光レバー法による液滴と超疎水性基板間の相互作用力の測定
Summary
このプロトコルは、空気中の液滴と超疎水性基板との相互作用を調べることを目的としています。これには、測定システムのキャリブレーションと、異なるグリッド画分を持つ超疎水性基板での相互作用力の測定が含まれます。
Abstract
本論文の目的は、空気中の液滴と超疎水性基板との相互作用力を調べることを目的としている。光学レバー方式に基づく測定システムを設計しています。ミリメートル片持ちは、測定システムの力感受性コンポーネントとして使用されます。第一に、光学レバーの力感度は、相互作用力を測定する上で重要なステップである静電力を用いて校正される。第二に、異なるグリッド画分を有する3つの超疎水性基板は、ナノ粒子および銅グリッドで調製される。最後に、異なるグリッド画分を持つ液滴と超疎水性基板間の相互作用力をシステムによって測定する。この方法は、ナノニュートンのスケールの分解能を持つサブマイクロニュートンのスケール上の力を測定するために使用することができます。液滴と超疎水構造の接触プロセスの詳細な研究は、コーティング、フィルム、印刷における生産効率の向上に役立ちます。本論文で設計した力測定システムは、マイクロフォース測定の他の分野でも使用できます。
Introduction
液滴と超疎水性表面との接触は、日常生活や工業生産において非常に一般的である:蓮の葉1、2、および水上を急速に移動する水ストライダーの表面から滑る水滴3 ,4,5,6.船の外面の超疎水性コーティングは、船の腐食度を低減し、ナビゲーション7、8、9、10の抵抗を減らすのに役立ちます。液滴と超疎水性表面との接触過程を研究する上で、工業生産とバイオニクス研究には大きな価値があります。
固体表面に液滴の拡散過程を観察するために、Bianceは接触プロセスを撮影するために高速カメラを使用し、慣性政権の持続時間は主にドロップサイズ11によって固定されることがわかった。Eddiは、高速カメラを用いて液滴と透明板との接触過程を高速カメラで撮影し、時間12と粘性液滴の接触半径の変動を総合的に明らかにした。ポールセンは電気的方法と高速カメラ観測を組み合わせ、応答時間を10ns13、14に短縮しました。
原子力顕微鏡(AFM)は、液滴/気泡と固体表面との相互作用力を測定するためにも使用されています。VakarelskiはAFM片持ち式を使用して、マイクロメートルからナノメートル15までのスケールで制御された衝突時に水溶液中の2つの小さな気泡(約80〜140 μm)間の相互作用力を測定しました。Shiは、AFMと反射干渉コントラスト顕微鏡(RICM)の組み合わせを使用して、異なる疎水性の気泡とマイカ表面の間の薄い水膜の相互作用力と時空間的進化を同時に測定した。16、17.
しかし、AFMで使用される市販片持ちは小さすぎるため、片持ち場に照射されるレーザースポットは液滴や気泡によって水没します。AFMは、空気中の液滴と液滴/基板間の相互作用力を測定するのが困難です。
本論文では、光学レバー法に基づく測定システムを用いて、液滴と超疎水性基板との相互作用力を測定する。光学レバー(S OL)の力感度は静電力18によって較正され、次いで、液滴と異なる超疎水性基板との相互作用力を測定システムによって測定する。
測定システムの概略図を図 1に示します。レーザーおよび位置感受性検出器(PSD)は光学レバーシステムを構成する。ミリメトリックシリコン片持ち器は、システム内の敏感なコンポーネントとして使用されます。基板はナノポジショニングZステージに固定され、垂直方向に移動することができます。基板が液滴に近づくと、相互作用力によって片持ちが曲がります。これにより、PSD上のレーザースポットの位置が変化し、PSDの出力電圧が変化します。PSD Vpの出力電圧は、Eq.(1)に示すように、相互作用力Fiに比例する。
(1)
相互作用力を獲得するには、まず SOLを校正する必要があります。静電力は、SOLのキャリブレーションの標準力として使用されます。図2に示すように、片持ちと電極は並列プレートコンデンサを構成し、垂直方向に静電力を発生させる可能性があります。静電力F esは、(2)19、20、21に示すように、DC電源Vsの電圧によって決定される。
(2)
ここでCは並列プレートコンデンサの容量であり、zは片持ち自由端の変位であり、d C/dzは静電容量勾配と呼ばれる。容量は、静電容量ブリッジによって測定することができる。Cとzの間の数学的関係は、Eq.(3)に示すように、二次多項式によって適合させることができる。
(3)
ここで、Q、P および CT は二次項の係数、一次項、および定項の係数です。従って、静電力FesはEq.(4)として表すことができる。
(4)
コンデンサの2枚のプレートの重なり領域は非常に小さいので、片持ち式に作用した弾性力は、フックの法則に従ってEq.(5)として表すことができます。
(5)
ここで kは片持ち式の剛性です。
片持ち梁に加える弾性力と静電気力が等しい場合(すなわち、Fi = Fes)、片持ちは平衡状態にある。Eq. (6) は Eqs から派生させることができます。(1)、(2)および(5):
(6)
キャリブレーション結果の不確実性を減らすために、差分法を使用して SOLを計算します。2つの実験の結果は、Vs1、Vp1およびVs2、Vp2として取られ、Eq.(6)に置き換えられます。
(7)
方程式を変換し、Eq. (7) の上側方程式から下方方程式を減算すると、パラメータ Q とkは除去されます。次に、Eq. (8) に示すように、SOLのキャリブレーション式が得られます。
(8)
一連の実験を行い、P(1/ Vp1-1/Vp2)を座標として、2(1/Vs12-1/Vs22)をアブシッサとして描く。カーブの傾きは SOLです。
SOLを得た後、電極は異なる超疎水性基板に置き換えられる。液滴と超疎水性基板間の相互作用力は、図1に示すシステムによって測定される。
Protocol
Representative Results
Discussion
このプロトコルでは、光学レバー法に基づく測定システムを組み立て、校正し、液滴と超疎水性基板との相互作用力を測定するために設計されている。すべてのステップの中で、静電力を使用してSOLを較正することが重要である。キャリブレーション実験の結果検証 Eq. (8): P(1/ Vp1-1/Vp2)は 2(1/Vs1 s12-1/Vs22)に比?…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、天津自然科学財団(No.18JCQNJC04800)、トライボロジー学の国家キー研究所のトライボロジー科学基金(いいえ)に感謝します。SKLTKF17B18)と中国国家自然科学財団(助成金第51805367号)の支援を受けています。
Materials
| Camera | Shenzhen Andonstar Tech Co., Ltd | digital microscope A1 | Frame rate: 30 frames/sec; Focal distance: 5 mm – 30 mm |
| Capacitive bridge | Andeen-Hagerling | AH2550A | The capacitive bridge is used to measure the capacitance between the cantilever and the plate electrode. |
| Data acquisition device | National Instruments | USB-4431 | The data acquisition device is used to read the output voltage data. |
| DC power supply | Keithley | 2410 | Voltage range: ±5 μV; Accuracy: 0.012% |
| Grid | Electron Microscopy China | AGH100, AGH150, AGH300 | The grid fractions of AGH100, AGH150 and AGH300 are 46.18%, 51.39% and 58.79% respectively |
| Laser | Shenzhen Infrared Laser Technology Co., Ltd. | HW650AD100-10BD | Laser wavelength: 650 nm |
| Nanoparticle | Rust-Oleum | 274232 | NeverWet Multi-Surface Liquid Repelling Treatment is a revolutionary super hydrophobic coating. |
| Nanopositioning z-stage | Physik Instrumente | P622.ZCD | Travel ranges 50 µm to 250 µm (350 µm open loop); Resolution to 0.1 nm; Linearity error only 0.02% |
| Position sensitive detector | Hamamatsu Photonics K.K. | S1880 | The two-dimensional PSD is used to translate optical signals into electrical signals. |
Referencias
- Guo, Z., Liu, W. Biomimic from the superhydrophobic plant leaves in nature: Binary structure and unitary structure. Plant Science. 172 (6), 1103-1112 (2007).
- Koch, K., Bhushan, B., Barthlott, W. Diversity of structure, morphology and wetting of plant surfaces. Soft Matter. 4 (10), 1943-1963 (2008).
- Gao, X., Jiang, L. Biophysics: Water-repellent legs of water striders. Nature. 432 (7013), 36 (2004).
- Yin, W., Zheng, Y. L., Lu, H. Y. Three-dimensional topographies of water surface dimples formed by superhydrophobic water strider legs. Applied Physics Letters. 109 (16), 163701 (2016).
- Zheng, Y., et al. Elegant Shadow Making Tiny Force Visible for Water-Walking Arthropods and Updated Archimedes’ Principle. Langmuir. 32 (41), 10522-10528 (2016).
- Hu, D. L., Chan, B., Bush, J. W. M. The hydrodynamics of water strider locomotion. Nature. 424 (6949), 663-666 (2003).
- Jiang, C. G., Xin, S. C., Wu, C. W. Drag reduction of a miniature boat with superhydrophobic grille bottom. AIP Advances. 1 (3), 032148 (2011).
- Guo, Z., Liang, J., Fang, J., Guo, B., Liu, W. A Novel Approach to the Robust Ti6Al4V-Based Superhydrophobic Surface with Crater-like Structure. Advanced Engineering Materials. 9 (4), 316-321 (2007).
- Guo, Z., Liu, W., Su, B. A stable lotus-leaf-like water-repellent copper. Applied Physics Letters. 92 (6), 063104 (2008).
- Liu, K., Zhang, M., Zhai, J., Wang, J., Jiang, L. Bioinspired construction of Mg-Li alloys surfaces with stable superhydrophobicity and improved corrosion resistance. Applied Physics Letters. 92 (18), 61 (2008).
- Biance, A. L., Clanet, C., Quéré, D. First steps in the spreading of a liquid droplet. Physical Review E Statistical Nonlinear & Soft Matter Physics. 69 (1), 016301 (2004).
- Eddi, A., Winkels, K. G., Snoeijer, J. H. Short time dynamics of viscous drop spreading. Physics of Fluids. 25 (1), 77-177 (2017).
- Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence. Physical Review Letters. 106 (11), 114501 (2011).
- Paulsen, J. D. Approach and coalescence of liquid drops in air. Physical Review E. 88 (6), 063010 (2013).
- Vakarelski, I. U., et al. Bubble colloidal AFM probes formed from ultrasonically generated bubbles. Langmuir. 24 (3), 603-605 (2008).
- Shi, C., et al. Measuring forces and spatiotemporal evolution of thin water films between an air bubble and solid surfaces of different hydrophobicity. ACS Nano. 9 (1), 95-104 (2015).
- Shi, C., Chan, D. Y. C., Liu, Q., Zeng, H. Probing the Hydrophobic Interaction between Air Bubbles and Partially Hydrophobic Surfaces Using Atomic Force Microscopy. The Journal of Physical Chemistry C. 118 (43), 25000-25008 (2014).
- Chung, K., Shaw, G. A., Pratt, J. R. Accurate noncontact calibration of colloidal probe sensitivities in atomic force microscopy. Review of Scientific Instruments. 80 (6), 930 (2009).
- Zheng, Y., et al. Improving environmental noise suppression for micronewton force sensing based on electrostatic by injecting air damping. Review of Scientific Instruments. 85 (5), 055002 (2014).
- Song, L., et al. Highly sensitive, precise, and traceable measurement of force. Instrumentation Science & Technology. 44 (4), 15 (2016).
- Zheng, Y., et al. The multi-position calibration of the stiffness for atomic-force microscope cantilevers based on vibration. Measurement Science & Technology. 26 (5), 055001 (2012).
