ניתוח תפוקה גבוהה של השפעות של Droplet נוזלי
Summary
פרוטוקול זה מאפשר איסוף יעיל של תמונות במהירות גבוהה ניסיוני של השפעות ירידה נוזלית, ניתוח מהיר של נתונים אלה בקבוצות. כדי לייעל תהליכים אלה, השיטה מתארת כיצד לכייל ולהגדיר מכשירים, ליצור מבנה נתונים מתאים ולפרוס קובץ script לניתוח תמונה.
Abstract
מחקרים ניסיוניים של השפעות שחרור נוזלי על משטחים מוגבלים לעתים קרובות בהיקף שלהם בשל מגוון רחב של פרמטרים ניסיוניים אפשריים כגון תכונות החומר, תנאי ההשפעה, ותצורות ניסיוני. הרכבה זו, השפעות ירידה למדו לעתים קרובות באמצעות הצילום עשיר במהירות גבוהה, כך קשה לנתח ניסויים רבים באופן מפורט ובזמן. מטרת שיטה זו היא לאפשר מחקר יעיל של השפעות droplet עם צילום במהירות גבוהה באמצעות גישה שיטתית. הציוד מיושר ומכויל כדי להפיק סרטי וידאו שניתן לעבד באופן מדויק על-ידי קוד עיבוד תמונה מותאם אישית. יתר על כן, הגדרת מבנה הקובץ וזרימת העבודה המתוארים כאן להבטיח יעילות וארגון ברור של עיבוד נתונים, אשר מבוצעת בזמן החוקר עדיין במעבדה. שיטת עיבוד התמונה מחלצת את קווי המתאר הסרוקים של ה-droplet המשפיעה בכל אחת ממסגרות הווידאו, ונתונים מעובדים מאוחסנים לצורך ניתוח נוסף כנדרש. הפרוטוקול מניח כי droplet שוחרר אנכית תחת כוח הכבידה, וההשפעה מוקלטת על ידי מצלמה הצופה מהצד עם הירידה מואר באמצעות הדוגרפיה. ניסויים דומים רבים הכרוכים בניתוח תמונה של אירועים במהירות גבוהה יכול להיות ממוען עם התאמה משנית לפרוטוקול והציוד המשמש.
Introduction
השפעות שחרור נוזלי על משטחים הם עניין רב הן להבנת התופעות הבסיסיות1 ולתהליכים תעשייתיים2. השפעות ירידה נחקרו במשך מעל 100 שנים3, אבל היבטים רבים עדיין להיות נחקר לחלוטין. צילום במהירות גבוהה משמש כמעט אוניברסלי למחקרים של השפעות ירידה4 משום שהוא מספק עשיר, נתונים נגישים אשר מאפשר מדידות אנליטיות להתבצע עם פתרון זמן טוב. התוצאות של השפעת ירידה על משטח מוצק5,6,7 טווח מן התצהיר פשוטה דרך להתיז8. השפעות על משטחי סופרהידרופובי נלמדים לעתים קרובות כפי שהם יכולים ליצור תוצאות מעניינות במיוחד, כולל ירידה מקפצים9,10,11,12. הפרוטוקול המתואר כאן פותחה כדי לחקור השפעות המים על משטחים פולימריים עם מיקרוגוני מיקרו, ובמיוחד את ההשפעה של התבנית על ירידה תוצאות ההשפעה13,14.
תוצאת הניסוי של השפעת השחרור עלולה להיות מושפעת מטווח גדול של משתנים אפשריים. הגודל והמהירות של הירידה עשויים להשתנות, יחד עם תכונות הנוזלים כגון צפיפות, מתח פני השטח, צמיגות. הצניחה יכולה להיות בת15 או שאינה בעלת16מניוטוני. מגוון גדול של משטחי השפעה נחקרו, כולל נוזלי7,17, מוצק18, אלסטי19 משטחים. תצורות נסיוניות אפשריות שונות תוארו בעבר על ידי ריין ואח ‘17. ה-droplet יכול לקחת צורות שונות. זה יכול להיות נדנוד, סיבוב, או השפעה בזווית על פני השטח. מרקם פני השטח, וגורמים סביבתיים כגון טמפרטורה עשוי להשתנות. כל הפרמטרים הללו להפוך את השדה של השפעות droplet רחב מאוד.
בשל מגוון גדול של משתנים, מחקרים של תופעות להרטיב בנוזלים דינמיים מוגבלים לעתים קרובות להתמקד בנושאים ספציפיים או צרים יחסית. חקירות רבות כאלה משתמשות במספר מתון של ניסויים (לדוגמה, 50-200 נקודות נתונים) שהתקבלו מקטעי וידאו במהירות גבוהה שעובדו באופן ידני10,20,21,22. רוחב מחקרים כאלה מוגבל על ידי כמות הנתונים שניתן להשיג על ידי החוקר בפרק זמן סביר. עיבוד ידני של סרטי וידאו מחייב את המשתמש לבצע משימות חוזרות, כגון מדידת קוטר של טיפות, הושגו לעתים קרובות עם השימוש בתוכנת ניתוח תמונה (פיג’י23 ו-Tracker24 הן אפשרויות פופולריות). המדידה הנפוצה ביותר לאפיון השפעות שחרור היא הקוטר של ירידה מתפשטת25,26,27,28.
עקב שיפורים בעיבוד תמונה, שיטות אוטומטיות להפעלת מחשב מתחילות לשפר את יעילות איסוף הנתונים. לדוגמה, אלגוריתמים לניתוח תמונה למדידה אוטומטית של זווית מגע29 ומתח פני שטח באמצעות שיטת ירידה בתליון30 זמינים כעת. רווחי הרבה יותר יעילות ניתן לעשות עבור צילום במהירות גבוהה של השפעות ירידה, אשר מייצרת סרטים המורכב תמונות בודדות רבות לניתוח, ואכן כמה מחקרים שנעשו לאחרונה החלו להשתמש בניתוח אוטומטי15,18, למרות שזרימת העבודה ניסיוני לא השתנה בבירור. שיפורים אחרים בתכנון ניסיוני עבור ניסויים השפעת ירידה שהתעוררו התקדמויות מסחרית זמינים מקורות אור, אשר יכול להיות ביחד עם מצלמות במהירות גבוהה באמצעות טכניקת שדוגרפיה31,32,33,34.
מאמר זה מתאר שיטה סטנדרטית ללכידה וניתוח של סרטי השפעות שחרור. המטרה העיקרית היא לאפשר אוסף יעיל של ערכות נתונים גדולות, אשר צריך להיות שימושי בדרך כלל עבור מגוון רחב של מחקרים השפעת ירידה המתואר לעיל. באמצעות שיטה זו, החלוקה לרמות הסרוקים והאנלוגית של שחרור משפיעה עשויה להתקבל ל-~ 100 ניסויים ביום. הניתוח מחשב באופן אוטומטי את הפרמטרים של השפעת ה-droplet (גודל, מהירות, מספרי ובר וריינולדס) וקוטר ההתפשטות המקסימלי. הפרוטוקול מתאים באופן ישיר לכל פרמטרי droplet בסיסיים (כולל נוזל, גודל ומהירות השפעה), חומר מצע או תנאי סביבה. מחקרים הסורקים מגוון רחב של פרמטרים ניסיוניים יכולים להתבצע בפרק זמן קצר יחסית. השיטה מעודדת גם מחקרים ברזולוציה גבוהה, המכסים מגוון קטן של משתנים, עם ניסויים חוזרים מרובים.
היתרונות של שיטה זו מסופקים על-ידי הניסוי הסטנדרטי, ומבנה נתונים וזרימת עבודה ברורים. ההתקנה הניסיונית מייצרת תמונות עם מאפיינים עקביים (מרחבי וניגודיות) שניתן להעביר לקוד ניתוח תמונה מותאם אישית (כלול כקובץ קידוד משלים הפועל ב-MATLAB) לצורך עיבוד מהיר של קטעי וידאו מוקלטים מיד לאחר הניסוי. אינטגרציה של עיבוד נתונים ורכישה היא הסיבה העיקרית למהירות הכוללת המשופרת של איסוף הנתונים. לאחר הפעלת רכישת נתונים, כל וידאו מעובד וכל נתוני הגלם הרלוונטיים מאוחסנים לניתוח נוסף ללא צורך בעיבוד מחדש של הווידאו. יתר על כן, המשתמש יכול לבדוק חזותית את האיכות של כל ניסוי מיד לאחר שהוא מתבצע ולחזור על הניסוי במידת הצורך. שלב הכיול הראשוני מבטיח שניתן יהיה לשכפל את ההתקנה הניסיונית בין הפעלות מעבדה שונות בדיוק רב.
ההנחה היא כי כדי ליישם את השיטה הזאת יש למשתמש גישה למצלמה במהירות גבוהה מסודרים כך שהוא מצלם את פני השטח מנקודת מבט אופקית (בצד). ייצוג סכמטי של סידור זה מוצג באיור 1, כולל הגדרת צירים קרטזיות. על המערכת להיות בעלת היכולת למקם במדויק הן את המצלמה והן את המדגם בשלושה ממדים (X, Y ו-Z). שיטת שדוגרפיה מיושמת להאיר את ה-droplet וממוקמת לאורך הנתיב האופטי של המצלמה. המערכת צריכה להשתמש מערכת תאורה ישירה באיכות גבוהה (DC) LED (כולל עדשת ההזדווגות המכרה מקבל) כי ניתן להעביר בכיוונים X ו-Z כדי ליישר את הנתיב האופטי עם המצלמה. הוא גם הניח כי המשתמש יש גישה משאבת מזרק כי הם יכולים לתכנת לייצר טיפות בודדות של אמצעי האחסון הרצוי כאשר מחוברים מחט מסוימת35. The droplet נופל תחת הכבידה כך מהירות ההשפעה שלה נשלטת על ידי המיקום של המחט מעל פני השטח. למרות שהגדרה זו כללית למדי, רשימת החומרים מפרטת ציוד ספציפי המשמש לקבלת תוצאות הנציג, ומציינת כמה הגבלות פוטנציאליות המוטלות על ידי בחירת ציוד.
איור 1: ייצוג סכמטי של הכיוונון הניסיוני המינימלי. מצלמה במהירות גבוהה ממוקמת טיפות תמונה להשפיע אנכית על מדגם מהצד. מקור אור LED מיושר עם קו הראיה של המצלמה לצלליות. מחט משמשת להפקת droplet בודדים, וצירים קרטזית מוגדרים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
תיאור השיטה מתמקד במדידה של הקצוות של טיפות נוזלי כפי שהם נופלים והשפעה. תמונות מתקבלות מנקודת המבט הנפוצה לשימוש בצד. ניתן לחקור טיפות התפשטות משני התצוגות הצדדיות והתחתונות באמצעות שתי מצלמות מהירות גבוהה13,14, אבל התצוגה התחתונה-up אינה אפשרית עבור חומרים אטומים, ו-top-down התצוגה מייצרת סיבוכים יישור. ניתן להשתמש בזרימת העבודה הבסיסית כדי לשפר את המחקר לכל אחד מהאובייקטים הקטנים (בקוטר 2-3 מ”מ) המשפיעים על משטחים, וניתן להשתמש בו לאובייקטים גדולים או קטנים יותר עם שינויים משניים נוספים. שיפורים וחלופות לכיוונון ולשיטה הניסיוניים נחשבים לנוספים בסעיף הדיונים.
Protocol
Representative Results
Discussion
שיטה זו תלויה בשליטה על המיקום והיישור של מספר חלקים של המערכת. דרישה מינימלית לשימוש בשיטה זו היא היכולת ליישר את המדגם, המצלמה ונורית התאורה. יישור שגוי של מקור האור לחיישן המצלמה הוא בעיה נפוצה. אם נתיב האור נכנס למצלמה בזווית, חפצי אמנות לא רצויים מיוצרים ומפריעים לעיבוד התמונה. המשתמש צריך לכוון כדי להשיג נתיב התאורה האופקי מושלם כמעט בין ה-LED לבין חיישן המצלמה. בקרת מיצוב מדויקת (למשל, שלבי מיקרומטר) מועילים להיבט זה של השיטה.
בחירת העדשה תלויה ב-FOV הדרוש לניסוי. למרות שבדרך כלל זמין עדשות זום משתנה לאפשר למערכת להיות מותאם על לטוס, הם לעתים קרובות סובלים בעיות אחרות. אם משתמשים בעדשות זום משתנה, המשתמש חייב לוודא שההגדלה הכוללת אינה משתנה במהלך אצוות של ניסויים (לאחר כיול המערכת, מקטע פרוטוקול 1). בעיה זו ניתן להימנע באמצעות עדשות הגדלה קבועה. עם ההגדלה הקבועה, ניתן לשנות את מיקומו של המישור המוקד של כל אחד מסוגי העדשה על-ידי הזזת המצלמה ביחס למדגם.
בעת יישור המערכת מומלץ להשתמש במדגם ריק של עובי זהה כמו הדגימות כדי להיחקר. זה עוצר את דגימות העניין מלהיות ניזוק או רטוב לפני ניסויים. אם עובי המדגם משתנה במהלך אצוות של ניסויים, המערכת צריכה לינה בכיוון Z.
למרות שאין צורך, תוספת של מערכת מבוקרת מחשב מיצוב המחט יכול להגדיל את המהירות ואת הרזולוציה של השיטה. בדרך כלל זמין stepper מערכות רכבת מנוע ניתן להשתמש המאפשרים מיצוב של המחט עם דיוק מיקרומטר יקרומטר. השליטה הדיגיטלית של המחט מאפשרת גם למשתמש לאפס את הגובה יחסית למשטח בדיוק רב יותר. שלב נוסף זה מבטיח שניתן יהיה לשחזר במדויק את הכיוונון הנסיוני בתחילת הפעלת מעבדה חדשה.
מומלץ שהמשתמש ילמד להשתמש בתוכנת הבקרה של מצלמה במהירות גבוהה. רוב המערכות המודרניות יכולות להשתמש בגורם מפעיל של תמונה. שיטה זו משתמשת באלקטרוניקה הפנימית במהירות גבוהה של המצלמה כדי לפקח על אזור ב-FOV לצורך שינויים. אם מכויל בקפידה, ניתן להשתמש באפשרות זו כדי להפעיל את המצלמה באופן אוטומטי כמו ה-droplet משפיע על פני השטח. שיטה זו מקטינה את הזמן שהושקע במציאת המסגרות הנכונות של הווידאו לחיתוך לאחר הקלטת וידאו.
ניתן להרחיב שיטה זו כדי להשתמש ביותר ממצלמה אחת לניתוח של תופעות תלויות-מבחינה כיוון. אם אתה משתמש במספר מצלמות, מומלץ שהמשתמש ישתמש בחומרה בהפעלת ובסינכרון. רוב מערכות מצלמה במהירות גבוהה לאפשר סינכרון של מצלמות מרובות להקליט באותו קצב מסגרת. המשתמש משתמש בגורם מפעיל של חומרה משותפת (לדוגמה, הפולס של לוגיקה טרנזיסטור טרנזיסטור [TTL]), והוא יכול להקליט תצוגות בו של אותו ניסוי. שיטה זו יכולה להיות מותאמת עוד יותר כדי לתעד את אותו האירוע בשתי האצות שונות.
פרוטוקול זה נועד לאפשר איסוף ועיבוד מהירים של נתוני וידאו במהירות גבוהה עבור טיפות משטחים משפיעה. כפי שמתואר, זה רב-תכליתי על פני מגוון של תנאי השפעה. עם שינויים קלים יחסית לקוד ניתוח, זה יכול להיות מורחב כדי לספק נתונים נוספים (למשל, תלות בזמן ופרופילים מתיז) או ללמוד גיאומטריות השפעה שונה. שיפורים נוספים יכולים לכלול חיתוך אוטומטי של קטעי וידאו כדי לכלול את מסגרות המפתח של עניין. שלב זה, לצד אוטומציה של גובה המחט, יאפשר קטעי וידאו אצווה להיות נאסף באופן אוטומטי לחלוטין, רק דרישת המשתמש לשנות את המדגם בין השפעות.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכת על ידי קרן מרסדן, מנוהל על ידי החברה המלכותית של ניו זילנד.
Materials
| 24 gauge blunt tip needle | Sigma Aldrich | CAD7930 | |
| 4 x 4 mm alignment square (chrome on glass) | Made in-house using lithography. | ||
| 5 ml syringe | ~ | ~ | Should be compatible with syringe pump. Leur lock connectors join the syringe to the needle. |
| Aspheric condenser lens | Thor Labs | ACL5040U | Determines beam width, which should cover the field of view. |
| Cat 5e ethernet cable | ~ | ~ | A fast data connection between the high-speed camera and PC, suitable for Photron cameras. |
| Droplet impact analysis software | ~ | ~ | Provided as Supplementary Coding File. Outline data are stored in .mat files. Calculations are output as .csv files. |
| Front surface high-power LED | Luminus | CBT-40-G-C21-JE201 LED | Separate power supply should be DC to avoid flickering. |
| High-speed camera | Photron | Photron SA5 | Typically operated at ~10,000 fps for drop impacts. |
| High-speed camera software | Photron | Photron Fastcam Viewer | Protocol assumes camera has an end trigger; that movie files can be saved in .avi format, and screenshots in .tif format, to a designated folder; and that movies can be cropped. |
| Linear translation stages | Thor Labs | DTS25/M | Used to position the LED, sample and camera. |
| Macro F-mount camera lens | Nikon | Nikkor 105mm f/2.8 Lens | Choice of lens determines field of view. |
| PC running Matlab 2018b | Matlab | ~ | PC processing power and RAM can effect protocol speed and hence efficiency. |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) | Dow | SYLGARD™ 184 Silicone Elastomer | Substrates made using a 10:1 (monomer:cross-linker) ratio. |
| PTFE tubing | ~ | ~ | |
| Syringe pump | Pump Systems Inc | NE-1000 | Protocol assumes this can be set to dispense a specific volume. |
References
- Josserand, C., Thoroddsen, S. T. Drop impact on a solid surface. Annual Review of Fluid Mechanics. 48, 365-391 (2016).
- Van Dam, D. B., Le Clerc, C. Experimental study of the impact of an ink-jet printed droplet on a solid substrate. Physics of Fluids. 16, 3403-3414 (2004).
- Worthington, A. M. . A study of splashes. , (1908).
- Thoroddsen, S., Etoh, T., Takehara, K. High-speed imaging of drops and bubbles. Annual Review of Fluid Mechanics. 40, 257-285 (2008).
- Chandra, S., Avedisian, C. On the collision of a droplet with a solid surface. Proceedings of the Royal Society of London. Series A: Mathematical and Physical Sciences. 32 (1884), 13-41 (1991).
- Marengo, M., Antonini, C., Roisman, I. V., Tropea, C. Drop collisions with simple and complex surfaces. Current Opinion in Colloid and Interface Science. 16, 292-302 (2011).
- Yarin, A. L. Drop impact dynamics: Splashing, spreading, receding, bouncing. Annual Review of Fluid Mechanics. 38 (1), 159-192 (2006).
- Thoroddsen, S. T. The making of a splash. Journal of Fluid Mechanics. 690, 1-4 (2012).
- Bartolo, D., et al. Bouncing or sticky droplets: Impalement transitions on superhydrophobic micropatterned surfaces. Europhysics Letters. 74 (2), 299-305 (2006).
- Richard, D., Quéré, D. Bouncing water drops. Europhysics Letters. 50 (6), 769-775 (2000).
- Bird, J. C., Dhiman, R., Kwon, H. M., Varanasi, K. K. Reducing the contact time of a bouncing drop. Nature. 503, 385-388 (2013).
- Khojasteh, D., Kazerooni, M., Salarian, S., Kamali, R. Droplet impact on superhydrophobic surfaces: A review of recent developments. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 42, 1-14 (2016).
- Robson, S., Willmott, G. R. Asymmetries in the spread of drops impacting on hydrophobic micropillar arrays. Soft Matter. 12 (21), 4853-4865 (2016).
- Broom, M. . Imaging and Analysis of Water Drop Impacts on Microstructure Designs. , (2019).
- Lee, J. B., Derome, D., Guyer, R., Carmeliet, J. Modeling the maximum spreading of liquid droplets impacting wetting and nonwetting surfaces. Langmuir. 32 (5), 1299-1308 (2016).
- Laan, N., de Bruin, K. G., Bartolo, D., Josserand, C., Bonn, D. Maximum diameter of impacting liquid droplets. Physical Review Applied. 2 (4), 044018 (2014).
- Rein, M. Phenomena of liquid drop impact on solid and liquid surfaces. Fluid Dynamics Research. 12 (2), 61-93 (1993).
- Wang, M. J., Lin, F. H., Hung, Y. L., Lin, S. Y. Dynamic behaviors of droplet impact and spreading: Water on five different substrates. Langmuir. 25 (12), 6772-6780 (2009).
- Weisensee, P. B., Tian, J., Miljkovic, N., King, W. P. Water droplet impact on elastic superhydrophobic surfaces. Scientific Reports. 6, 30328 (2016).
- Xu, L., Zhang, W. W., Nagel, S. R. Drop splashing on a dry smooth surface. Physical Review Letters. 94 (18), 184505 (2005).
- Clanet, C., Béguin, C., Richard, D., Quéré, D. Maximal deformation of an impacting drop. Journal of Fluid Mechanics. 517, 199-208 (2004).
- Collings, E., Markworth, A., McCoy, J., Saunders, J. Splat-quench solidification of freely falling liquid-metal drops by impact on a planar substrate. Journal of Materials Science. 25 (8), 3677-3682 (1990).
- Schindelin, J., et al. Fiji: An open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
- . Tracker Video Analysis and Modeling Tool for Physics Education (software) Available from: https://physlets.org/tracker (2019)
- Bennett, T., Poulikakos, D. Splat-quench solidification: Estimating the maximum spreading of a droplet impacting a solid surface. Journal of Materials Science. 28 (4), 963-970 (1993).
- Rioboo, R., Marengo, M., Tropea, C. Time evolution of liquid drop impact onto solid, dry surfaces. Experiments in Fluids. 33 (1), 112-124 (2002).
- Ukiwe, C., Kwok, D. Y. On the maximum spreading diameter of impacting droplets on well-prepared solid surfaces. Langmuir. 21 (2), 666-673 (2005).
- Wildeman, S., Visser, C. W., Sun, C., Lohse, D. On the spreading of impacting drops. Journal of Fluid Mechanics. 805, 636-655 (2016).
- Biolè, D., Bertola, V. A goniometric mask to measure contact angles from digital images of liquid drops. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 467, 149-156 (2015).
- Daerr, A., Mogne, A. Pendent_Drop: An ImageJ plugin to measure the surface tension from an image of a pendent drop. Journal of Open Research Software. 4 (1), 3 (2016).
- Versluis, M. High-speed imaging in fluids. Experiments in Fluids. 54 (2), 1458 (2013).
- Rydblom, S., Thӧrnberg, B. Liquid water content and droplet sizing shadowgraph measuring system for wind turbine icing detection. IEEE Sensors Journal. 16 (8), 2714-2725 (2015).
- Castrejón-García, R., Castrejón-Pita, J., Martin, G., Hutchings, I. The shadowgraph imaging technique and its modern application to fluid jets and drops. Revista Mexicana de Física. 57 (3), 266-275 (2011).
- Castrejón-Pita, J. R., Castrejón-García, R., Hutchings, I. M., Klapp, J., Medina, A., Cros, A., Vargas, C. High speed shadowgraphy for the study of liquid drops. Fluid Dynamics in Physics, Engineering and Environmental Applications. , 121-137 (2013).
- Tripp, G. K., Good, K. L., Motta, M. J., Kass, P. H., Murphy, C. J. The effect of needle gauge, needle type, and needle orientation on the volume of a drop. Veterinary ophthalmology. 19 (1), 38-42 (2016).
- Hugli, H., Gonzalez, J. J. Drop volume measurements by vision. Machine Vision Applications in Industrial Inspection VIII. 3966, 60-67 (2000).
