Optik kol metodu ile bir damlacık ile süper hidrofobik substrat arasındaki etkileşim gücünü ölçme
14 Haziran 2019
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.
Bu yöntem, lotus yapraklarının süperhidrofobik yapıları ve damlacık birleştirme süreçleri gibi biyonik ve akışkanlar mekaniği alanındaki anahtar soruların yanıtlanmasına yardımcı olabilir. Bu tekniğin en büyük avantajı, alt mikro-newton ölçeğindeki bir kuvvetin nanonewton ölçeği ile ölçülebilen bir kuvvet olmasıdır. Bu yöntem damlacık ve süperhidrofobik yapıların temas süreci hakkında bilgi sağlayabilir.
Ve aynı zamanda mikro kuvvet ölçümü diğer alanlara uygulanabilir. Damlacıklar ve süperhidrofobik yüzeyler arasındaki mesafeyi doğru bir şekilde kontrol etmek zor olduğu için bu tekniği hiç gerçekleştirmemiş bireyler mücadele edecektir. Ölçüm sistemini uygun bir laboratuvar tezgahında hazırlayın.
Sistemin merkezinde bir nanopositioning Z sahne üzerinde askıya silikon cantilever, olduğunu. Beş milimetre uzunluğundaki kantil, tutucunun ucuna monte edilir. Yüksek hızlı bir kamera kantilever dik görüş hattı ile yerinde.
Nanopositioning Z aşaması bu noktada bir elektrot tutan bir destek vardır. Son olarak, bir lazer ve pozisyona duyarlı dedektör kantilever sapma ölçmek için düzenlenmiştir. Kondansatif gradyanı ölçtükten sonra, optik kolu kalibre etmek için bilgisayar kontrollü DC güç kaynağı kullanın.
Bu şema, kalibrasyon için kurulumun genel görünümünü ve genel görünümünü sağlar. Bir plaka elektrot nanopositioning Z aşamasında. Bir üst üste binme uzunluğu yarım milimetre olan kantilin 100 mikrometre altındadır.
Kantilve elektrot bir kondansatör oluşturur, DC güç kaynağının kantilever ve plaka elektrodu ile negatif çekme ile bağlı pozitif çekme ile. Daha sonra, lazerin göreli konumlarını, pozisyona duyarlı dedektörü ve kantilever'i ayarlayın. Lazer ışınının kantilever tarafından dedektöre yansıyacak şekilde düzenleyin.
Bilgisayarda, dedektör çıkış geriliminin veri toplama hızını bir kilohertz'e ayarlayın. DC güç kaynağı kontrol yazılımında, başlangıç gerilimini sıfır volta ayarlayın. Son voltajı 125 volta ayarlayın.
25 voltluk artışlarda voltaj artışı var. Her voltaj değerini beş saniye tutun. Voltaj farklı olduğundan, pozisyon hassas dedektörvoltaj çıkışını izleyin.
Bu ölçümlerden sonra, 125 voltvolt voltile başlayan ve 25 volt luk artışlarla sıfır volta inen benzer bir sıra gerçekleştirin. Eğimin etkileşim kuvveti ile pozisyona duyarlı dedektör çıkış gerilimi arasındaki orantılılık sabiti olduğu bir çizim oluşturmak için beş tam ölçümden elde edilen verileri kullanın. Ölçümlere hazırlanmak için DC güç kaynağını plaka ve kantilever'den koparın.
Daha sonra, nanopositioning Z sahne ile çalışın. Plaka desteğindeki elektrodu belirleyin ve desteği sahneden söküp çıkararak her ikisini de çıkarın. Onların yerine, devam etmeden önce z aşamasına yeni bir plaka desteği vida.
Yüksek hızlı kameranın görüş açısının kantilever'e dik olduğundan emin olun. Sonra, plaka desteği için süperhidrofobik bir yapı olsun. Kantilever gelen su damlacık askıya almak için neredeyse 180 derece temas açısı ile yapı kullanın.
Deney için, bu yapıyı Z sahnesindeki plaka desteğine yapıştırın. Bir mikro pipet ile, süperhidrofobik yapısı üzerinde su iki mikrolitre damlacık yerleştirin. Şimdi nanopositioning sahne yazılımı ile çalışmaya başlayın.
Bu yazılımda, hız diyalog kutusuna gidin ve hızı saniyede 10 mikrometreye ayarlayın. Açılan damlanın yukarı doğru hareket etmesini başlatmak için ileri düğmesini tıklatın. Damlacık, cantilever'in serbest ucuna temas ettiğinde dur'u tıklatın.
Bir veya iki saniye sonra, Z sahnesini el ile kantilden uzağa taşıyın. Bir hemisfalik su damlacığı kantilinalt yüzeyinden askıda kalmalıdır. Devam etmek için, plaka desteğinden süperhidrofobik yapıyı çıkarın ve değiştirmek için süperhidrofobik bir substrat alın.
Bu substrat nano tanecikleri üzerine püskürtülür ile bakır bir kum oluşur. Substrat bir silindir üzerine yapıştırılmış. Bu substrat% 46.18 bir ızgara fraksiyonu vardır plaka desteği üzerinde substrat yerleştirin.
Süperhidrofobik substrat konumunu ayarlayın, böylece kantilever üzerindeki hemisferik damlacık 100 mikrometre. Dedektör, lazer ve kamera açıkken, nanokonumlandırma kontrol yazılımıyla işe geri dönün. Hız diyalog kutusunda, hızı saniyede 10 mikrometreye ayarlayın.
Substrat yukarı doğru hareket başlatmak için ileri düğmesini tıklatın. Substrat ve damlacık temas ettiğinde dur'u tıklatın. Süperhidrofobik substratı aşağı doğru hareket ettirmek için geri düğmesini tıklatın.
Alt tabaka ve damlacık ayrıldığında durdur düğmesini tıklatın. Etkileşim Gücü ayetleri Zaman bu arsalar temsil edilen farklı senaryolar vardır. İlk olarak, ızgara fraksiyonu %46.18 olan alt tabaka için olan siyah eğrideki verilere odaklanın Başlangıçta, substrat ve damlacık temastan uzaktır.
Bu noktada, kuvvet sıfırdır. Substrat ve damlacık arasındaki mesafe azaldıkça itici bir kuvvet ortaya çıkar. Bu da kuvvet artışıyla yansıtılır.
Bir kez substrat ve damlacık temas halinde, ikisi arasındaki kuvvet çekici hale gelir, damlacık yavaş yavaş kılcal eylem yoluyla substrat ıslak olarak eğrinin bir azalmaya yol açan. Sonunda, kantilever bir denge pozisyonu etrafında salınım. Diğer yüksek ızgara fraksiyonları kullanıldığında, damlacık ve substrat arasındaki kuvvetin büyüklüğü azalır.
Bu yordamı çalışırken, lazer, PSD ve cantilever arasındaki ilgili konumu değiştirilemez hatırlamak önemlidir. Bu da ölçüm sonuçlarının doğruluğunu sağlayabilir. Bu teknik, geliştirildikten sonra, havadaki substratile temas eden damlacıklar sırasında kuvveti keşfetmek için gerilim kuvveti ölçümü alanındaki araştırmalar için bir yol açar.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu çalışma, havada damlacıklar ve süper hidrofobik yüzeyler arasındaki etkileşimi araştırmaktadır. Süper hidrofobik yüzeylerin çeşitli ızgara oranlarında ölçüm sisteminin kalibre edilmesine ve etkileşim kuvvetinin ölçülmesine odaklanmaktadır.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Biyonik
- Akışkanlar Mekaniği
Arka Plan
- Lotus yapraklarındaki gibi süperhidrofobik yapılar büyük ilgi çekmektedir.
- Damla birleşme süreçlerini anlamak çeşitli uygulamalar için önemlidir.
- Nanonewton çözünürlüğü ile sub mikro-newton ölçeğindeki kuvvetlerin ölçülmesi bu tekniğin önemli bir avantajıdır.
- Damlacıklar ve yüzeyler arasındaki mesafeyi kontrol etmek yeni uygulayıcılar için zordur.
Çalışmanın Amacı
- Damlacıklar ile süperhidrofobik yapıların temas sürecine dair içgörüler sağlamak.
- Farklı alanlarda mikro kuvvet ölçümü uygulamalarını keşfetmek.
- Biyonik uygulamalarda akışkan etkileşimlerinin anlayışını geliştirmek.
Kullanılan Yöntemler
- Ölçüm sisteminin kalibre edilmesi.
- Süper hidrofobik yüzeylerde etkileşim kuvvetlerinin ölçülmesi.
- Hassas kurulum için bir laboratuvar tezgahının kullanılması.
- Deneyler sırasında damlacıklar ile yüzeyler arasındaki mesafenin kontrol edilmesi.
Ana Sonuçlar
- Değişen ızgara oranlarında etkileşim kuvvetlerinin başarılı bir şekilde ölçülmesi.
- Damlacıklar ile süper hidrofobik yüzeyler arasındaki etkileşimlerin dinamiklerine dair elde edilen içgörüler.
- Yöntemin diğer mikro kuvvet ölçüm senaryolarında uygulanabilirliğinin gösterilmesi.
Sonuçlar
- Bu yöntem, biyonik ve akışkanlar mekaniği araştırmalarına değerli içgörüler sunmaktadır.
- Güvenilir sonuçlar için deneysel koşulların doğru kontrolü esastır.
- Gelecekteki uygulamalar mevcut çalışmanın kapsamını aşabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
Measuring sub-micronewton interaction forces between droplets and super-hydrophobic surfaces enables predictive de-risking in formulation science and coating process optimization. This method supports target validation by quantifying wettability and adhesion dynamics critical for drug delivery and material performance. It provides a scalable, reproducible platform for early-stage mechanistic screening in bionics-inspired R&D pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Quantifies droplet-substrate interaction forces to interrogate wettability hypotheses and surface energy properties.
- Operational Value: Enables functional validation of super-hydrophobic coatings for fluid handling and contamination control.
- Predictive Confidence: Supports go/no-go decisions in material selection by correlating grid fraction with measurable force thresholds.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative, time-resolved force measurements enabling assay standardization across substrate variants.
- Operational Value: Facilitates high-reproducibility screening of surface modifications using controlled nanopositioning and force detection.
- Scalability: Supports platform reuse across different micro-force measurement applications in discovery workflows.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Bridges discovery-phase surface characterization with preclinical evaluation of drug-device interfaces.
- Mechanistic De-risking: Clarifies capillary and repulsive forces during droplet contact, informing predictive models of biofluid behavior.
- Risk-Adjusted Advancement: Enables objective comparison of substrate designs to prioritize those with optimal droplet mobility and low adhesion.
Pipeline & Workflow Integration
The optical lever force measurement system integrates into early discovery workflows as a quantitative tool for surface property assessment, preceding formulation development and device integration stages.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of surface energy and wettability through direct force measurement, reducing ambiguity in target validation.
- Screening: Delivers assay-ready, reproducible force-time profiles enabling comparison of surface treatments under standardized conditions.
- Analytics: Provides nanonewton-resolution force outputs and slope-based calibration constants for quantitative comparison across experimental conditions.
- Translational Research: Connects surface interaction data to preclinical continuity by informing designs of low-adhesion, high-mobility interfaces.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable micro-force measurement capability applicable to coating, printing, and fluidic device development.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Delivers predictive confidence in surface functionality by quantifying interaction forces at sub-micronewton scale.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility through calibrated optical lever and nanopositioning control.
- Strategic Value: Reduces late-stage biological risk by enabling early de-risking of fluid-material interactions in formulation and device design.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of surface technologies based on measurable adhesion and repulsion thresholds.
Implementation Considerations
- Requires expertise in micro-force measurement, optical lever systems, and nanopositioning stage control.
- Dependent on laser, position-sensitive detector, high-speed camera, and electrostatic calibration infrastructure.
- Necessitates cross-team standardization of droplet volume, approach speed, and environmental conditions for reproducible results.
- Involves adaptation considerations when transferring the method to different substrate materials or fluid systems.
- Limited by the need for precise alignment and stable environmental conditions to maintain force measurement accuracy.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Title
0:55
Elements of the Interaction Force Measurement System
1:32
Calibration of the Optical Lever
3:13
Measurement of the Interaction Force between Droplets and Super-hydrophobic Substrates
5:41
Results: Measured Interaction Forces between Droplets and Super-hydrophobic Substrates as a Function of Time
6:38
Conclusion
