Måling af interaktions kraften mellem et droplet og et super-Hydrofobisk substrat ved anvendelse af optisk lever metode
Summary
Protokollen har til formål at undersøge samspillet mellem dråber og super-hydrofobiske substrater i luften. Dette omfatter kalibrering af målesystemet og måling af interaktionen kraft på Super-hydrofobiske substrater med forskellige gitter fraktioner.
Abstract
Målet med dette papir er at undersøge samspillet mellem dråber og super-hydrofobiske substrater i luften. Et målesystem baseret på en optisk løftestang metode er konstrueret. En millimetrisk Canti håndtag bruges som en kraft følsom komponent i målesystemet. For det første er den kraft følsomhed af det optiske håndtag kalibreret ved hjælp af elektrostatisk kraft, som er det kritiske trin i målingen interaktion kraft. For det andet fremstilles tre super hydrofobiske substrater med forskellige gitter fraktioner med nanopartikler og kobber gitre. Endelig måles interaktions kræfterne mellem dråber og super hydrofobiske substrater med forskellige gitter fraktioner af systemet. Denne metode kan bruges til at måle kraften på skalaen af sub-micronewton med en opløsning på skalaen af nanonewton. Den dybtgående undersøgelse af kontakt processen af dråber og super-hydrofobe strukturer kan bidrage til at forbedre produktionseffektiviteten i belægning, film og trykning. Det kraft målingssystem, der er designet i dette papir, kan også anvendes inden for andre områder af mikrokraft måling.
Introduction
Kontakten mellem en dråbe og en super-Hydrofobisk overflade er meget almindelig i dagligdagen og industriel produktion: vanddråber glidende fra overfladen af Lotus Leaf1,2, og en vand strider rejser hurtigt over vandet3 ,4,5,6. En super-Hydrofobisk belægning på den udvendige overflade af et skib kan bidrage til at reducere korrosion grad af skibet og reducere modstanden i navigationen7,8,9,10. Der er stor værdi for industriel produktion og Bionics forskning i at studere kontakt processen mellem en dråbe og en super-Hydrofobisk overflade.
For at observere spredningsprocessen af dråber på en solid overflade, Biance brugte en højhastighedskamera til at fotografere kontakt processen og fandt, at varigheden af inerti regime er hovedsagelig fastsat af drop size11. EDDI fotograferede kontakt processen mellem dråbe og den transparente plade fra bunden og siden ved hjælp af et højhastighedskamera, som omfattende afslørede variationen af kontakt radius af den viskøse dråbe med tiden12. Paulsen kombinerede en elektrisk metode med high-speed kamera observation, hvilket reducerer responstid til 10 ns13,14.
Atomkraften mikroskopi (AFM) er også blevet anvendt til at måle samspillet kraft mellem dråbe/boble og faste overflader. Vakarelski brugte en AFM-Canti håndtag til at måle interaktions kræfterne mellem to små bobler (ca. 80-140 μm) i vandig opløsning under kontrollerede kollisioner på mikrometer skalaen til nanometer15. Shi brugte en kombination af AFM og refleksions-kontrast mikroskopi (RICM) til samtidig at måle interaktions kraften og den spatiale udvikling af den tynde vandfilm mellem en luftboble og glimmer overflader af forskellige hydrofobicitet 16,17.
Men da kommercielle Canti håndtag, der anvendes i AFM er for små, laser spot bestrålet på Canti armen ville blive nedsænket af dråber eller bobler. AFM har svært ved at måle interaktions kraften mellem dråber og dråber/substrater i luften.
I dette papir er et målesystem baseret på en optisk løftestang metode designet til at måle interaktions kraften mellem dråber og super-hydrofobiske substrater. Den optiske løftestang (SOL) er kalibreret med elektrostatisk kraft18, og derefter måles interaktions kræfterne mellem dråber og forskellige super hydrofobiske substrater af målesystemet.
Skematisk diagram over målesystemet er vist i figur 1. Laser og positions følsom detektor (PSD) udgør det optiske håndtag system. En millimetrisk silicium-Canti håndtag bruges som en følsom komponent i systemet. Substratet er fastgjort på nanoposiktionering z-fase, som kan bevæge sig i lodret retning. Når substratet nærmer sig dråbe, interaktionen kraft forårsager Canti håndtaget til at bøje. Således, placeringen af laser spot på PSD vil ændre, og output spænding PSD vil ændre. Udgangsspændingen for PSD Vp er proportional med interaktions kraften Fi, som vist i EQ. (1).
1
For at erhverve interaktions kraften skal SOL kalibreres først. Den elektrostatiske kraft anvendes som standard kraft i kalibreringen af SOL. Som vist i figur 2udgør Canti armen og elektroden en parallel plade kondensatorer, som kan generere elektrostatisk kraft i lodret retning. Den elektrostatiske kraft Fes bestemmes af spændingen på DC strømforsyningen Vs, som vist i EQ. (2)19,20,21.
2
hvor C er kapacitansen af parallel plade kondensatorer, z er forskydningen af den cemenarm fri ende, og dC/dz kaldes kapacitans gradient. Kapacitansen kan måles ved kapacitans broen. Det matematiske forhold mellem C og z kan monteres ved en kvadratisk polynomial, som vist i EQ. (3).
3
hvor Q, P og CT er koefficienterne for den kvadratiske term, henholdsvis den primære term og det konstante udtryk. Derfor kan den elektrostatiske kraft Fes udtrykkes som EQ. (4).
4
Da overlapning område af to plader af kondensatorer er meget lille, den elastiske kraft handlet på Canti armen kan udtrykkes som EQ. (5), ifølge Hooke’s lov:
5
hvor k er stivheden af Canti armen.
Når den elastiske kraft og elektrostatiske kraft påført på Canti armen er ens (dvs. fi = fes), er cantiarm i ligevægt. EQ. (6) kan udledes af EQS. (1), (2) og (5):
6
For at mindske usikkerheden ved kalibreringsresultater anvendes en differens metode til beregning af SOL. Resultaterne af to forsøg er taget som VS1, vP1 og vS2, vP2, og er erstattet i EQ. (6):
7
Transformering af ligninger og subtraktion af den nedre ligning fra den øvre ligning i EQ. (7), parametrene Q og k elimineres. Derefter opnås kalibrerings formlen for SOL , som vist i EQ. (8):
8
Ved udførelse af en række eksperimenter tegnes kurven med P (1/vP1-1/vP2) som ordinen og 2 (1/vS12-1/VS22) som abscissa. Skråningen af kurven er SOL.
Efter opnåelse af SOL, vil elektroden blive erstattet af forskellige super-hydrofobiske substrater. Interaktions kræfterne mellem dråber og super hydrofobiske substrater måles ved det system, der er vist i figur 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denne protokol samles og kalibreres et målesystem baseret på optisk løftestang, som er konstrueret til måling af interaktions kraften mellem dråber og super hydrofobiske substrater. Blandt de alle trin, er det afgørende at kalibrere SOL ved hjælp af elektrostatisk kraft. Resultaterne af kalibrerings forsøget bekræfter EQ. (8): P (1/vP1-1/vP2) er proportional med 2 (1/vS12-1/vS22) og gør det muligt …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne takker Tianjin Natural Science Foundation (nr. 18JCQNJC04800), Tribology Science fund af State Key laboratorium Tribology (no. SKLTKF17B18) og National Natural Science Foundation i Kina (Grant No. 51805367) for deres støtte.
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. |
Riferimenti
- 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).
