यह प्रोटोकॉल तरल ड्रॉप प्रभावों की प्रायोगिक उच्च गति छवियों के कुशल संग्रह और बैचों में उन डेटा का त्वरित विश्लेषण करने में सक्षम बनाता है। इन प्रक्रियाओं को कारगर बनाने के लिए, विधि में वर्णन किया गया है कि तंत्र को कैसे जांचना और स्थापित किया जाए, एक उपयुक्त डेटा संरचना उत्पन्न की जाए और एक छवि विश्लेषण लिपि तैनात की जाए।
सतहों पर तरल ड्रॉप प्रभावों के प्रायोगिक अध्ययन अक्सर भौतिक गुणों, प्रभाव स्थितियों और प्रायोगिक विन्यास जैसे संभावित प्रयोगात्मक मापदंडों की बड़ी श्रृंखला के कारण उनके दायरे में प्रतिबंधित होते हैं। इसे जटिल करते हुए, ड्रॉप प्रभावों का अक्सर डेटा-समृद्ध उच्च-गति फोटोग्राफी का उपयोग करके अध्ययन किया जाता है, ताकि विस्तृत और समय पर कई प्रयोगों का विश्लेषण करना मुश्किल हो। इस विधि का उद्देश्य व्यवस्थित दृष्टिकोण का उपयोग करके उच्च गति फोटोग्राफी के साथ बूंद प्रभावों के कुशल अध्ययन को सक्षम करना है। उपकरण को उन वीडियो का उत्पादन करने के लिए गठबंधन और कैलिब्रेट किया जाता है जिन्हें कस्टम इमेज प्रोसेसिंग कोड द्वारा सटीक रूप से संसाधित किया जा सकता है। इसके अलावा, यहां वर्णित फाइल संरचना सेटअप और कार्यप्रवाह डेटा प्रसंस्करण की दक्षता और स्पष्ट संगठन सुनिश्चित करते हैं, जो शोधकर्ता अभी भी प्रयोगशाला में है। इमेज प्रोसेसिंग विधि वीडियो के प्रत्येक फ्रेम में प्रभावित बूंद की डिजिटाइज्ड रूपरेखा निकालती है, और आवश्यक के रूप में आगे विश्लेषण के लिए प्रसंस्कृत डेटा संग्रहीत किया जाता है। प्रोटोकॉल मानता है कि एक बूंद गुरुत्वाकर्षण के तहत खड़ी जारी की जाती है, और प्रभाव छायालेख का उपयोग कर प्रकाशित ड्रॉप के साथ साइड-ऑन से कैमरे को देखने द्वारा दर्ज किया जाता है। उच्च गति की घटनाओं के छवि विश्लेषण से जुड़े कई समान प्रयोगों प्रोटोकॉल और इस्तेमाल उपकरणों के लिए मामूली समायोजन के साथ संबोधित किया जा सकता है ।
सतहों पर तरल बूंद प्रभाव मौलिक घटनाओंको समझने के लिए और औद्योगिक प्रक्रियाओं के लिएदोनोंके लिए बहुत रुचि रखते हैं । ड्रॉप प्रभावों का अध्ययन 100 से अधिक वर्षों से किया गयाहै,लेकिन कई पहलुओं की अभी पूरी तरह से जांच की जानी है। ड्रॉप प्रभावों के अध्ययन के लिए उच्च गति फोटोग्राफी लगभग सार्वभौमिक रूप से उपयोग की जाती है4 क्योंकि यह समृद्ध, सुलभ डेटा प्रदान करता है जो विश्लेषणात्मक माप को अच्छे समय के समाधान के साथ बनाने में सक्षम बनाता है। एक ठोस सतह5,6,7 पर एक बूंद प्रभाव के परिणाम सरल जमाव से लेकर8तक होते हैं । सुपरहाइड्रोफोबिक सतहों पर प्रभावों का अक्सर अध्ययन किया जाता है क्योंकि वे विशेष रूप से दिलचस्प परिणाम उत्पन्न कर सकते हैं, जिसमें ड्रॉप उछलना9,10,11,12शामिल है। यहां वर्णित प्रोटोकॉल माइक्रोस्केल पैटर्निंग के साथ बहुलक सतहों पर पानी की बूंद प्रभावों का अध्ययन करने के लिए विकसित किया गया था, और विशेष रूप से ड्रॉप प्रभाव परिणामों पर पैटर्न का प्रभाव13,14।
एक बूंद प्रभाव प्रयोग का परिणाम संभावित चर की एक बड़ी श्रृंखला से प्रभावित हो सकता है। घनत्व, सतह तनाव और चिपचिपाहट जैसे तरल गुणों के साथ-साथ बूंद का आकार और वेग भिन्न हो सकता है। ड्रॉप या तो न्यूटोनियन15 या गैर-न्यूटोनियन16हो सकता है । प्रभाव सतहों की एक बड़ी विविधता का अध्ययन किया गया है, जिसमें तरल7,17,ठोस18और लोचदार19 सतहें शामिल हैं। विभिन्न संभावित प्रयोगात्मक विन्यास पहले लगाम एट अल17द्वारा वर्णित किए गए थे। बूंद अलग-अलग आकार ले सकती है। यह सतह के कोण पर दोलन, घूर्णन या प्रभाव हो सकता है। सतह की बनावट, और तापमान जैसे पर्यावरणीय कारक भिन्न हो सकते हैं। ये सभी पैरामीटर बूंद प्रभावों के क्षेत्र को बेहद व्यापक बनाते हैं।
चर की इस बड़ी रेंज के कारण, गतिशील तरल गीला घटना के अध्ययन अक्सर अपेक्षाकृत विशिष्ट या संकीर्ण विषयों पर ध्यान केंद्रित करने के लिए सीमित हैं । ऐसी कई जांचमैन्युअल रूप से संसाधित उच्च गति वाले वीडियो10,20,21,22से प्राप्त प्रयोगों (जैसे, 50−200 डेटा अंक) की मध्यम संख्या का उपयोग करती हैं। इस तरह के अध्ययनों की चौड़ाई डेटा की मात्रा से सीमित है जो शोधकर्ता द्वारा उचित समय में प्राप्त किया जा सकता है। वीडियो की मैन्युअल प्रसंस्करण के लिए उपयोगकर्ता को दोहराव वाले कार्यकरने की आवश्यकता होती है, जैसे कि प्रभावित बूंदों के व्यास को मापना, अक्सर छवि विश्लेषण सॉफ्टवेयर के उपयोग के साथ हासिल किया जाता है (फिजी23 और ट्रैकर24 लोकप्रिय विकल्प हैं)। बूंद प्रभावों की विशेषता के लिए सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वालामाप25, 26,27,28की फैलती बूंद का व्यास है ।
छवि प्रसंस्करण में सुधार के कारण, स्वचालित कंप्यूटर-सहायता प्राप्त विधियां डेटा संग्रह दक्षता में सुधार करना शुरू कर रही हैं। उदाहरण के लिए, संपर्क कोण29 के स्वचालित माप के लिए छवि विश्लेषण एल्गोरिदम और लटकन ड्रॉप विधि30 का उपयोग कर सतह तनाव अब उपलब्ध हैं । ड्रॉप प्रभावों की उच्च गति फोटोग्राफी के लिए बहुत अधिक दक्षता लाभ बनाया जा सकता है, जो विश्लेषण के लिए कई व्यक्तिगत छवियों से मिलकर फिल्मों का उत्पादन करता है, और वास्तव में हाल के कुछ अध्ययनों ने स्वचालित विश्लेषण15,18का उपयोग करना शुरू कर दिया है, हालांकि प्रायोगिक कार्यप्रवाह स्पष्ट रूप से नहीं बदला है। ड्रॉप प्रभाव प्रयोगों के लिए प्रयोगात्मक डिजाइन में अन्य सुधार वाणिज्यिक रूप से उपलब्ध एलईडी प्रकाश स्रोतों में प्रगति से उत्पन्न हुए हैं, जिन्हें शैडोग्राफ तकनीक31,32,33,34के माध्यम से उच्च गति वाले कैमरों के साथ जोड़ा जा सकता है।
यह लेख ड्रॉप प्रभाव फिल्मों के कैप्चर और विश्लेषण के लिए एक मानकीकृत विधि का वर्णन करता है। प्राथमिक उद्देश्य बड़े डेटा सेट के कुशल संग्रह को सक्षम करना है, जो आम तौर पर ऊपर वर्णित ड्रॉप प्रभाव अध्ययनों की विस्तृत विविधता के लिए उपयोगी होना चाहिए। इस विधि का उपयोग करके, एक दिन में ~ 100 प्रयोगों के लिए प्रभावित ड्रॉप की समय-समाधान, डिजिटाइज्ड रूपरेखा प्राप्त की जा सकती है। विश्लेषण स्वचालित रूप से बूंद प्रभाव मापदंडों (आकार, वेग, वेबर और रेनॉल्ड्स संख्या) और अधिकतम प्रसार व्यास की गणना करता है। प्रोटोकॉल किसी भी बुनियादी बूंद मापदंडों (तरल, आकार, और प्रभाव वेग सहित), सब्सट्रेट सामग्री, या पर्यावरण ीय स्थितियों के लिए सीधे लागू होता है। अध्ययन है कि प्रयोगात्मक मापदंडों की एक बड़ी श्रृंखला स्कैन एक अपेक्षाकृत कम समय सीमा में आयोजित किया जा सकता है । विधि कई दोहराने वाले प्रयोगों के साथ चर की एक छोटी श्रृंखला को कवर करते हुए उच्च रिज़ॉल्यूशन अध्ययनों को भी प्रोत्साहित करती है।
इस विधि के लाभ मानकीकृत प्रयोग, और एक स्पष्ट डेटा संरचना और कार्यप्रवाह द्वारा प्रदान किए जाते हैं। प्रायोगिक सेटअप प्रयोग के तुरंत बाद रिकॉर्ड किए गए वीडियो के त्वरित प्रसंस्करण के लिए लगातार गुणों (स्थानिक और विपरीत) के साथ छवियों का उत्पादन करता है जिन्हें कस्टम छवि विश्लेषण कोड (मैटलैब पर चलने वाली पूरक कोडिंग फ़ाइल के रूप में शामिल) में पारित किया जा सकता है। डेटा प्रोसेसिंग और अधिग्रहण का एकीकरण डेटा संग्रह की बेहतर समग्र गति के लिए एक प्राथमिक कारण है। डेटा अधिग्रहण के सत्र के बाद, प्रत्येक वीडियो को संसाधित किया गया है और वीडियो के पुनर्प्रसंस्करण की आवश्यकता के बिना सभी प्रासंगिक कच्चे डेटा को आगे के विश्लेषण के लिए संग्रहीत किया जाता है। इसके अलावा, उपयोगकर्ता नेत्रहीन प्रत्येक प्रयोग की गुणवत्ता का निरीक्षण करने के तुरंत बाद इसे किया जाता है और यदि आवश्यक हो तो प्रयोग दोहरा सकता है। एक प्रारंभिक अंशांकन चरण यह सुनिश्चित करता है कि प्रायोगिक सेटअप को अच्छी सटीकता के साथ विभिन्न प्रयोगशाला सत्रों के बीच पुन: पेश किया जा सकता है।
यह माना जाता है कि इस विधि को लागू करने के लिए उपयोगकर्ता के पास एक उच्च गति वाले कैमरे तक पहुंच है ताकि यह क्षैतिज (साइड-ऑन) दृष्टिकोण से सतह की छवियां हो। कार्टेशियन कुल्हाड़ियों की परिभाषा सहित इस व्यवस्था का एक योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व चित्रा 1में दिखाया गया है। सिस्टम में तीन आयामों (एक्स, वाई और जेड) में कैमरा और नमूना दोनों को ठीक से स्थिति करने की क्षमता होनी चाहिए। बूंद को रोशन करने के लिए एक शैडोग्राफ विधि लागू की जाती है और कैमरे के ऑप्टिकल पथ के साथ रखा जाता है। सिस्टम को एक उच्च गुणवत्ता वाले प्रत्यक्ष वर्तमान (डीसी) एलईडी रोशनी प्रणाली (एक मिलान कंपाउंडर लेंस सहित) का उपयोग करना चाहिए जिसे कैमरे के साथ ऑप्टिकल पथ को संरेखित करने के लिए एक्स और जेड दिशाओं में स्थानांतरित किया जा सकता है। यह भी माना जाता है कि उपयोगकर्ता के पास एक सिरिंज पंप तक पहुंच है जिसे वे किसी विशेष सुई35से कनेक्ट होने पर वांछित मात्रा की व्यक्तिगत बूंदों का उत्पादन करने के लिए प्रोग्राम कर सकते हैं। बूंद गुरुत्वाकर्षण के नीचे आती है ताकि इसके प्रभाव वेग सतह के ऊपर सुई की स्थिति से नियंत्रित हो। यद्यपि यह सेटअप काफी सामान्य है, सामग्री की तालिका में प्रतिनिधि परिणाम प्राप्त करने के लिए उपयोग किए जाने वाले विशिष्ट उपकरणों को सूचीबद्ध किया गया है, और उपकरणों की पसंद द्वारा लगाए गए कुछ संभावित प्रतिबंधों को नोट किया जाता है।
चित्रा 1: न्यूनतम प्रयोगात्मक सेटअप का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व। एक उच्च गति कैमरा साइड-ऑन से एक नमूने पर खड़ी प्रभाव वाली छवि बूंदों के लिए तैनात है। एक एलईडी लाइट स्रोत छायालेख के लिए कैमरे की दृष्टि की रेखा के साथ गठबंधन किया है । एक सुई व्यक्तिगत बूंद उत्पादन के लिए प्रयोग किया जाता है, और कार्टेशियन कुल्हाड़ियों को परिभाषित किया जाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।
विधि विवरण तरल बूंदों के किनारों की माप पर केंद्रित है क्योंकि वे गिरते हैं और प्रभाव डालते हैं। छवियां आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले साइड-ऑन दृष्टिकोण से प्राप्त की जाती हैं। दो हाई स्पीड कैमरों13,14का उपयोग करके साइड-ऑन और बॉटम-अप दोनों दृश्यों से बूंदों को फैलाने की जांच करना संभव है, लेकिन अपारदर्शी सामग्रियों के लिए बॉटम-अप दृश्य संभव नहीं है, और एक ऊपर-नीचे दृश्य संरेखण जटिलताओं का उत्पादन करता है। बुनियादी कार्यप्रवाह का उपयोग सतहों को प्रभावित करने वाली किसी भी छोटी (2−3 मिमी व्यास) वस्तुओं के लिए अनुसंधान में सुधार करने के लिए किया जा सकता है, और इसका उपयोग आगे मामूली परिवर्तनों के साथ बड़ी या छोटी वस्तुओं के लिए किया जा सकता है। प्रायोगिक सेटअप और विधि में सुधार और विकल्प चर्चा अनुभाग में आगे माना जाता है।
यह विधि सिस्टम के कई हिस्सों की स्थिति और संरेखण के नियंत्रण पर निर्भर करती है। इस विधि का उपयोग करने के लिए एक न्यूनतम आवश्यकता नमूना, कैमरा और रोशनी एलईडी संरेखित करने की क्षमता है। कैमरा सेंसर के लिए प्रकाश स्रोत का गलत संरेखण एक आम मुद्दा है। यदि प्रकाश पथ एक कोण पर कैमरे में प्रवेश करता है, अवांछित कलाकृतियों का उत्पादन कर रहे है और छवि प्रसंस्करण में बाधा । उपयोगकर्ता को एलईडी और कैमरा सेंसर के बीच एक लगभग सही क्षैतिज रोशनी पथ प्राप्त करने का लक्ष्य रखना चाहिए। सटीक पोजिशनिंग नियंत्रण (जैसे, माइक्रोमीटर चरण) विधि के इस पहलू के लिए सहायक होते हैं।
लेंस का चुनाव प्रयोग के लिए आवश्यक एफओवी पर निर्भर है। यद्यपि आमतौर पर उपलब्ध वेरिएबल ज़ूम लेंस सिस्टम को फ्लाई पर अनुकूलित करने की अनुमति देते हैं, वे अक्सर अन्य मुद्दों से पीड़ित होते हैं। वेरिएबल ज़ूम लेंस का उपयोग करते हैं, तो उपयोगकर्ता को यह सुनिश्चित करना होगा कि प्रयोगों के बैच के दौरान कुल आवर्धन नहीं बदलता है (एक बार सिस्टम कैलिब्रेट होने के बाद, प्रोटोकॉल सेक्शन 1)। फिक्स्ड आवर्धन लेंस का उपयोग करके इस समस्या से बचा जा सकता है। आवर्धन तय होने के साथ, नमूने के सापेक्ष कैमरे को स्थानांतरित करके किसी भी प्रकार के लेंस के फोकल प्लेन की स्थिति को बदला जा सकता है।
सिस्टम को संरेखित करते समय नमूनों की जांच की जानी चाहिए उसी मोटाई के खाली नमूने का उपयोग करने की सलाह दी जाती है। यह प्रयोगों से पहले ब्याज के नमूनों को क्षतिग्रस्त या गीला होने से रोकता है। यदि प्रयोगों के एक बैच के दौरान नमूना मोटाई बदलता है, तो सिस्टम को जेड दिशा में फिर से संगठित करने की आवश्यकता है।
हालांकि आवश्यक नहीं है, कंप्यूटर नियंत्रित सुई स्थिति प्रणाली के अलावा काफी गति और विधि के संकल्प में वृद्धि कर सकते हैं । आमतौर पर उपलब्ध स्टेपपर मोटर रेल सिस्टम का उपयोग किया जा सकता है जो माइक्रोमीटर सटीकता के साथ सुई की स्थिति के लिए अनुमति देते हैं। सुई का डिजिटल नियंत्रण भी उपयोगकर्ता को अधिक सटीकता के साथ सतह के सापेक्ष ऊंचाई को शून्य करने की अनुमति देता है। यह अतिरिक्त कदम यह सुनिश्चित करता है कि एक नई प्रयोगशाला सत्र की शुरुआत में प्रायोगिक सेटअप को सही ढंग से बहाल किया जा सकता है।
यह सलाह दी जाती है कि उपयोगकर्ता हाई-स्पीड कैमरे के लिए नियंत्रण सॉफ्टवेयर का उपयोग करना सीखता है। अधिकांश आधुनिक सिस्टम एक छवि ट्रिगर का उपयोग कर सकते हैं। यह विधि परिवर्तनके लिए एफओवी के क्षेत्र की निगरानी के लिए कैमरे के आंतरिक हाई-स्पीड इलेक्ट्रॉनिक्स का उपयोग करती है। यदि सावधानी से कैलिब्रेट किया जाता है, तो इसका उपयोग कैमरे को स्वचालित रूप से ट्रिगर करने के लिए किया जा सकता है क्योंकि बूंद सतह को प्रभावित करती है। यह विधि वीडियो रिकॉर्ड होने के बाद फसल के लिए वीडियो के सही फ्रेम खोजने में बिताए गए समय को कम कर देता है।
दिशात्मक रूप से निर्भर घटनाओं के विश्लेषण के लिए एक से अधिक कैमरे का उपयोग करने के लिए इस विधि का विस्तार किया जा सकता है। कई कैमरों का उपयोग करते हैं, तो यह सलाह दी जाती है कि उपयोगकर्ता हार्डवेयर ट्रिगर और सिंकिंग का उपयोग करता है। अधिकांश हाई-स्पीड कैमरा सिस्टम एक ही फ्रेम दर पर रिकॉर्ड करने के लिए कई कैमरों के सिंकिंग की अनुमति देते हैं। एक साझा हार्डवेयर ट्रिगर (जैसे, ट्रांजिस्टर-ट्रांजिस्टर तर्क [टीटीएल] पल्स) का उपयोग करके, उपयोगकर्ता एक ही प्रयोग के एक साथ विचारों को रिकॉर्ड कर सकता है। इस विधि को दो अलग-अलग आवर्धन पर एक ही घटना को रिकॉर्ड करने के लिए आगे अनुकूलित किया जा सकता है।
इस प्रोटोकॉल का उद्देश्य सतहों को प्रभावित करने वाली बूंदों के लिए उच्च गति वाले वीडियो डेटा के तेजी से संग्रह और प्रसंस्करण को सक्षम करना है। जैसा कि प्रदर्शन किया गया है, यह प्रभाव स्थितियों की एक श्रृंखला पर बहुमुखी है। विश्लेषण कोड में अपेक्षाकृत मामूली परिवर्तन के साथ, इसे आगे डेटा (जैसे, समय निर्भरता और छिड़काव प्रोफाइल) प्रदान करने या विभिन्न प्रभाव ज्यामिति का अध्ययन करने के लिए बढ़ाया जा सकता है। इसके अलावा सुधार ों में ब्याज के प्रमुख फ्रेम को शामिल करने के लिए वीडियो की स्वचालित फसल शामिल हो सकती है। सुई ऊंचाई के स्वचालन के साथ यह कदम, बैच वीडियो को पूरी तरह से स्वचालित फैशन में एकत्र करने की अनुमति देगा, केवल उपयोगकर्ता को प्रभावों के बीच नमूना बदलने की आवश्यकता होगी।
The authors have nothing to disclose.
इस काम को न्यूजीलैंड की रॉयल सोसायटी द्वारा प्रशासित मार्सडन फंड द्वारा समर्थित किया गया था।
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. |