Het meten van de interactie kracht tussen een druppel en een super-hydrofobe substraat door de optische hefboom methode

Het contact tussen een druppel en een super-hydrofobe oppervlak is zeer vaak voor in het dagelijks leven en de industriële productie: waterdruppels glijden van het oppervlak van lotusblad^1,2, en een water Strider reizen snel over het water^{3 ,4,5,6}. Een super-hydrofobe coating op het buitenoppervlak van een schip kan bijdragen tot het verminderen van de corrosie graad van het schip en het verminderen van de weerstand van de navigatie^7,8,9,10. Er is grote waarde voor industriële productie en bionicaonderzoek in het bestuderen van het contact proces tussen een druppel en een super-hydrofobe oppervlak.

Om het uitspreidende proces van druppeltjes op een stevig oppervlak te observeren, gebruikte biance een hoge snelheidscamera om het contact proces te fotograferen en vond dat de duur van het traagheids regime hoofdzakelijk door dalings grootte¹¹wordt bevestigd. Het contact proces tussen de druppel en de transparante plaat van de bodem en de zijkant werd gefotografeerd met behulp van een high-speed camera, die de variatie van de contact straal van de viskeuze druppel met de tijd¹²uitvoerig onthulde. Paulsen combineerde een elektro methode met de observatie van de hoge snelheidscamera, zo verminderend de reactietijd aan 10 NS^13,14.

Atomic Force microscopie (AFM) is ook gebruikt om de interactie kracht tussen de druppel/zeepbel en vaste oppervlakken te meten. Vakarelski gebruikte een AFM Cantilever om de interactie krachten tussen twee kleine bellen (ongeveer 80-140 μm) in waterige oplossing tijdens gecontroleerde botsingen op de schaal van micrometers aan nanometers¹⁵te meten. Shi gebruikte een combinatie van AFM en reflectie interferentie contrast microscopie (RICM) gelijktijdig meten van de interactie kracht en de spatiotemporal evolutie van de dunne waterfilm tussen een lucht zeepbel en mica oppervlakken van verschillende hydrophobicity ^16,17.

Echter, aangezien de commerciële cantilevers gebruikt in de AFM zijn te klein, de Laser Spot bestraald op de cantilever zou worden ondergedompeld door druppels of bubbels. De AFM heeft moeite met het meten van de interactie kracht tussen druppeltjes en druppeltjes/substraten in de lucht.

In deze paper is een meetsysteem gebaseerd op een optische hefboom methode ontworpen om de interactie kracht tussen druppeltjes en Super-hydrofobe substraten te meten. De kracht gevoeligheid van de optische hendel (S_OL) is gekalibreerd door elektrostatische kracht¹⁸, en vervolgens de interactie krachten tussen druppels en verschillende Super-hydrofobe substraten worden gemeten door het meetsysteem.

Het schematische schema van het meetsysteem wordt weergegeven in Figuur 1. De laser en position Sensitive detector (PSD) vormen de optische hendel systeem. Een millimeter silicium Cantilever wordt gebruikt als een gevoelige component in het systeem. Het substraat wordt bevestigd op het nanopositioning z-stadium, dat in verticale richting kan bewegen. Wanneer de ondergrond nadert de druppel, de interactie kracht zorgt ervoor dat de cantilever te buigen. Zo zal de positie van de laser vlek op PSD veranderen, en de uitgangsspanning van de PSD zal veranderen. De uitgangsspanning van PSD V_p is evenredig met de interactie kracht F_i, zoals aangegeven in EQ. (1).

1

Om de interactie kracht te verwerven, moet S_OL eerst gekalibreerd worden. De elektrostatische kracht wordt gebruikt als de standaard kracht in de kalibratie van S_OL. Zoals weergegeven in Figuur 2, de cantilever en de elektrode maken een parallelle plaatcondensator, die zou kunnen genereren elektrostatische kracht in een verticale richting. De elektrostatische kracht F_es wordt bepaald door de spanning van de DC voeding V_s, zoals aangegeven in EQ. (2)^19,20,21.

2

waar C is de capaciteit van de parallelle plaatcondensator, z is de verplaatsing van de cantilever vrije uiteinde, en dC/dz wordt genoemd capaciteits gradiënt. De capaciteit zou door de capaciteits brug kunnen worden gemeten. De wiskundige relatie tussen C en z kan worden gemonteerd door een kwadratische veelterm, zoals weergegeven in EQ. (3).

3

waar Q, P en CT zijn de coëfficiënten van de kwadratische term, de primaire term en de constante term respectievelijk. Daarom kan de elektrostatische kracht F_es worden uitgedrukt als EQ. (4).

4

Aangezien het overlappingsgebied van twee platen van de condensator zeer klein is, handelde de elastische kracht op Cantilever kan worden uitgedrukt zoals EQ. (5), volgens de wet van Hooke:

5

waar k is de stijfheid van de Cantilever.

Wanneer de elastische kracht en elektrostatische kracht toegepast op de cantilever zijn gelijk (dat wil zeggen, f_i = f_es), de cantilever is in evenwicht. EQ. (6) kan worden afgeleid uit MKN. (1), (2) en (5):

6

Met het oog op de onzekerheid van de kalibratieresultaten te verminderen, een verschil methode wordt gebruikt om S_OLte berekenen. De resultaten van twee experimenten worden genomen als V_S1, v_P1 en v_S2, v_P2, en worden vervangen door EQ. (6):

7

Transformatie van de vergelijkingen en aftrekken van de lagere vergelijking van de bovenste vergelijking in EQ. (7), de parameters Q en k worden geëlimineerd. Vervolgens wordt de kalibratie formule van S_OL verkregen, zoals weergegeven in EQ. (8):

8

Het uitvoeren van een reeks van experimenten, is de curve getekend met P (1/v_P1-1/V_P2) als de coördinaat en 2 (1/v_S1²-1/v_S2²) als de abscis. De helling van de curve is S_OL.

Na het verkrijgen van S_OL, zal de elektrode worden vervangen door verschillende Super-hydrofobe substraten. De interactie krachten tussen druppeltjes en Super-hydrofobe substraten zullen worden gemeten door het systeem weergegeven in Figuur 1.