Het meten van de interactie kracht tussen een druppel en een super-hydrofobe substraat door de optische hefboom methode
Summary
Het protocol beoogt de interactie tussen druppeltjes en Super-hydrofobe substraten in de lucht te onderzoeken. Dit omvat het kalibreren van het meetsysteem en het meten van de interactie kracht bij Super-hydrofobe substraten met verschillende raster fracties.
Abstract
Het doel van dit document is om de interactie kracht tussen druppeltjes en Super-hydrofobe substraten in de lucht te onderzoeken. Een meetsysteem op basis van een optische hendel methode is ontworpen. Een millimeter Cantilever wordt gebruikt als een kracht gevoelige component in het meetsysteem. Ten eerste, de kracht gevoeligheid van de optische hendel is gekalibreerd met behulp van elektrostatische kracht, dat is de kritische stap in het meten van interactie kracht. Ten tweede worden drie super-hydrofobe substraten met verschillende raster fracties bereid met nanodeeltjes en koperen roosters. Ten slotte worden de interactie krachten tussen druppeltjes en Super-hydrofobe substraten met verschillende raster fracties gemeten door het systeem. Deze methode kan worden gebruikt om de kracht op de schaal van sub-micronewton met een resolutie op de schaal van nanonewton te meten. De diepgaande studie van het contact proces van druppeltjes en hydrofobe structuren kan bijdragen aan de verbetering van de productie-efficiëntie in coating, folie en drukwerk. De krachtmeting systeem ontworpen in dit papier kan ook worden gebruikt in andere gebieden van de microforce meting.
Introduction
Het contact tussen een druppel en een super-hydrofobe oppervlak is zeer vaak voor in het dagelijks leven en de industriële productie: waterdruppels glijden van het oppervlak van lotusblad1,2, en een water Strider reizen snel over het water3 ,4,5,6. Een super-hydrofobe coating op het buitenoppervlak van een schip kan bijdragen tot het verminderen van de corrosie graad van het schip en het verminderen van de weerstand van de navigatie7,8,9,10. Er is grote waarde voor industriële productie en bionicaonderzoek in het bestuderen van het contact proces tussen een druppel en een super-hydrofobe oppervlak.
Om het uitspreidende proces van druppeltjes op een stevig oppervlak te observeren, gebruikte biance een hoge snelheidscamera om het contact proces te fotograferen en vond dat de duur van het traagheids regime hoofdzakelijk door dalings grootte11wordt bevestigd. Het contact proces tussen de druppel en de transparante plaat van de bodem en de zijkant werd gefotografeerd met behulp van een high-speed camera, die de variatie van de contact straal van de viskeuze druppel met de tijd12uitvoerig onthulde. Paulsen combineerde een elektro methode met de observatie van de hoge snelheidscamera, zo verminderend de reactietijd aan 10 NS13,14.
Atomic Force microscopie (AFM) is ook gebruikt om de interactie kracht tussen de druppel/zeepbel en vaste oppervlakken te meten. Vakarelski gebruikte een AFM Cantilever om de interactie krachten tussen twee kleine bellen (ongeveer 80-140 μm) in waterige oplossing tijdens gecontroleerde botsingen op de schaal van micrometers aan nanometers15te meten. Shi gebruikte een combinatie van AFM en reflectie interferentie contrast microscopie (RICM) gelijktijdig meten van de interactie kracht en de spatiotemporal evolutie van de dunne waterfilm tussen een lucht zeepbel en mica oppervlakken van verschillende hydrophobicity 16,17.
Echter, aangezien de commerciële cantilevers gebruikt in de AFM zijn te klein, de Laser Spot bestraald op de cantilever zou worden ondergedompeld door druppels of bubbels. De AFM heeft moeite met het meten van de interactie kracht tussen druppeltjes en druppeltjes/substraten in de lucht.
In deze paper is een meetsysteem gebaseerd op een optische hefboom methode ontworpen om de interactie kracht tussen druppeltjes en Super-hydrofobe substraten te meten. De kracht gevoeligheid van de optische hendel (SOL) is gekalibreerd door elektrostatische kracht18, en vervolgens de interactie krachten tussen druppels en verschillende Super-hydrofobe substraten worden gemeten door het meetsysteem.
Het schematische schema van het meetsysteem wordt weergegeven in Figuur 1. De laser en position Sensitive detector (PSD) vormen de optische hendel systeem. Een millimeter silicium Cantilever wordt gebruikt als een gevoelige component in het systeem. Het substraat wordt bevestigd op het nanopositioning z-stadium, dat in verticale richting kan bewegen. Wanneer de ondergrond nadert de druppel, de interactie kracht zorgt ervoor dat de cantilever te buigen. Zo zal de positie van de laser vlek op PSD veranderen, en de uitgangsspanning van de PSD zal veranderen. De uitgangsspanning van PSD Vp is evenredig met de interactie kracht Fi, zoals aangegeven in EQ. (1).
1
Om de interactie kracht te verwerven, moet SOL eerst gekalibreerd worden. De elektrostatische kracht wordt gebruikt als de standaard kracht in de kalibratie van SOL. Zoals weergegeven in Figuur 2, de cantilever en de elektrode maken een parallelle plaatcondensator, die zou kunnen genereren elektrostatische kracht in een verticale richting. De elektrostatische kracht Fes wordt bepaald door de spanning van de DC voeding Vs, zoals aangegeven in EQ. (2)19,20,21.
2
waar C is de capaciteit van de parallelle plaatcondensator, z is de verplaatsing van de cantilever vrije uiteinde, en dC/dz wordt genoemd capaciteits gradiënt. De capaciteit zou door de capaciteits brug kunnen worden gemeten. De wiskundige relatie tussen C en z kan worden gemonteerd door een kwadratische veelterm, zoals weergegeven in EQ. (3).
3
waar Q, P en CT zijn de coëfficiënten van de kwadratische term, de primaire term en de constante term respectievelijk. Daarom kan de elektrostatische kracht Fes worden uitgedrukt als EQ. (4).
4
Aangezien het overlappingsgebied van twee platen van de condensator zeer klein is, handelde de elastische kracht op Cantilever kan worden uitgedrukt zoals EQ. (5), volgens de wet van Hooke:
5
waar k is de stijfheid van de Cantilever.
Wanneer de elastische kracht en elektrostatische kracht toegepast op de cantilever zijn gelijk (dat wil zeggen, fi = fes), de cantilever is in evenwicht. EQ. (6) kan worden afgeleid uit MKN. (1), (2) en (5):
6
Met het oog op de onzekerheid van de kalibratieresultaten te verminderen, een verschil methode wordt gebruikt om SOLte berekenen. De resultaten van twee experimenten worden genomen als VS1, vP1 en vS2, vP2, en worden vervangen door EQ. (6):
7
Transformatie van de vergelijkingen en aftrekken van de lagere vergelijking van de bovenste vergelijking in EQ. (7), de parameters Q en k worden geëlimineerd. Vervolgens wordt de kalibratie formule van SOL verkregen, zoals weergegeven in EQ. (8):
8
Het uitvoeren van een reeks van experimenten, is de curve getekend met P (1/vP1-1/VP2) als de coördinaat en 2 (1/vS12-1/vS22) als de abscis. De helling van de curve is SOL.
Na het verkrijgen van SOL, zal de elektrode worden vervangen door verschillende Super-hydrofobe substraten. De interactie krachten tussen druppeltjes en Super-hydrofobe substraten zullen worden gemeten door het systeem weergegeven in Figuur 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dit protocol wordt een meetsysteem op basis van de optische hefboom methode geassembleerd en gekalibreerd, dat is ontworpen voor het meten van de interactie kracht tussen de druppels en de Super-hydrofobe substraten. Onder de alle stappen, is het essentieel om SOL met behulp van elektrostatische kracht te kalibreren. De resultaten van het kalibratie experiment verifiëren EQ. (8): P (1/vP1-1/vP2) is evenredig met 2 (1/vS12-1/v<s…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs danken de Tianjin Natural Science Foundation (nr. 18JCQNJC04800), tribologie Science Fund van de staat Key laboratorium van tribologie (nr. SKLTKF17B18) en de nationale stichting van de natuurwetenschappen van China (toelage nr. 51805367) voor hun steun.
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).
