הפרוטוקול נועד לחקור את האינטראקציה בין טיפות ומצעים סופר הידרופובי באוויר. זה כולל כיול מערכת המדידה ומדידת כוח האינטראקציה על מצעים סופר הידרופובי עם שברים ברשת שונים.
המטרה של המאמר הזה היא לחקור את כוח האינטראקציה בין טיפות ומצעים סופר הידרופובי באוויר. מערכת מדידה המבוססת על שיטת מנוף אופטי מעוצבת. שלוחה מילימטרית משמשת כמרכיב רגיש לכוח במערכת המדידה. ראשית, רגישות הכוח של הידית האופטית מכוילים באמצעות כוח אלקטרוסטטי, שהוא השלב הקריטי במדידת כוח האינטראקציה. שנית, שלושה מצעים סופר הידרופובי עם שברים ברשת שונים מוכנים עם ננו חלקיקים ורשתות נחושת. לבסוף, האינטראקציה כוחות בין טיפות ומצעים סופר הידרופובי עם שברים ברשת שונים נמדדים על ידי המערכת. שיטה זו ניתן להשתמש כדי למדוד את הכוח בקנה מידה של תת מיקרואוקטון עם רזולוציה בקנה מידה של nanonewton. לימוד מעמיק של תהליך המגע של טיפות ומבני סופר הידרופובי יכולים לעזור לשפר את יעילות הייצור בציפוי, הסרט וההדפסה. ניתן להשתמש במערכת המדידה של הכוח המעוצב בנייר זה גם בתחומים אחרים של מדידת מיקרופורס.
המגע בין droplet לבין משטח סופר-הידרופובי נפוץ מאוד בחיי היומיום והייצור התעשייתי: טיפות מים הזזה ממשטח של עלה לוטוס1,2, ומעבר המים נע במהירות על פני המים3 ,4,5,6. ציפוי סופר הידרופובי על פני השטח החיצוני של הספינה יכול לעזור להפחית את הרמה קורוזיה של הספינה ולהפחית את ההתנגדות של הניווט7,8,9,10. יש תמורה מצוינת לייצור תעשייתי ולחקר הביניקס בלימוד תהליך המגע בין droplet לבין משטח סופר-הידרופובי.
כדי להתבונן בתהליך התפשטות של טיפות על משטח מוצק, Biance השתמשו במצלמה במהירות גבוהה כדי לצלם את תהליך המגע ומצא כי המשך של המשטר האינרציה נקבע בעיקר על ידי גודל הירידה11. אדינגטון צילם את תהליך המגע בין ה-droplet לבין הצלחת השקופה מלמטה ומהצד באמצעות מצלמה במהירות גבוהה, שחשפה באופן מקיף את הווריאציה של רדיוס המגע של ה-droplet הצמיגי עם הזמן12. פאולסן בשילוב שיטה חשמלית עם תצפית במהירות גבוהה מצלמה, ובכך לצמצם את זמן התגובה ל 10 ns13,14.
מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) שימש גם כדי למדוד את כוח האינטראקציה בין droplet/בועה ומשטחים מוצקים. ואלסקי השתמשו בזיז afm כדי למדוד את כוחות האינטראקציה בין שתי בועות קטנות (כ 80-140 μm) בתמיסה מימית במהלך התנגשויות מבוקרת על הסקאלה של מיקרומטר כדי ננומטר15. שי השתמש בשילוב של AFM והשתקפות הפרעות חדות מיקרוסקופ (RICM) כדי למדוד בו את כוח האינטראקציה ואת האבולוציה הטמפורלית של הסרט מים דקים בין בועת אוויר משטחי נציץ של הידרופוטניטי שונים 16,17.
עם זאת, מאז התלויה מסחרי המשמש AFM הם קטנים מדי, ספוט לייזר הקרינה על הזיז יהיה שקוע על ידי טיפות או בועות. AFM יש קשיים במדידת כוח האינטראקציה בין טיפות טיפות/מצעים באוויר.
במאמר זה, מערכת המדידה המבוססת על שיטת מנוף אופטי נועד למדוד את כוח האינטראקציה בין טיפות ומצעים סופר הידרופובי. רגישות הכוח של המנוף האופטי (SOL) מכויל על ידי כוח אלקטרוסטטי18, ואז כוחות האינטראקציה בין טיפות ומצעים שונים סופר הידרופובי נמדדים על ידי מערכת המדידה.
התרשים הסכמטי של מערכת המדידה מוצג באיור 1. הלייזר ומיקום הגלאי הרגיש (PSD) מהווים את מערכת המנוף האופטי. שלוחה של סיליקון מילימטרית משמשת כמרכיב רגיש במערכת. המצע מתוקן על הבמה הנאנפאות, שיכולה לנוע בכיוון אנכי. כאשר המצע מתקרב ל-droplet, כוח האינטראקציה גורם לזיז להתכופף. כך, את המיקום של נקודת הלייזר על PSD ישתנה, ואת מתח הפלט של PSD ישתנה. מתח הפלט של PSD Vp פרופורציונלי לכוח האינטראקציה Fi, כפי שמוצג Eq. (1).
1
כדי להשיג את כוח האינטראקציה, יש לכייל את SOL תחילה. הכוח האלקטרוסטטי משמש ככוח סטנדרטי בכיול של SOL. כפי שמוצג באיור 2, הזיז והאלקטרודה מייצרים מקבל צלחת מקבילה, דבר העלול ליצור כוח אלקטרוסטטי בכיוון אנכי. ה- F הכוח האלקטרוסטטי נקבע על ידי מתח של ספק כוח DC Vs, כפי שמוצג Eq. (2)19,20,21.
2
כאשר C הוא הקיבוליות של קבל את הצלחת המקבילה, z הוא עקירה של סוף ללא זיז, ו dC/dz נקרא מעבר קיבול. הקיבוליות יכולה להיות נמדדת על ידי גשר הקיבוליות. היחסים המתמטיים בין C ו- z יכולים להיות מצוידים בפולינום ריבועי, כפי שניתן לראות ב Eq. (3).
3
כאשר Q, P ו-CT הם המקדמים של המונח הריבועי, המונח העיקרי והמונח הקבוע בהתאמה. לפיכך, הכוח האלקטרוסטטי של F יכול להתבטא כ Eq. (4).
4
כיוון שאזור החפיפה של שתי צלחות של הקבל הוא קטן מאוד, הכוח האלסטי שפעל על הזיז יכול להתבטא כ Eq. (5), לפי חוק ההוק:
(5)
כאשר k הוא הקשיות של הזיז.
כאשר הכוח האלסטי והכוח האלקטרוסטטי מוחלים על הזיז שווים (כלומר, fi = f), הזיז נמצא בשיווי משקל. Eq. (6) יכול להיות נגזר של Eqs. (1), (2) ו-(5):
6
כדי להקטין את אי-הוודאות של תוצאות כיול, שיטת ההפרש משמשת לחישוב SOL. התוצאות של שני ניסויים נלקחים כמו Vs1, vP1 ו-vs2, vp2, ו הם הוחלף Eq. (6):
7
שינוי המשוואות והפחתת המשוואה התחתונה מהמשוואה העליונה ב Eq. (7), הפרמטרים Q ו- k מסולקים. אז נוסחת הכיול של SOL מתקבלת, כפי שמוצג Eq. (8):
8
ביצוע סדרה של ניסויים, העקומה מצויר עם P (1/vp1-1/vp2) כמו מתאם ו 2 (1/vs12-1/vs22) כמו abscissa. השיפוע של העקומה הוא SOL.
לאחר קבלת SOL, האלקטרודה יוחלפו על ידי שונים מצעים סופר הידרופובי. כוחות האינטראקציה בין טיפות ומצעים סופר-הידרופובי יימדדו על ידי המערכת המוצגת באיור 1.
בפרוטוקול זה, מערכת מדידה המבוססת על שיטת מנוף אופטי מורכב ומכויל, אשר נועד למדידת כוח האינטראקציה בין טיפות ומצעים סופר הידרופובי. בין כל השלבים, חשוב לכייל את SOL באמצעות כוח אלקטרוסטטי. תוצאות ניסוי הכיול מאמתים Eq (8): P (1/vp1-1/vp2) פרופורציונלי ל-2 (1/vs12</…
The authors have nothing to disclose.
המחברים מודים לקרן המדע הטבעי טיינג’ין (No. 18JCQJC04800), קרן המדע הטריבונולוגיה של מעבדת מפתח המדינה של טריבונולוגיה (No. SKLTKF17B18) והקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (גרנט No. 51805367) על תמיכתם.
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. |