique-se de que o formato do arquivo para imagens capturadas é .tif.
    2. Clique no botão Definir caminho na GUI de análise de imagem e escolha a mesma pasta da etapa 2.1.1, que diz ao software para monitorar esta pasta para novos vídeos.
    3. Crie a estrutura da pasta para um lote de experimentos.
      1. Clique no botão Fazer pastas na GUI de análise de imagem e digite quatro valores conforme solicitado: 1) a altura mínima de lançamento de gotículas, 2) a altura máxima de lançamento, 3) o passo de altura entre cada experimento e 4) o número de experimentos de repetição em cada altura.
        NOTA: A velocidade de impacto pode ser aproximada como V = (2gh)1/2, onde g é a aceleração devido à gravidade e h é a altura de liberação de queda.
      2. Clique em OK para executar o script Fazer pastas.
        NOTA: Uma série de pastas foi criada no diretório para este experimento. Essas pastas são chamadas de "height_xx" onde xx é a altura da liberação de gotículas. Em cada uma dessas pastas, pastas vazias estão prontas para armazenar dados para cada experimento de repetição. Repita a seção 2.1 para cada nova superfície ou fluido a ser estudado.
  2. Prepare a superfície conforme necessário para o experimento. Para o impacto em uma superfície seca e sólida, limpe a superfície com um protocolo padrão adequado e permita que ela seque completamente.
  3. Registre um evento de impacto de gotículas.
    1. Coloque a amostra no estágio amostral. Se necessário, gire a superfície para alinhá-la com a câmera. Mova a agulha para a altura de liberação desejada.
    2. Certifique-se de que a visualização da câmera está desobstruída e, em seguida, capture e salve uma imagem (a ser usada mais tarde durante o processamento da imagem) usando o software da câmera. Inicie a gravação de vídeo para que a câmera esteja gravando e tamponando (ou seja, preenchendo a memória interna da câmera).
    3. Dispense uma única gota na amostra usando a bomba de seringa (passo 1.2.1.4). Acione a gravação para parar assim que o evento de impacto estiver concluído. Remova a superfície do suporte da amostra e seque-a, conforme apropriado.
  4. Prepare o arquivo de vídeo para mais análises.
    1. Corte o vídeo.
      1. Usando um software adequado (por exemplo, o software da câmera de alta velocidade), digitalizar através do vídeo para encontrar o primeiro quadro em que a gotícula está completamente dentro do FOV. Corte o início do vídeo para este quadro.
      2. Avançar pelo número de quadros necessários para capturar os fenômenos de interesse durante o experimento de impacto (por exemplo, 250 quadros são geralmente suficientes para impactos capturados a 10.000 fps). Corte o final do vídeo para este quadro.
      3. Salve o vídeo como um arquivo .avi, definindo o caminho de salvamento para a pasta correspondente para o lote experimental atual, a altura de liberação e o número de repetição.
    2. Na GUI de análise de imagem, clique no botão Classificar arquivos. Confirmar visualmente que a imagem de fundo tirada na etapa 2.3.2 agora é exibida na tela. Isso encontra o arquivo .avi salvo mais recente e o arquivo .tif e os move para a mesma pasta, assumindo que foram tiradas ao mesmo tempo.
    3. Clique no botão Executar rastreamento para iniciar o processamento de imagens. O vídeo será exibido com o processamento de imagem resultante sobreposto. Verifique qualitativamente se o processamento da imagem está funcionando corretamente assistindo ao vídeo.
      NOTA: Após a conclusão do processamento da imagem, o código de processamento de imagem exibirá uma imagem da gotícula ao máximo de propagação. A falha na calibração adequada da câmera pode levar ao processamento incorreto da imagem. Se necessário, repita a calibração até que o processamento da imagem seja bem sucedido.
    4. Repita as seções 2.3 e 2.4, ajustando a altura da agulha conforme necessário para realizar todos os experimentos neste lote.
      NOTA: Cada pasta experimental agora conterá uma série de arquivos .mat. Esses arquivos contêm os dados extraídos pelo software de processamento de imagem e salvos para análise futura, incluindo o contorno de queda, área, caixa delimitador e perímetro para cada quadro.

3. Análise de dados brutos

  1. Na GUI de análise de imagem, clique no botão Dados de Processo para iniciar o cálculo das principais variáveis dos dados processados brutos. Se isso for executado após a sessão experimental, o usuário será solicitado a selecionar a pasta que contém o lote de experimentos a ser processado.
  2. Insira os quatro valores conforme solicitado: 1) taxa de quadros de gravação (fps), 2) densidade de fluido (kg/m3), 3) tensão superficial fluida (N/m) e 4) viscosidade fluida (Pa·s).
    NOTA: O software é padrão para uma taxa de quadros de 9.300 fps e as propriedades fluidas da água em condições ambientais. Os valores inseridos são usados para calcular os números de Weber e Reynolds.
  3. Salve os dados no arquivo videofolders.mat e exporte como um arquivo .csv.
    NOTA: O código carregará o arquivo prop_data.mat para um único experimento, calculará a posição do centro de gotas, encontrará o quadro de impacto (definido como o último quadro antes do centro de gotículas desacelerar) e o quadro no qual a propagação horizontal da gotícula é maximizada. Os dados de saída salvos serão a velocidade de impacto (usando um ajuste polinômio de 1ª ordem à posição vertical do centro de gotículas em função do tempo), o diâmetro equivalente da gotícula (calculado assumindo simetria rotacional sobre o eixo Z para encontrar o volume de gotículas, encontrando então o diâmetro de uma esfera com esse volume36), o diâmetro da gotícula no spread máximo, e o impacto dos números de Weber e Reynolds.

Representative Results

A conversão de distâncias medidas de imagens em pixels para milímetros é alcançada com o uso de um quadrado de referência conhecido. Este quadrado deve ser desobstruído no FOV da câmera, e em foco(Figura 2A). O foco incorreto do quadrado de referência (Figura 2B) produzirá um erro sistemático nas variáveis calculadas, por exemplo, velocidade. Para reduzir o erro no cálculo do fator de conversão, o quadrado de referência deve cobrir o máximo possível do FOV. O comprimento lateral do quadrado deve ser conhecido como uma precisão tão alta quanto possível, dado o limite de resolução da câmera.

O software de identificação de gotículas depende da superfície da amostra ser apresentada horizontalmente à câmera, como mostra a Figura 2C. Superfícies dobradas ou mal resolvidas(Figura 2D) produzirão erros de processamento de imagem. O software pode ser usado para analisar gotículas que impactam superfícies planas que não são horizontais, desde que a borda da superfície produza um contraste acentuado contra o fundo.

Para garantir que toda a gota se espalhe pelo software, a gotícula deve pousar no centro da amostra(Figura 2E). Se o sistema estiver incorretamente alinhado, a gotícula pode derivar da posição central e ficará fora de foco(Figura 2F). Se a gota estiver fora de foco, o tamanho calculado estará incorreto. Esse efeito é frequentemente causado pelo mau alinhamento do sistema usado para mover a agulha verticalmente para longe da superfície, o que produzirá uma deriva na localização do impacto em função da altura. Sugere-se que o usuário implemente um sistema óptico de prancha (ou similar) para garantir o alinhamento paralelo e perpendicular.

Para garantir que as bordas das bordas da gota impactante pareçam nítidas, sugere-se que o menor tempo de exposição possível com a fonte de luz disponível deve ser usado (Figura 2G). O alinhamento incorreto do caminho de iluminação em relação à câmera muitas vezes leva ao ajuste de outras configurações, como a abertura da câmera e o tempo de exposição. Isso produz uma borda difusa para a gotícula de viagem(Figura 2H)

Figure 2
Figura 2: Problemas comuns com calibração incorreta do sistema. (A)Quadrado de calibração corretamente alinhado e focado. (B) Quadrado de calibração fora de foco, produzindo fator de calibração incorreto. (C) A superfície da amostra é horizontal e fornece um alto contraste entre a superfície da amostra e o fundo. (D) A amostra está em um ângulo para a câmera, produzindo uma superfície reflexiva. (E) Droplet pousa no centro da amostra no plano de foco. (F) Droplet aterrissa fora do centro e não está em foco devido à abertura ampla utilizada. (G) Uma gotícula é bordada com bordas afiadas devido a um curto tempo de exposição (10 μs). (H) A iluminação sub-ótima e um tempo de exposição mais longo (99 μs) produzem desfoque de movimento. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A iluminação incorreta e o alinhamento da amostra podem produzir brilho e sombras nas imagens gravadas. Estes frequentemente produzem artefatos nas fases de processamento de imagens, o que pode reduzir o número de pontos de dados de boa qualidade coletados. O brilho é comum para fluidos transparentes se o caminho de iluminação não estiver alinhado horizontalmente. O software deve ser capaz de rastrear todo o contorno da gotícula nas imagens de vídeo (Figura 3A). Se o traço não for concluído, os valores medidos, como o comprimento da gotícula de espalhamento, estarão incorretos (Figura 3B).

Figure 3
Figura 3: Comprimento de uma gotícula impactante em função do número do quadro de vídeo (quadro de impacto = 0). Cada ponto de dados azul corresponde às imagens de inset. (A)A iluminação correta permite que o software rastreie todo o contorno da gotícula (linha amarela). Os pontos de contato (cruzes verdes) são corretamente identificados, e o comprimento registrado da gotícula de propagação é uma função suave do número do quadro. (B) A má iluminação produz brilho no líquido e a borda esquerda da gotícula não é rastreada corretamente. O comprimento registrado da gotícula de disseminação demonstra imprecisões nos dados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Arquivo de codificação suplementar. Clique aqui para baixar este arquivo.

Discussion

Este método depende do controle da posição e alinhamento de várias partes do sistema. Um requisito mínimo para usar este método é a capacidade de alinhar a amostra, câmera e LED de iluminação. O alinhamento incorreto da fonte de luz ao sensor da câmera é um problema comum. Se o caminho da luz entrar na câmera em um ângulo, artefatos indesejados são produzidos e dificultam o processamento da imagem. O usuário deve procurar alcançar um caminho de iluminação horizontal quase perfeito entre o LED e o sensor da câmera. Controles precisos de posicionamento (por exemplo, estágios de micrômetros) são úteis para este aspecto do método.

A escolha da lente depende do FOV necessário para o experimento. Embora as lentes de zoom variável comumente disponíveis permitam que o sistema seja adaptado na hora, eles muitas vezes sofrem de outros problemas. Se utilizar lentes de zoom variáveis, o usuário deve certificar-se de que a ampliação total não muda durante um lote de experimentos (uma vez que o sistema está calibrado, seção de protocolo 1). Este problema pode ser evitado usando lentes de ampliação fixas. Com a ampliação fixada, a posição do plano focal de qualquer tipo de lente pode ser alterada movendo a câmera em relação à amostra.

Ao alinhar o sistema é aconselhável usar uma amostra em branco da mesma espessura que as amostras a serem investigadas. Isso impede que as amostras de interesse sejam danificadas ou molhadas antes dos experimentos. Se a espessura da amostra mudar durante um lote de experimentos, então o sistema precisa ser realinhado na direção Z.

Embora não seja necessário, a adição de um sistema de posicionamento de agulha controlado por computador pode aumentar consideravelmente a velocidade e a resolução do método. Sistemas de trilhos de esteira comumente disponíveis podem ser usados que permitem o posicionamento da agulha com precisão de micrômetros. O controle digital da agulha também permite ao usuário zerar a altura relativa à superfície com maior precisão. Esta etapa adicional garante que a configuração experimental possa ser restaurada com precisão no início de uma nova sessão de laboratório.

É aconselhável que o usuário aprenda a usar o software de controle para a câmera de alta velocidade. A maioria dos sistemas modernos pode usar um gatilho de imagem. Este método usa a eletrônica interna de alta velocidade da câmera para monitorar uma área do FOV para mudanças. Se calibrado cuidadosamente, isso pode ser usado para acionar a câmera automaticamente à medida que a gotícula impacta a superfície. Este método reduz o tempo gasto para encontrar os quadros corretos do vídeo para cortar depois que um vídeo é gravado.

Este método pode ser expandido para usar mais de uma câmera para análise de fenômenos direcionalmente dependentes. Se usar várias câmeras, é aconselhável que o usuário use acionamento e sincronização de hardware. A maioria dos sistemas de câmeras de alta velocidade permitem a sincronização de várias câmeras para gravar na mesma taxa de quadros. Usando um gatilho de hardware compartilhado (por exemplo, o pulso de lógica transistor-transistor transistor (TTL), o usuário pode registrar visualizações simultâneas do mesmo experimento. Este método poderia ser ainda mais adaptado para registrar o mesmo evento em duas ampliações variadas.

Este protocolo visa permitir a coleta e o processamento rápido de dados de vídeo de alta velocidade para gotículas que impactam superfícies. Como demonstrado, é versátil sobre uma série de condições de impacto. Com alterações relativamente pequenas no código de análise, poderia ser estendido para fornecer dados adicionais (por exemplo, dependência de tempo e perfis de respingos) ou para estudar diferentes geometrias de impacto. Outras melhorias podem envolver o corte automático de vídeos para incluir os quadros-chave de interesse. Esta etapa, juntamente com a automação da altura da agulha, permitiria que os vídeos em lote fossem coletados de forma totalmente automática, exigindo apenas que o usuário mudasse a amostra entre os impactos.

Disclosures

Os autores não têm nada para revelar.

Acknowledgments

Este trabalho foi apoiado pelo Fundo Marsden, administrado pela Sociedade Real da Nova Zelândia.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Josserand, C., Thoroddsen, S. T. Drop impact on a solid surface. Annual Review of Fluid Mechanics. 48, 365-391 (2016).
  2. Van Dam, D. B., Le Clerc, C. Experimental study of the impact of an ink-jet printed droplet on a solid substrate. Physics of Fluids. 16, 3403-3414 (2004).
  3. Worthington, A. M. A study of splashes. Longmans, Green, and Company. London. (1908).
  4. Thoroddsen, S., Etoh, T., Takehara, K. High-speed imaging of drops and bubbles. Annual Review of Fluid Mechanics. 40, 257-285 (2008).
  5. Chandra, S., Avedisian, C. On the collision of a droplet with a solid surface. Proceedings of the Royal Society of London. Series A: Mathematical and Physical Sciences. 32, (1884), 13-41 (1991).
  6. Marengo, M., Antonini, C., Roisman, I. V., Tropea, C. Drop collisions with simple and complex surfaces. Current Opinion in Colloid and Interface Science. 16, 292-302 (2011).
  7. Yarin, A. L. Drop impact dynamics: Splashing, spreading, receding, bouncing. Annual Review of Fluid Mechanics. 38, (1), 159-192 (2006).
  8. Thoroddsen, S. T. The making of a splash. Journal of Fluid Mechanics. 690, 1-4 (2012).
  9. Bartolo, D., et al. Bouncing or sticky droplets: Impalement transitions on superhydrophobic micropatterned surfaces. Europhysics Letters. 74, (2), 299-305 (2006).
  10. Richard, D., Quéré, D. Bouncing water drops. Europhysics Letters. 50, (6), 769-775 (2000).
  11. Bird, J. C., Dhiman, R., Kwon, H. M., Varanasi, K. K. Reducing the contact time of a bouncing drop. Nature. 503, 385-388 (2013).
  12. Khojasteh, D., Kazerooni, M., Salarian, S., Kamali, R. Droplet impact on superhydrophobic surfaces: A review of recent developments. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 42, 1-14 (2016).
  13. Robson, S., Willmott, G. R. Asymmetries in the spread of drops impacting on hydrophobic micropillar arrays. Soft Matter. 12, (21), 4853-4865 (2016).
  14. Broom, M. Imaging and Analysis of Water Drop Impacts on Microstructure Designs. University of Auckland. Doctoral dissertation (2019).
  15. Lee, J. B., Derome, D., Guyer, R., Carmeliet, J. Modeling the maximum spreading of liquid droplets impacting wetting and nonwetting surfaces. Langmuir. 32, (5), 1299-1308 (2016).
  16. Laan, N., de Bruin, K. G., Bartolo, D., Josserand, C., Bonn, D. Maximum diameter of impacting liquid droplets. Physical Review Applied. 2, (4), 044018 (2014).
  17. Rein, M. Phenomena of liquid drop impact on solid and liquid surfaces. Fluid Dynamics Research. 12, (2), 61-93 (1993).
  18. Wang, M. J., Lin, F. H., Hung, Y. L., Lin, S. Y. Dynamic behaviors of droplet impact and spreading: Water on five different substrates. Langmuir. 25, (12), 6772-6780 (2009).
  19. Weisensee, P. B., Tian, J., Miljkovic, N., King, W. P. Water droplet impact on elastic superhydrophobic surfaces. Scientific Reports. 6, 30328 (2016).
  20. Xu, L., Zhang, W. W., Nagel, S. R. Drop splashing on a dry smooth surface. Physical Review Letters. 94, (18), 184505 (2005).
  21. Clanet, C., Béguin, C., Richard, D., Quéré, D. Maximal deformation of an impacting drop. Journal of Fluid Mechanics. 517, 199-208 (2004).
  22. Collings, E., Markworth, A., McCoy, J., Saunders, J. Splat-quench solidification of freely falling liquid-metal drops by impact on a planar substrate. Journal of Materials Science. 25, (8), 3677-3682 (1990).
  23. Schindelin, J., et al. Fiji: An open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9, (7), 676-682 (2012).
  24. Tracker Video Analysis and Modeling Tool for Physics Education (software). Available from: https://physlets.org/tracker (2019).
  25. Bennett, T., Poulikakos, D. Splat-quench solidification: Estimating the maximum spreading of a droplet impacting a solid surface. Journal of Materials Science. 28, (4), 963-970 (1993).
  26. Rioboo, R., Marengo, M., Tropea, C. Time evolution of liquid drop impact onto solid, dry surfaces. Experiments in Fluids. 33, (1), 112-124 (2002).
  27. Ukiwe, C., Kwok, D. Y. On the maximum spreading diameter of impacting droplets on well-prepared solid surfaces. Langmuir. 21, (2), 666-673 (2005).
  28. Wildeman, S., Visser, C. W., Sun, C., Lohse, D. On the spreading of impacting drops. Journal of Fluid Mechanics. 805, 636-655 (2016).
  29. Biolè, D., Bertola, V. A goniometric mask to measure contact angles from digital images of liquid drops. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 467, 149-156 (2015).
  30. Daerr, A., Mogne, A. Pendent_Drop: An ImageJ plugin to measure the surface tension from an image of a pendent drop. Journal of Open Research Software. 4, (1), 3 (2016).
  31. Versluis, M. High-speed imaging in fluids. Experiments in Fluids. 54, (2), 1458 (2013).
  32. Rydblom, S., Thӧrnberg, B. Liquid water content and droplet sizing shadowgraph measuring system for wind turbine icing detection. IEEE Sensors Journal. 16, (8), 2714-2725 (2015).
  33. Castrejón-García, R., Castrejón-Pita, J., Martin, G., Hutchings, I. The shadowgraph imaging technique and its modern application to fluid jets and drops. Revista Mexicana de Física. 57, (3), 266-275 (2011).
  34. Castrejón-Pita, J. R., Castrejón-García, R., Hutchings, I. M. High speed shadowgraphy for the study of liquid drops. Fluid Dynamics in Physics, Engineering and Environmental Applications. Klapp, J., Medina, A., Cros, A., Vargas, C. Springer. Berlin, Heidelberg. 121-137 (2013).
  35. Tripp, G. K., Good, K. L., Motta, M. J., Kass, P. H., Murphy, C. J. The effect of needle gauge, needle type, and needle orientation on the volume of a drop. Veterinary ophthalmology. 19, (1), 38-42 (2016).
  36. Hugli, H., Gonzalez, J. J. Drop volume measurements by vision. Machine Vision Applications in Industrial Inspection VIII. 3966, 60-67 (2000).
Análise de alto throughput de impactos de gotículas líquidas
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Broom, M. A. J., Willmott, G. R. High Throughput Analysis of Liquid Droplet Impacts. J. Vis. Exp. (157), e60778, doi:10.3791/60778 (2020).More

Broom, M. A. J., Willmott, G. R. High Throughput Analysis of Liquid Droplet Impacts. J. Vis. Exp. (157), e60778, doi:10.3791/60778 (2020).

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