قياس قوة التفاعل بين القطرة والركيزة فائقة رهاب الماء بواسطة طريقة ليفر البصرية
Summary
ويهدف البروتوكول إلى التحقيق في التفاعل بين القطرات والركيزة فائقة رهاب الماء في الهواء. ويشمل ذلك معايرة نظام القياس وقياس قوة التفاعل في ركائز فائقة رهاب الماء مع كسور شبكية مختلفة.
Abstract
والهدف من هذه الورقة هو التحقيق في قوة التفاعل بين قطرات وركائز فائقة رهاب الماء في الهواء. تم تصميم نظام قياس يستند إلى طريقة رافعة بصرية. يستخدم ناتئ ميليمتري كعنصر حساس للقوة في نظام القياس. أولا، يتم معايرة حساسية قوة العتلة البصرية باستخدام قوة كهرباء، وهي الخطوة الحاسمة في قياس قوة التفاعل. ثانيا، يتم إعداد ثلاثة ركائز فائقة hydrophobic مع كسور الشبكة المختلفة مع الجسيمات النانوية وشبكات النحاس. وأخيراً، فإن قوى التفاعل بين القطرات والركيزة فائقة رهاب الماء مع أجزاء الشبكة المختلفة تقاس من قبل النظام. ويمكن استخدام هذه الطريقة لقياس القوة على نطاق ميكرونيوتن الفرعي مع قرار على نطاق نانونيوتن. يمكن أن تساعد الدراسة المتعمقة لعملية الاتصال بالقطرات والهياكل فائقة رهاب الماء على تحسين كفاءة الإنتاج في الطلاء والأفلام والطباعة. كما يمكن استخدام نظام قياس القوة المصمم في هذه الورقة في مجالات أخرى لقياس القوة الدقيقة.
Introduction
الاتصال بين قطرة وسطح سوبر مسعور ة شائعة جدا في الحياة اليومية والإنتاج الصناعي: قطرات الماء انزلاق من سطح ورقة اللوتس1،2، وstrider المياه السفر بسرعة فوق الماء3 4،5،6. يمكن لطلاء سوبر هيدروفوبيك على السطح الخارجي للسفينة تساعد على الحد من درجة التآكل للسفينة والحد من مقاومة الملاحة7،8،9،10. هناك قيمة كبيرة للإنتاج الصناعي والبحوث الحيوية في دراسة عملية الاتصال بين قطرة وسطح سوبر هيدروفوبيك.
لمراقبة عملية انتشار قطرات على سطح صلب، استخدم بيانس كاميرا عالية السرعة لتصوير عملية الاتصال ووجد أن مدة نظام بالقصور الذاتي يتم إصلاحها بشكل رئيسي من قبل حجم قطرة11. قام Eddi بتصوير عملية الاتصال بين القطرة واللوحة الشفافة من الأسفل والجانب باستخدام كاميرا عالية السرعة، والتي كشفت بشكل شامل عن اختلاف دائرة نصف قطرها الاتصال من قطرة لزجة مع الوقت12. بولسن الجمع بين طريقة كهربائية مع مراقبة الكاميرا عالية السرعة، وبالتالي تقليل وقت الاستجابة إلى 10 NS13،14.
كما تم استخدام المجهر الذري للقوة (AFM) لقياس قوة التفاعل بين القطرة/الفقاعة والأسطح الصلبة. Vakarelski استخدام ناتئ AFM لقياس قوى التفاعل بين اثنين من الفقاعات الصغيرة (حوالي 80-140 ميكرومتر) في محلول مائي خلال الاصطدامات التي تسيطر عليها على نطاق ميكرومتر إلى نانومتر15. استخدم شي مزيجاً من AFM وانعكاس التداخل على النقيض من المجهر (RICM) لقياس قوة التفاعل في وقت واحد والتطور الصدغي للطبقة المائية رقيقة بين فقاعة الهواء وأسطح الميكا من هيدروفوبيسيتي مختلفة 16,17.
ومع ذلك، بما أن الكانتيلفيرز التجارية المستخدمة في AFM صغيرة جدا، فإن بقعة الليزر المشععة على ناتئ سوف تغمرها قطرات أو فقاعات. وAFM لديها صعوبات في قياس قوة التفاعل بين قطرات وقطرات / ركائز في الهواء.
في هذه الورقة، تم تصميم نظام قياس يستند إلى طريقة رافعة بصرية لقياس قوة التفاعل بين قطرات وركائز فائقة hydrophobic. يتم معايرة حساسية قوة العتلة البصرية (SOL)بواسطة قوة كهروستاتيكية18، ومن ثم يتم قياس قوى التفاعل بين قطرات وركائز مختلفة فائقة hydrophobic بواسطة نظام القياس.
الرسم التخطيطي لنظام القياس مبين في الشكل 1. الليزر وموضع الكاشف الحساسة (PSD) تشكل نظام رافعة البصرية. يستخدم الكملي كانتيليفر السيليكون كعنصر حساس في النظام. يتم إصلاح الركيزة على النانو وضع z-المرحلة، والتي يمكن أن تتحرك في الاتجاه الرأسي. عندما تقترب الركيزة من القطرة، فإن قوة التفاعل تؤدي إلى الانحناء. وهكذا، فإن موقف بقعة الليزر على PSD تغيير، وسوف الجهد الناتج من PSD تغيير. الجهد الناتج من PSD VP يتناسب مع قوة التفاعل Fط، كما هو مبين في مكافئ. (1).
(1)
من أجل الحصول على قوة التفاعل، يجب معايرةS OL أولا. يتم استخدام القوة الكهربائية كقوة قياسية في معايرةS OL. كما هو مبين في الشكل 2، وناتئ والقطب تشكل مكثف لوحة موازية ، والتي يمكن أن تولد قوة كهرباء في اتجاه عمودي. يتم تحديد قوة الكهروستاتيكية FES من قبل الجهد من التيار الكهربائي العاصمة قق، كما هو مبين في مكافئ. (2)19،20،21.
(2)
حيث C هو السعة من مكثف لوحة موازية، z هو النزوح من نهاية ناتئ الحرة، وdC/dz يسمى التدرج السعة. ويمكن قياس السعة بواسطة جسر السعة. ويمكن تركيب العلاقة الرياضية بين C و z بواسطة متعدد الحدود التربيعي، كما هو مبين في مكافئ. (3).
(3)
حيث Q و P و CT هي معاملات المصطلح التربيعي، والمصطلح الأولي والمصطلح الثابت على التوالي. ولذلك، يمكن التعبير عن القوة الكهروستاتيكية Fes على أنها مكافئة. (4).
(4)
بما أنّ التداخل منطقة من اثنان لوحات من المكثف جدّا صغيرة, القوة مرنة يتصرّف على ال [كنتلفير] يستطيع كنت عبّر عن ك [إق]. (5), وفقا ل [هوك] قانون:
(5)
حيث ك هو صلابة ناتئ.
عندما تكون القوة المرنة وقوة كهرباء ثابتة المطبقة على ناتئ متساوية (أي،Fط = FES)،كانت ناتئ في التوازن. (6) يمكن أن تستمد من Eqs. (1) و (2) و (5):
(6)
من أجل تقليل عدم اليقين من نتائج المعايرة، يتم استخدام طريقة الفرق لحسابS OL. نتائج تجربتين تؤخذ على النحو Vs1، Vp1 و Vs2، Vp2، ويتم استبدالها في مكافئ (6):
(7)
تحويل المعادلات وطرح المعادلة السفلية من المعادلة العليا في Eq. (7)، يتم القضاء على المعلمات Q و k. ثم يتم الحصول على صيغة المعايرة منS OL، كما هو مبين في مكافئ. (8):
(8)
إجراء سلسلة من التجارب، يتم رسم منحنى مع P (1 /Vp1-1 /VP2)كما تنسيق و 2 (1 /Vs12-1 /VS22)كما abscissa. الميل من المنحنى SOL.
بعد الحصول على SOL، سيتم استبدال القطب بركائز مختلفة فائقة hydrophobic. وستقاس قوى التفاعل بين القطرات والركائز فائقة الرهاب المائي بالنظام المبين في الشكل 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذا البروتوكول، يتم تجميع نظام قياس يستند إلى طريقة رافعة بصرية ومعايرة، وهو مصمم لقياس قوة التفاعل بين القطرات وركائز فائقة hydrophobic. من بين جميع الخطوات، من المهم معايرة SOL باستخدام قوة كهرباء. نتائج تجربة المعايرة تحقق من مكافئ. (8): P(1/Vp1-1/Vp2)يتناسب مع 2 (1/Vs1…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويشكر المؤلفون مؤسسة تيانجين للعلوم الطبيعية (رقم 18JCNJC04800)، صندوق علوم علم التريبولوجيا التابع لمختبر الدولة الرئيسي لعلم التريبولوجيا (رقم. SKLTKF17B18) والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (منحة رقم 51805367) لدعمها.
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. |
References
- 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).
