Messung der Wechselwirkungskraft zwischen einem Tröpfchen und einem superhydrophoben Substrat durch die Optische Hebelmethode

Der Kontakt zwischen einem Tröpfchen und einer superhydrophoben Oberfläche ist sehr häufig im täglichen Leben und in der industriellen Produktion: Wassertröpfchen gleiten von der Oberfläche des Lotusblattes^1,2, und ein Wassersttrider, der schnell über das Wasser wandert^{3 ,4,5,6}. Eine superhydrophobe Beschichtung auf der Außenseite eines Schiffes kann helfen, den Korrosionsgrad des Schiffes zu reduzieren und den Widerstand der Navigation^7,8,9,10zu reduzieren. Bei der Untersuchung des Kontaktprozesses zwischen einem Tröpfchen und einer superhydrophoben Oberfläche ist ein großer Wert für die industrielle Produktion und die Bionik-Forschung.

Um den Streuvorgang von Tröpfchen auf einer festen Oberfläche zu beobachten, verwendete Biance eine Hochgeschwindigkeitskamera, um den Kontaktprozess zu fotografieren, und stellte fest, dass die Dauer des Trägzregimes hauptsächlich durch die Tropfengröße¹¹festgelegt wird. Eddi fotografierte den Kontaktprozess zwischen dem Tröpfchen und der transparenten Platte von unten und seitlich mit einer Hochgeschwindigkeitskamera, die die Variation des Kontaktradius des zähflüssigen Tröpfchens mit der Zeit¹²umfassend offenbarte. Paulsen kombinierte eine elektrische Methode mit Hochgeschwindigkeitskamerabeobachtung, wodurch die Ansprechzeit auf 10 ns^13,14reduziert wurde.

Die Atomkraftmikroskopie (AFM) wurde auch verwendet, um die Wechselwirkungskraft zwischen Tröpfchen/Blase und festen Oberflächen zu messen. Vakarelski verwendete einen AFM-Ausleger, um die Wechselwirkungskräfte zwischen zwei kleinen Blasen (ca. 80-140 m) in wässriger Lösung bei kontrollierten Kollisionen auf der Skala von Mikrometern auf Nanometer¹⁵zu messen. Shi verwendete eine Kombination aus AFM- und Reflexionsinterferenzkontrastmikroskopie (RICM), um gleichzeitig die Wechselwirkungskraft und die raumzeitliche Entwicklung des dünnwasservermessenden Films zwischen einer Luftblase und Glimmeroberflächen unterschiedlicher Hydrophobie ^{zu messen. 16,17}.

Da jedoch kommerzielle Ausleger, die in AFM verwendet werden, zu klein sind, würde der auf dem Ausleger bestrahlte Laserfleck von Tröpfchen oder Blasen untergetaucht. Der AFM hat Schwierigkeiten, die Wechselwirkungskraft zwischen Tröpfchen und Tröpfchen/Substraten in der Luft zu messen.

In diesem Papier wurde ein Messsystem auf Basis eines optischen Hebelverfahrens entwickelt, um die Wechselwirkungskraft zwischen Tröpfchen und superhydrophoben Substraten zu messen. Die Kraftempfindlichkeit des optischen Hebels (S_OL) wird durch elektrostatische Kraft¹⁸kalibriert und dann werden die Wechselwirkungskräfte zwischen Tröpfchen und verschiedenen superhydrophoben Substraten vom Messsystem gemessen.

Das Schema des Messsystems ist in Abbildung 1dargestellt. Der Laser- und Positionsempfindliche Detektor (PSD) bilden das optische Hebelsystem. Ein millimetrischer Siliziumausleger wird als empfindliche Komponente im System verwendet. Das Substrat ist auf der nanopositionierenden Z-Bühne fixiert, die sich in vertikaler Richtung bewegen kann. Wenn sich das Substrat dem Tröpfchen nähert, bewirkt die Wechselwirkungskraft, dass sich der Ausleger beugt. So ändert sich die Position des Laserflecks auf PSD, und die Ausgangsspannung von PSD ändert sich. Die Ausgangsspannung von PSD V_p ist proportional zur Wechselwirkungskraft F_i, wie in Eq. (1) dargestellt.

①

Um die Wechselwirkungskraft zu erhalten, muss Zuerst S_OL kalibriert werden. Die elektrostatische Kraft wird als Standardkraft bei der Kalibrierung von S_OLverwendet. Wie in Abbildung 2dargestellt, bilden der Ausleger und die Elektrode einen parallelen Plattenkondensator, der elektrostatische Kraft in vertikaler Richtung erzeugen könnte. Die elektrostatische Kraft F_es wird durch die Spannung des Gleichstromnetzes V_sbestimmt, wie in Eq. (2)^19,20,21dargestellt.

②

wobei C die Kapazität des parallelen Plattenkondensators ist, z die Verschiebung des freienmitschrichterfreien Endes und dC/dz als Kapazitätsgradient bezeichnet wird. Die Kapazität konnte an der Kapazitätsbrücke gemessen werden. Die mathematische Beziehung zwischen C und z kann durch ein quadratisches Polynom angepasst werden, wie in Eq. (3) dargestellt.

③

wobei Q, P und CT die Koeffizienten des quadratischen Begriffs, des Primärbegriffs bzw. des konstanten Terms sind. Daher kann die elektrostatische Kraft F_es als Eq. (4) ausgedrückt werden.

④

Da die Überlappungsfläche zweier Platten des Kondensators sehr klein ist, kann die auf den Ausleger einwirkte elastische Kraft als Eq. (5) ausgedrückt werden, nach Hookes Gesetz:

(5)

wobei k die Steifigkeit des Auslegers ist.

Wenn die elastische Kraft und die elektrostatische Kraft, die auf den Ausleger angewendet werden, gleich sind (d.h.F_i = F_es), befindet sich der Ausleger im Gleichgewicht. Eq. (6) kann aus Eqs abgeleitet werden. (1), (2) und (5):

(6)

Um die Unsicherheit der Kalibrierergebnisse zu reduzieren, wird eine Differenzmethode zur Berechnung von S_OLverwendet. Die Ergebnisse von zwei Experimenten werden als V_s1, V_p1 und V_s2, V_p2, und in Eq. (6) ersetzt:

(7)

Durch Transformieren der Gleichungen und Subtrahieren der unteren Gleichung von der oberen Gleichung in Eq. (7) werden die Parameter Q und k eliminiert. Dann wird die Kalibrierformel von S_OL erhalten, wie in Eq. (8) dargestellt:

(8)

Bei einer Reihe von Experimenten wird die Kurve mit P(1/V_p1-1/V_p2) als Ordinate und 2(1/V_s1²-1/V_s2²) als Abszisse gezeichnet. Die Neigung der Kurve ist S_OL.

Nach Erhalt von S_OLwird die Elektrode durch verschiedene superhydrophobe Substrate ersetzt. Die Wechselwirkungskräfte zwischen Tröpfchen und superhydrophoben Substraten werden durch das in Abbildung 1dargestellte System gemessen.