Misurazione della forza di interazione tra una goccia e un substrato super-idrofobico con il metodo della leva ottica

Il contatto tra una goccia e una superficie super-idrofobica è molto comune nella vita quotidiana e nella produzione industriale: goccioline d’acqua che scivolano dalla superficie della foglia di loto^1,2, e un pilota d’acqua che viaggia rapidamente sull’acqua^{3 ,4,5,6}. Un rivestimento super-idrofobico sulla superficie esterna di una nave può aiutare a ridurre il grado di corrosione della nave e ridurre la resistenza della navigazione^7,8,9,10. C’è un grande valore per la produzione industriale e la ricerca bionica nello studio del processo di contatto tra una goccia e una superficie super-idrofobica.

Per osservare il processo di diffusione delle goccioline su una superficie solida, Biance ha utilizzato una telecamera ad alta velocità per fotografare il processo di contatto e ha scoperto che la durata del regime inerziale è fissata principalmente dalla dimensione di goccia¹¹. Eddi ha fotografato il processo di contatto tra la goccia e la piastra trasparente dal basso e lateralmente utilizzando una fotocamera ad alta velocità, che ha rivelato in modo completo la variazione del raggio di contatto della goccia viscosa con il tempo¹². Paulsen ha combinato un metodo elettrico con l’osservazione della telecamera ad alta velocità, riducendo così il tempo di risposta a 10 ns^13,14.

La microscopia a forza atomica (AFM) è stata utilizzata anche per misurare la forza di interazione tra le superfici solide/goccia e goccia. Vakarelski ha utilizzato un aderitoa AFM per misurare le forze di interazione tra due piccole bolle (circa 80-140 m) in soluzione accolgocciata durante le collisioni controllate sulla scala dei micrometri ai nanometri¹⁵. Shi ha usato una combinazione di aFM e microscopia a contrasto di interferenza di riflessione (RICM) per misurare simultaneamente la forza di interazione e l’evoluzione spatiotemporale della pellicola d’acqua sottile tra una bolla d’aria e le superfici di mica di diversa idrofobicità ^16,17.

Tuttavia, poiché i sbalzi commerciali utilizzati nell’AFM sono troppo piccoli, la macchia laser irradiata sul sbalzo sarebbe sommersa da goccioline o bolle. L’AFM ha difficoltà a misurare la forza di interazione tra goccioline e goccioline/substrati nell’aria.

In questo documento, un sistema di misurazione basato su un metodo a leva ottica è progettato per misurare la forza di interazione tra goccioline e substrati super-idrofobici. La sensibilità alla forza della leva ottica (S_OL) è calibrata dalla forza elettrostatica^18,quindi le forze di interazione tra goccioline e diversi substrati super-idrofobici vengono misurate dal sistema di misurazione.

Il diagramma schematico del sistema di misurazione è illustrato nella Figura 1. Il rivelatore laser e sensibile alla posizione (PSD) costituisce il sistema a leva ottica. Uno sbalzo di silicio millimetrico viene utilizzato come componente sensibile nel sistema. Il substrato è fissato sullo stadio z nanopositioning, che può muoversi in direzione verticale. Quando il substrato si avvicina alla goccia, la forza di interazione fa piegare lo sbalzo. Così, la posizione del punto laser su PSD cambierà, e la tensione di uscita di PSD cambierà. La tensione di uscita di PSD V_p è proporzionale alla forza di interazione F_i, come mostrato in Eq. (1).

①

Per acquisire la forza di interazione, S_OL deve essere calibrato prima. La forza elettrostatica viene utilizzata come forza standard nella calibrazione di S_OL. Come mostrato nella Figura 2, il cantilever e l’elettrodo costituiscono un condensatore a piastra parallela, che potrebbe generare forza elettrostatica in direzione verticale. La forza elettrostatica F_es è determinata dalla tensione dell’alimentatore DC V_s, come mostrato in Eq. (2)^19,20,21.

②

dove C è la capacità del condensatore a piastra parallela, z è lo spostamento dell’estremità libera a sbalzo e dC/dz è chiamato gradiente di capacità. La capacità potrebbe essere misurata dal ponte di capacità. La relazione matematica tra C e z può essere adattata da un polinomio quadratico, come mostrato in Eq. (3).

③

dove Q, P e CT sono i coefficienti del termine quadratico, il termine primario e il termine costante rispettivamente. Pertanto, la forza elettrostatica F_es può essere espressa come Eq. (4).

④

Poiché l’area di sovrapposizione di due piastre del condensatore è molto piccola, la forza elastica che ha agito sul cantilever può essere espressa come Eq (5), secondo la legge di Hooke:

⑤

dove k è la rigidità del cantilever.

Quando la forza elastica e la forza elettrostatica applicata sul cantilever sono uguali (cioè., F_i – F_es), il cantilever è in equilibrio. Eq. (6) può essere derivato da Eqs. (1), (2) e (5):

⑥

Per ridurre l’incertezza dei risultati della calibrazione, viene utilizzato un metodo di differenza per calcolare S_OL. I risultati di due esperimenti sono presi come V_s1, V_p1 e V_s2, V_p2e vengono sostituiti in Eq. (6):

(7) Per quanto mi fa parte,

Trasformando le equazioni e sottraendo l’equazione inferiore dall’equazione superiore in Eq. (7), vengono eliminati i parametri Q e k. Quindi si ottiene la formula di calibrazione di S_OL, come mostrato in Eq. (8):

(8) Per quanto mi li ristol

Eseguendo una serie di esperimenti, la curva viene disegnata con P(1/V_p1-1/V_p2) come coordinata e 2(1/V_s1²-1/V_s2²) come abscissa. La pendenza della curva è S_OL.

Dopo aver ottenuto S_OL, l’elettrodo sarà sostituito da diversi substrati super-idrofobici. Le forze di interazione tra goccioline e substrati super-idrofobici saranno misurate dal sistema illustrato nella Figura 1.