Mesurer la force d'interaction entre une gouttelette et un substrat super-hydrophobe selon la méthode du levier optique

Le contact entre une gouttelette et une surface super-hydrophobe est très fréquent dans la vie quotidienne et la production industrielle: gouttelettes d’eau glissant de la surface de la feuille de lotus^1,2, et un strider de l’eau voyageant rapidement sur l’eau^{3 ,4,5,6}. Un revêtement super-hydrophobe sur la surface extérieure d’un navire peut aider à réduire le degré de corrosion du navire et à réduire la résistance de la navigation^7,8,9,10. Il y a une grande valeur pour la production industrielle et la recherche bionique dans l’étude du processus de contact entre une gouttelette et une surface super-hydrophobe.

Pour observer le processus de propagation des gouttelettes sur une surface solide, Biance a utilisé une caméra haute vitesse pour photographier le processus de contact et a constaté que la durée du régime inertielle est principalement fixée par la taille de chute¹¹. Eddi a photographié le processus de contact entre la gouttelette et la plaque transparente du bas et du côté à l’aide d’une caméra haute vitesse, qui a révélé de manière exhaustive la variation du rayon de contact de la gouttelette visqueuse avec le temps¹². Paulsen a combiné une méthode électrique avec l’observation de caméra à grande vitesse, réduisant ainsi le temps de réponse à 10 ns^13,14.

La microscopie de force atomique (AFM) a également été utilisée pour mesurer la force d’interaction entre la gouttelette/bulle et les surfaces solides. Vakarelski a utilisé un porte-à-faux AFM pour mesurer les forces d’interaction entre deux petites bulles (environ 80-140 m) en solution aqueuse lors de collisions contrôlées à l’échelle des micromètres à des nanomètres¹⁵. Shi a utilisé une combinaison de microscopie de contraste d’interférence d’AFM et de réflexion (RICM) pour mesurer simultanément la force d’interaction et l’évolution spatiotemporale du film d’eau mince entre une bulle d’air et des surfaces de mica de différentes hydrophobicités ^16,17.

Cependant, comme les cantilevers commerciaux utilisés dans l’AFM sont trop petits, la tache laser irradiée sur le porte-à-faux serait submergée par des gouttelettes ou des bulles. L’AFM a des difficultés à mesurer la force d’interaction entre les gouttelettes et les gouttelettes/substrats dans l’air.

Dans cet article, un système de mesure basé sur une méthode de levier optique est conçu pour mesurer la force d’interaction entre les gouttelettes et les substrats super-hydrophobes. La sensibilité de force du levier optique (S_OL) est calibrée par la force électrostatique¹⁸, puis les forces d’interaction entre les gouttelettes et les différents substrats super-hydrophobes sont mesurées par le système de mesure.

Le diagramme schématique du système de mesure est indiqué dans la figure 1. Le détecteur sensible au laser et à la position (PSD) constitue le système de levier optique. Un porte-à-faux millimétrique en silicium est utilisé comme composant sensible dans le système. Le substrat est fixé sur le stade z de nanopositionnement, qui peut se déplacer dans la direction verticale. Lorsque le substrat s’approche de la gouttelette, la force d’interaction fait plier le porte-à-faux. Ainsi, la position de la tache laser sur PSD va changer, et la tension de sortie de PSD va changer. La tension de sortie de PSD V_p est proportionnelle à la force d’interaction F_i, comme indiqué dans Eq. (1).

①

Afin d’acquérir la force d’interaction, S_OL doit être calibré en premier. La force électrostatique est utilisée comme force standard dans l’étalonnage de S_OL. Comme le montre la figure 2, le porte-à-faux et l’électrode constituent un condensateur de plaque parallèle, qui pourrait générer une force électrostatique dans une direction verticale. La force électrostatique F_es est déterminée par la tension de l’alimentation DC V_s, comme indiqué dans Eq. (2)^19,20,21.

②

où C est la capacité du condensateur de plaque parallèle, z est le déplacement de l’extrémité libre de cantilever, et d C/dz est appelé gradient de capacité. La capacité pouvait être mesurée par le pont de capacité. La relation mathématique entre C et z peut être ajustée par un polynomial quadratique, comme le montre Eq. (3).

③

où Q, P et CT sont les coefficients du terme quadratique, le terme primaire et le terme constant respectivement. Par conséquent, la force électrostatique F_es peut être exprimée comme Eq. (4).

④

Puisque la zone de chevauchement de deux plaques du condensateur est très petite, la force élastique actionnelle sur le porte-à-faux peut être exprimée comme Eq. (5), selon la loi de Hooke :

(5)

où k est la rigidité du porte-à-faux.

Lorsque la force élastique et la force électrostatique appliquées sur le porte-à-faux sont égales (c.-à-d.,F_i et F_es), le porte-à-faux est en équilibre. Eq. (6) peut être dérivé des Eqs. (1), (2) et (5):

(6)

Afin de réduire l’incertitude des résultats d’étalonnage, une méthode de différence est utilisée pour calculer S_OL. Les résultats de deux expériences sont pris comme V_s1, V_p1 et V_s2, V_p2, et sont substitués à Eq. (6):

(7)

Transformant les équations et soustrayant l’équation inférieure de l’équation supérieure dans Eq. (7), les paramètres Q et k sont éliminés. Ensuite, la formule d’étalonnage de S_OL est obtenue, comme indiqué dans Eq. (8):

(8)

Exécution d’une série d’expériences, la courbe est dessinée avec P(1/V_p1-1/V_p2) comme l’ordonnat et 2(1/V_s1²-1/V_s2²) comme l’abscissa. La pente de la courbe est S_OL.

Après l’obtention de S_OL, l’électrode sera remplacée par différents substrats super-hydrophobes. Les forces d’interaction entre les gouttelettes et les substrats super-hydrophobes seront mesurées par le système indiqué à la figure 1.