Optik kol metodu ile bir damlacık ile süper hidrofobik substrat arasındaki etkileşim gücünü ölçme
Summary
Protokol, havada bulunan damlacıklar ve süper hidrofobik substratlar arasındaki etkileşimi araştırmayı amaçlamaktadır. Bu, ölçüm sistemini kalibre etmek ve farklı ızgara fraksiyonları ile süper hidrofobik substratlar etkileşim gücünü ölçmek içerir.
Abstract
Bu makalenin amacı, havada damlacıklar ve süper hidrofobik substratlar arasındaki etkileşim gücünü araştırmaktır. Optik kol yöntemine dayanan bir ölçüm sistemi tasarlanmıştır. Milimetre konsol, ölçüm sisteminde kuvvet duyarlı bir bileşen olarak kullanılır. Öncelikle, optik kolun kuvvet duyarlılığı, etkileşim gücünün ölçülmesi açısından kritik bir adım olan Elektrostatik kuvvet kullanılarak kalibre edilir. İkincisi, nanopartiküller ve bakır Izgaralar ile farklı ızgara fraksiyonları ile üç süper hidrofobik substrat hazırlanır. Son olarak, farklı ızgara fraksiyonları ile damlacıklar ve süper hidrofobik substratlar arasındaki etkileşim güçleri sistem tarafından ölçülür. Bu yöntem, nanonewton ölçeği üzerinde bir çözünürlük ile sub-micronewton ölçeği üzerinde kuvvet ölçmek için kullanılabilir. Damlacıklar ve süper hidrofobik yapıların temas sürecinin derinlemesine çalışması, kaplama, film ve baskıda üretim verimliliğini artırmaya yardımcı olabilir. Bu yazıda tasarlanan Kuvvet ölçüm sistemi, mikrokuvvet ölçümünün diğer alanlarında da kullanılabilir.
Introduction
Bir damlacık ve süper hidrofobik yüzey arasındaki temas günlük yaşam ve endüstriyel üretimde çok yaygındır: Lotus Leaf1,2yüzeyinden kayar su damlacıkları ve su üzerinde hızla seyahat su Strider3 ,4,5,6. Bir geminin dış yüzeyinde süper hidrofobik kaplama, geminin korozyon derecesini azaltmaya ve navigasyon7,8,9,10direncini azaltmanıza yardımcı olabilir. Bir damlacık ile süper hidrofobik yüzey arasındaki temas sürecini inceleyerek endüstriyel üretim ve biyonik araştırmalar için büyük değer vardır.
Katı bir yüzeyde damlacıklar yayılma sürecini gözlemlemek için, Biance iletişim sürecini fotoğraf için yüksek hızlı bir kamera kullandı ve atalet rejimi süresinin ağırlıklı olarak damla boyutu11ile sabit olduğunu bulundu. Eddi bir yüksek hızlı kamera kullanarak damlacık ve şeffaf plaka arasındaki temas sürecini fotoğrafladı, hangi kapsamlı zaman12ile viskoz damlacık temas yarıçapı varyasyonu ortaya. Paulsen yüksek hızlı kamera gözlem ile bir elektrik yöntemi kombine, böylece 10 ns13,14yanıt süresini azaltır.
Atom kuvveti mikroskopisi (AFM) aynı zamanda damlacık/kabarcık ve katı yüzeyler arasındaki etkileşim gücünü ölçmek için de kullanılmıştır. Vakarelski, mikrometre ölçeği üzerinde kontrollü çarpışmalar sırasında 2 küçük kabarcıklar (yaklaşık 80-140 μm) arasındaki etkileşim güçlerini ölçmek için bir AFM konsol kullanılmış nanometreler15. Shi aynı anda etkileşim kuvveti ve farklı hidrophobicity bir hava balonu ve Mika yüzeyleri arasında ince su filmin zamanmekansal evrim ölçmek için AFM ve yansıma girişim kontrast mikroskopisi (ricm) bir kombinasyonu kullandı 16,17.
Ancak, AFM kullanılan ticari atölyeler çok küçük olduğundan, konsol üzerinde ışınlanmış lazer spot damlacıklar veya kabarcıklar tarafından batık olacaktır. AFM, havada damlacıklar ve damlacıklar/substratlar arasındaki etkileşim gücünün ölçülmesi konusunda zorluklara sahiptir.
Bu yazıda, optik kol yöntemine dayanan bir ölçüm sistemi, damlacıklar ile süper hidrofobik substratlar arasındaki etkileşim gücünü ölçmek için tasarlanmıştır. Optik kolu (Sol) kuvvet hassasiyeti elektrostatik kuvvet18ile kalibre edilir ve sonra damlacıklar ve farklı süper hidrofobik substratlar arasındaki etkileşim güçleri ölçüm sistemi ile ölçülür.
Ölçüm sisteminin şematik şeması Şekil 1‘ de gösterilir. Lazer ve pozisyon duyarlı dedektör (PSD) optik kolu sistemi oluşturur. Sistemde hassas bir bileşen olarak milimetrik silikon konsol kullanılır. Substrat, dikey yönde hareket edebilir Nanopositioning z-aşama üzerinde sabit. Substrat damlacık yaklaştığında, etkileşim kuvveti, konsol viraj neden olur. Böylece, PSD ‘de lazer noktanın konumu değişecek ve PSD ‘nin çıkış voltajı değişecek. PSD Vp ‘Nin çıkış voltajı, EQ ‘da gösterildiği gibi, etkileşim kuvveti Fıile orantılıdır (1).
1
Etkileşim gücünü elde etmek için, Sol ilk kalibre edilmelidir. Elektrostatik kuvvet, Solkalibrasyonunda standart kuvvet olarak kullanılır. Şekil 2‘ de gösterildiği gibi, konsol ve elektrot dikey yönde elektrostatik kuvvet üretebilir bir paralel plaka kondansatör, makyaj. Elektrostatik kuvvet F‘ler , EQ. (2)19,20,21‘ de gösterildiği gibi, DC güç kaynağı Vsvoltajı ile belirlenir.
2
C , paralel plaka kondansatörünün kapasitans olduğunu, z , konsol serbest ucunu yer değiştirmesi ve dC/dz kondansitance gradyan denir. Kapasitans, kapasitans Köprüsü ile ölçülmüştür. C ve z arasındaki matematiksel ilişki, EQ ‘da gösterildiği gibi, ikinci dereceden bir polinom ile monte edilebilir (3).
3
Burada Q, P ve CT ikinci dereceden terim, birincil terim ve sırasıyla sabit terim katsayıları vardır. Bu nedenle, elektrostatik kuvvet Fes EQ olarak ifade edilebilir (4).
4
Kondansatörün iki plakasının örtüşme alanı çok küçük olduğundan, konsol üzerinde hareket eden elastik kuvvet EQ olarak ifade edilebilir (5), Hooke kanununa göre:
5
Burada k , konsol sertliği.
Konsol üzerinde uygulanan elastik kuvvet ve elektrostatik kuvvet eşit olduğunda (örn. fi = fes), konsol denge içindedir. EQ. (6) EQS ‘den elde edilebilir. (1), (2) ve (5):
6
Kalibrasyon sonuçlarının belirsizliğini azaltmak için Solhesaplamak için bir fark yöntemi kullanılır. İki deneylerin sonuçları VS1, vP1 ve vS2, vP2olarak alınır ve EQ. (6) olarak değiştirilir:
7
Denklemleri dönüştürerek ve alt denklemin EQ ‘daki üst denklemden çıkartıldığı (7), Q ve k parametreleri ortadan kaldırılmıştır. Ardından, EQ ‘da gösterildiği gibi Sol ‘un kalibrasyon formülü elde edilir. (8):
8
Bir dizi deney gerçekleştirirken, eğri, Ordinat ve 2 (1/vS12-1/vS22) olarak abscissa olarak P (1/vP1-1/vP2) ile çizilir. Eğri eğim Sol.
Solaldıktan sonra, elektrot farklı süper-hidrofobik substratlar ile değiştirilir. Damlacıklar ile süper hidrofobik substratlar arasındaki etkileşim güçleri Şekil 1‘ de gösterilen sistem tarafından ölçülecektir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokolde, optik kol yöntemine dayanan bir ölçüm sistemi monte edilmiş ve kalibre edilmiş olup, damlacıklar ile süper hidrofobik substratlar arasındaki etkileşim gücünü ölçmek için tasarlanmıştır. Tüm adımlar arasında, Sol kullanarak elektrostatik kuvvet kalibre etmek önemlidir. Kalibrasyon denemenin sonuçları EQ. (8): P (1/vP1-1/vP2) 2 (1/vS12-1/vS22) ile orantılıdır ve bunun d…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar Tianjin doğal Bilim Vakfı (No. 18JCQNJC04800), Tribology devlet anahtar Laboratuvarı Tribology Bilim Fonu teşekkür ederiz (Hayır. SKLTKF17B18) ve Ulusal Doğal Bilim Vakfı Çin (Grant No. 51805367) onların destek için.
Materials
| 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. |
References
- Guo, Z., Liu, W. Biomimic from the superhydrophobic plant leaves in nature: Binary structure and unitary structure. Plant Science. 172 (6), 1103-1112 (2007).
- Koch, K., Bhushan, B., Barthlott, W. Diversity of structure, morphology and wetting of plant surfaces. Soft Matter. 4 (10), 1943-1963 (2008).
- Gao, X., Jiang, L. Biophysics: Water-repellent legs of water striders. Nature. 432 (7013), 36 (2004).
- Yin, W., Zheng, Y. L., Lu, H. Y. Three-dimensional topographies of water surface dimples formed by superhydrophobic water strider legs. Applied Physics Letters. 109 (16), 163701 (2016).
- Zheng, Y., et al. Elegant Shadow Making Tiny Force Visible for Water-Walking Arthropods and Updated Archimedes’ Principle. Langmuir. 32 (41), 10522-10528 (2016).
- Hu, D. L., Chan, B., Bush, J. W. M. The hydrodynamics of water strider locomotion. Nature. 424 (6949), 663-666 (2003).
- Jiang, C. G., Xin, S. C., Wu, C. W. Drag reduction of a miniature boat with superhydrophobic grille bottom. AIP Advances. 1 (3), 032148 (2011).
- Guo, Z., Liang, J., Fang, J., Guo, B., Liu, W. A Novel Approach to the Robust Ti6Al4V-Based Superhydrophobic Surface with Crater-like Structure. Advanced Engineering Materials. 9 (4), 316-321 (2007).
- Guo, Z., Liu, W., Su, B. A stable lotus-leaf-like water-repellent copper. Applied Physics Letters. 92 (6), 063104 (2008).
- Liu, K., Zhang, M., Zhai, J., Wang, J., Jiang, L. Bioinspired construction of Mg-Li alloys surfaces with stable superhydrophobicity and improved corrosion resistance. Applied Physics Letters. 92 (18), 61 (2008).
- Biance, A. L., Clanet, C., Quéré, D. First steps in the spreading of a liquid droplet. Physical Review E Statistical Nonlinear & Soft Matter Physics. 69 (1), 016301 (2004).
- Eddi, A., Winkels, K. G., Snoeijer, J. H. Short time dynamics of viscous drop spreading. Physics of Fluids. 25 (1), 77-177 (2017).
- Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence. Physical Review Letters. 106 (11), 114501 (2011).
- Paulsen, J. D. Approach and coalescence of liquid drops in air. Physical Review E. 88 (6), 063010 (2013).
- Vakarelski, I. U., et al. Bubble colloidal AFM probes formed from ultrasonically generated bubbles. Langmuir. 24 (3), 603-605 (2008).
- Shi, C., et al. Measuring forces and spatiotemporal evolution of thin water films between an air bubble and solid surfaces of different hydrophobicity. ACS Nano. 9 (1), 95-104 (2015).
- Shi, C., Chan, D. Y. C., Liu, Q., Zeng, H. Probing the Hydrophobic Interaction between Air Bubbles and Partially Hydrophobic Surfaces Using Atomic Force Microscopy. The Journal of Physical Chemistry C. 118 (43), 25000-25008 (2014).
- Chung, K., Shaw, G. A., Pratt, J. R. Accurate noncontact calibration of colloidal probe sensitivities in atomic force microscopy. Review of Scientific Instruments. 80 (6), 930 (2009).
- Zheng, Y., et al. Improving environmental noise suppression for micronewton force sensing based on electrostatic by injecting air damping. Review of Scientific Instruments. 85 (5), 055002 (2014).
- Song, L., et al. Highly sensitive, precise, and traceable measurement of force. Instrumentation Science & Technology. 44 (4), 15 (2016).
- Zheng, Y., et al. The multi-position calibration of the stiffness for atomic-force microscope cantilevers based on vibration. Measurement Science & Technology. 26 (5), 055001 (2012).
