מדידת הכוח האינטרקציה בין Droplet למצע סופר-הידרופובי בשיטת המנוף האופטי

המגע בין droplet לבין משטח סופר-הידרופובי נפוץ מאוד בחיי היומיום והייצור התעשייתי: טיפות מים הזזה ממשטח של עלה לוטוס^1,2, ומעבר המים נע במהירות על פני המים^{3 ,4,5,6}. ציפוי סופר הידרופובי על פני השטח החיצוני של הספינה יכול לעזור להפחית את הרמה קורוזיה של הספינה ולהפחית את ההתנגדות של הניווט^7,8,9,10. יש תמורה מצוינת לייצור תעשייתי ולחקר הביניקס בלימוד תהליך המגע בין droplet לבין משטח סופר-הידרופובי.

כדי להתבונן בתהליך התפשטות של טיפות על משטח מוצק, Biance השתמשו במצלמה במהירות גבוהה כדי לצלם את תהליך המגע ומצא כי המשך של המשטר האינרציה נקבע בעיקר על ידי גודל הירידה¹¹. אדינגטון צילם את תהליך המגע בין ה-droplet לבין הצלחת השקופה מלמטה ומהצד באמצעות מצלמה במהירות גבוהה, שחשפה באופן מקיף את הווריאציה של רדיוס המגע של ה-droplet הצמיגי עם הזמן¹². פאולסן בשילוב שיטה חשמלית עם תצפית במהירות גבוהה מצלמה, ובכך לצמצם את זמן התגובה ל 10 ns^13,14.

מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) שימש גם כדי למדוד את כוח האינטראקציה בין droplet/בועה ומשטחים מוצקים. ואלסקי השתמשו בזיז afm כדי למדוד את כוחות האינטראקציה בין שתי בועות קטנות (כ 80-140 μm) בתמיסה מימית במהלך התנגשויות מבוקרת על הסקאלה של מיקרומטר כדי ננומטר¹⁵. שי השתמש בשילוב של AFM והשתקפות הפרעות חדות מיקרוסקופ (RICM) כדי למדוד בו את כוח האינטראקציה ואת האבולוציה הטמפורלית של הסרט מים דקים בין בועת אוויר משטחי נציץ של הידרופוטניטי ^{שונים 16,17}.

עם זאת, מאז התלויה מסחרי המשמש AFM הם קטנים מדי, ספוט לייזר הקרינה על הזיז יהיה שקוע על ידי טיפות או בועות. AFM יש קשיים במדידת כוח האינטראקציה בין טיפות טיפות/מצעים באוויר.

במאמר זה, מערכת המדידה המבוססת על שיטת מנוף אופטי נועד למדוד את כוח האינטראקציה בין טיפות ומצעים סופר הידרופובי. רגישות הכוח של המנוף האופטי (S_OL) מכויל על ידי כוח אלקטרוסטטי¹⁸, ואז כוחות האינטראקציה בין טיפות ומצעים שונים סופר הידרופובי נמדדים על ידי מערכת המדידה.

התרשים הסכמטי של מערכת המדידה מוצג באיור 1. הלייזר ומיקום הגלאי הרגיש (PSD) מהווים את מערכת המנוף האופטי. שלוחה של סיליקון מילימטרית משמשת כמרכיב רגיש במערכת. המצע מתוקן על הבמה הנאנפאות, שיכולה לנוע בכיוון אנכי. כאשר המצע מתקרב ל-droplet, כוח האינטראקציה גורם לזיז להתכופף. כך, את המיקום של נקודת הלייזר על PSD ישתנה, ואת מתח הפלט של PSD ישתנה. מתח הפלט של PSD V_p פרופורציונלי לכוח האינטראקציה F_i, כפי שמוצג Eq. (1).

1

כדי להשיג את כוח האינטראקציה, יש לכייל את S_OL תחילה. הכוח האלקטרוסטטי משמש ככוח סטנדרטי בכיול של S_OL. כפי שמוצג באיור 2, הזיז והאלקטרודה מייצרים מקבל צלחת מקבילה, דבר העלול ליצור כוח אלקטרוסטטי בכיוון אנכי. ה- F הכוח האלקטרוסטטי נקבע על ידי מתח של ספק כוח DC V_s, כפי שמוצג Eq. (2)^19,20,21.

2

כאשר C הוא הקיבוליות של קבל את הצלחת המקבילה, z הוא עקירה של סוף ללא זיז, ו dC/dz נקרא מעבר קיבול. הקיבוליות יכולה להיות נמדדת על ידי גשר הקיבוליות. היחסים המתמטיים בין C ו- z יכולים להיות מצוידים בפולינום ריבועי, כפי שניתן לראות ב Eq. (3).

3

כאשר Q, P ו-CT הם המקדמים של המונח הריבועי, המונח העיקרי והמונח הקבוע בהתאמה. לפיכך, הכוח האלקטרוסטטי של F יכול להתבטא כ Eq. (4).

4

כיוון שאזור החפיפה של שתי צלחות של הקבל הוא קטן מאוד, הכוח האלסטי שפעל על הזיז יכול להתבטא כ Eq. (5), לפי חוק ההוק:

(5)

כאשר k הוא הקשיות של הזיז.

כאשר הכוח האלסטי והכוח האלקטרוסטטי מוחלים על הזיז שווים (כלומר, f_i = f), הזיז נמצא בשיווי משקל. Eq. (6) יכול להיות נגזר של Eqs. (1), (2) ו-(5):

6

כדי להקטין את אי-הוודאות של תוצאות כיול, שיטת ההפרש משמשת לחישוב S_OL. התוצאות של שני ניסויים נלקחים כמו V_s1, v_P1 ו-v_s2, v_p2, ו הם הוחלף Eq. (6):

7

שינוי המשוואות והפחתת המשוואה התחתונה מהמשוואה העליונה ב Eq. (7), הפרמטרים Q ו- k מסולקים. אז נוסחת הכיול של S_OL מתקבלת, כפי שמוצג Eq. (8):

8

ביצוע סדרה של ניסויים, העקומה מצויר עם P (1/v_p1-1/v_p2) כמו מתאם ו 2 (1/v_s1²-1/v_s2²) כמו abscissa. השיפוע של העקומה הוא S_OL.

לאחר קבלת S_OL, האלקטרודה יוחלפו על ידי שונים מצעים סופר הידרופובי. כוחות האינטראקציה בין טיפות ומצעים סופר-הידרופובי יימדדו על ידי המערכת המוצגת באיור 1.