Medindo a força de interação entre um droplet e um substrato super-hidrofóbico pelo método de alavanca óptica

O contato entre uma gota e uma superfície super-hidrofóbica é muito comum na vida diária e na produção industrial: gotas de água que deslizam da superfície da folha de lótus^1,2, e um Strider da água que viaja ràpida sobre a água^{3 ,4,5,6}. Um revestimento super-hidrofóbico na superfície exterior de um navio pode ajudar a reduzir o grau de corrosão do navio e reduzir a resistência da navegação^7,8,9,10. Há grande valor para a produção industrial e pesquisa biônica no estudo do processo de contato entre uma gota e uma superfície super hidrofóbica.

Para observar o processo de espalhamento de gotas em uma superfície sólida, Biance utilizou uma câmera de alta velocidade para fotografar o processo de contato e constatou que a duração do regime inercial é principalmente fixada pelo tamanho da gota¹¹. Eddi fotografou o processo de contato entre a gota e a placa transparente do fundo e do lado usando uma câmera de alta velocidade, que revelou de forma abrangente a variação do raio de contato da gota viscosa com o tempo¹². Paulsen combinou um método elétrico com observação de alta velocidade da câmera, assim reduzindo o tempo de resposta a 10 NS^13,14.

A microscopia de força atômica (AFM) também tem sido utilizada para medir a força de interação entre a gota/bolha e superfícies sólidas. Vakarelski utilizou um cantilever AFM para medir as forças de interação entre duas pequenas bolhas (aproximadamente 80-140 μm) em solução aquosa durante colisões controladas na escala de micrômetros a nanômetros¹⁵. Shi usou uma combinação de AFM e microscopia de contraste da interferência da reflexão (ricm) para medir simultaneamente a força da interação e a evolução armazenamento da película fina da água entre uma bolha de ar e superfícies de mica do hidrofobicidade ^{diferente 16,17}.

Entretanto, desde que os cantilever comerciais usados em AFM são demasiado pequenos, o ponto do laser irradiado no modilhão seria submergido por gotas ou por bolhas. O AFM tem dificuldades em medir a força de interação entre gotículas e gotas/substratos no ar.

Neste trabalho, um sistema de medição baseado em um método de alavanca óptica é projetado para medir a força de interação entre gotículas e substratos superhidrofóbicos. A sensibilidade de força da alavanca óptica (S_ol) é calibrada pela força eletrostática¹⁸e, em seguida, as forças de interação entre gotículas e diferentes substratos super-hidrofóbicos são medidos pelo sistema de medição.

O diagrama esquemático do sistema de medição é mostrado na Figura 1. O laser e o detector sensível da posição (PSD) constituem o sistema ótico da alavanca. Um modilhão de silício milimétrico é usado como um componente sensível no sistema. O substrato é fixado no estágio z de nanoposicionamento, que pode se mover na direção vertical. Quando o substrato se aproxima da gotículo, a força de interação faz com que o cantilever dobre. Assim, a posição do ponto do laser no PSD mudará, e a tensão da saída do PSD mudará. A tensão de saída do PSD V_p é proporcional à força de interação F_i, como mostrado em EQ. (1).

1

A fim de adquirir a força de interação, S_ol deve ser calibrado primeiro. A força eletrostática é usada como a força padrão na calibração de S_ol. Como mostrado na Figura 2, o cantilever e o eletrodo compõem um capacitor de placa paralela, que poderia gerar força eletrostática em uma direção vertical. A força eletrostática F_es é determinada pela tensão da fonte de alimentação CC V_s, como mostrado em EQ. (2)^19,20,21.

2

onde c é a capacitância do capacitor da placa paralela, z é o deslocamento da extremidade livre do cantilever, e dc/dz é chamado inclinação da capacitância. A capacitância pode ser medida pela ponte de capacitância. A relação matemática entre C e z pode ser ajustada por um polinômio quadrático, como mostrado em EQ. (3).

3

onde Q, P e TC são os coeficientes do termo quadrático, o termo primário e o termo constante, respectivamente. Portanto, a força eletrostática F_es pode ser expressa como EQ. (4).

4

Uma vez que a área de sobreposição de duas placas do capacitor é muito pequena, a força elástica agiu no cantilever pode ser expressa como EQ. (5), de acordo com a lei de Hooke:

5

onde k é a rigidez do cantilever.

Quando a força elástica e a força eletrostática aplicadas no cantilever são iguais (i.e., f_i = f_es), o cantilever está em equilíbrio. EQ. (6) pode ser derivado de EQs. (1), (2) e (5):

6

A fim de reduzir a incerteza dos resultados de calibração, um método de diferença é usado para calcular S_ol. Os resultados de dois experimentos são tomados como V_S1, v_P1 e v_S2, v_P2, e são substituídos em EQ. (6):

7

Transformando as equações e subtraindo a equação inferior da equação superior em EQ. (7), os parâmetros Q e k são eliminados. Em seguida, a fórmula de calibração de S_ol é obtida, como mostrado em EQ. (8):

8

Realizando uma série de experimentos, a curva é desenhada com P (1/v_P1-1/v_P2) como o ordenate e 2 (1/v_S1²-1/v_S2²) como o abscissa. A inclinação da curva é S_ol.

Após a obtenção de S_ol, o eletrodo será substituído por diferentes substratos super-hidrofóbicos. As forças de interação entre gotículas e substratos superhidrofóbicos serão mensuradas pelo sistema mostrado na Figura 1.