Mesurer la force d'interaction entre une gouttelette et un substrat super-hydrophobe selon la méthode du levier optique

Summary

Le protocole vise à étudier l’interaction entre les gouttelettes et les substrats super-hydrophobes dans l’air. Cela comprend l’étalonnage du système de mesure et la mesure de la force d’interaction sur des substrats super-hydrophobes avec différentes fractions de grille.

Abstract

Le but de cet article est d’étudier la force d’interaction entre les gouttelettes et les substrats super-hydrophobes dans l’air. Un système de mesure basé sur une méthode de levier optique est conçu. Un porte-à-faux millimétrique est utilisé comme composant sensible à la force dans le système de mesure. Tout d’abord, la sensibilité de force du levier optique est calibrée à l’aide de la force électrostatique, qui est l’étape critique dans la mesure de la force d’interaction. Deuxièmement, trois substrats super-hydrophobes avec des fractions de grille différentes sont préparés avec des nanoparticules et des grilles de cuivre. Enfin, les forces d’interaction entre les gouttelettes et les substrats super-hydrophobes avec différentes fractions de grille sont mesurées par le système. Cette méthode peut être utilisée pour mesurer la force à l’échelle du sous-micronewton avec une résolution à l’échelle de nanonewton. L’étude approfondie du processus de contact des gouttelettes et des structures super-hydrophobes peut contribuer à améliorer l’efficacité de production dans le revêtement, le film et l’impression. Le système de mesure de force conçu dans ce document peut également être utilisé dans d’autres domaines de mesure de la microforce.

Introduction

Le contact entre une gouttelette et une surface super-hydrophobe est très fréquent dans la vie quotidienne et la production industrielle: gouttelettes d’eau glissant de la surface de la feuille de lotus^1,2, et un strider de l’eau voyageant rapidement sur l’eau^{3 ,4,5,6}. Un revêtement super-hydrophobe sur la surface extérieure d’un navire peut aider à réduire le degré de corrosion du navire et à réduire la résistance de la navigation^7,8,9,10. Il y a une grande valeur pour la production industrielle et la recherche bionique dans l’étude du processus de contact entre une gouttelette et une surface super-hydrophobe.

Pour observer le processus de propagation des gouttelettes sur une surface solide, Biance a utilisé une caméra haute vitesse pour photographier le processus de contact et a constaté que la durée du régime inertielle est principalement fixée par la taille de chute¹¹. Eddi a photographié le processus de contact entre la gouttelette et la plaque transparente du bas et du côté à l’aide d’une caméra haute vitesse, qui a révélé de manière exhaustive la variation du rayon de contact de la gouttelette visqueuse avec le temps¹². Paulsen a combiné une méthode électrique avec l’observation de caméra à grande vitesse, réduisant ainsi le temps de réponse à 10 ns^13,14.

La microscopie de force atomique (AFM) a également été utilisée pour mesurer la force d’interaction entre la gouttelette/bulle et les surfaces solides. Vakarelski a utilisé un porte-à-faux AFM pour mesurer les forces d’interaction entre deux petites bulles (environ 80-140 m) en solution aqueuse lors de collisions contrôlées à l’échelle des micromètres à des nanomètres¹⁵. Shi a utilisé une combinaison de microscopie de contraste d’interférence d’AFM et de réflexion (RICM) pour mesurer simultanément la force d’interaction et l’évolution spatiotemporale du film d’eau mince entre une bulle d’air et des surfaces de mica de différentes hydrophobicités ^16,17.

Cependant, comme les cantilevers commerciaux utilisés dans l’AFM sont trop petits, la tache laser irradiée sur le porte-à-faux serait submergée par des gouttelettes ou des bulles. L’AFM a des difficultés à mesurer la force d’interaction entre les gouttelettes et les gouttelettes/substrats dans l’air.

Dans cet article, un système de mesure basé sur une méthode de levier optique est conçu pour mesurer la force d’interaction entre les gouttelettes et les substrats super-hydrophobes. La sensibilité de force du levier optique (S_OL) est calibrée par la force électrostatique¹⁸, puis les forces d’interaction entre les gouttelettes et les différents substrats super-hydrophobes sont mesurées par le système de mesure.

Le diagramme schématique du système de mesure est indiqué dans la figure 1. Le détecteur sensible au laser et à la position (PSD) constitue le système de levier optique. Un porte-à-faux millimétrique en silicium est utilisé comme composant sensible dans le système. Le substrat est fixé sur le stade z de nanopositionnement, qui peut se déplacer dans la direction verticale. Lorsque le substrat s’approche de la gouttelette, la force d’interaction fait plier le porte-à-faux. Ainsi, la position de la tache laser sur PSD va changer, et la tension de sortie de PSD va changer. La tension de sortie de PSD V_p est proportionnelle à la force d’interaction F_i, comme indiqué dans Eq. (1).

①

Afin d’acquérir la force d’interaction, S_OL doit être calibré en premier. La force électrostatique est utilisée comme force standard dans l’étalonnage de S_OL. Comme le montre la figure 2, le porte-à-faux et l’électrode constituent un condensateur de plaque parallèle, qui pourrait générer une force électrostatique dans une direction verticale. La force électrostatique F_es est déterminée par la tension de l’alimentation DC V_s, comme indiqué dans Eq. (2)^19,20,21.

②

où C est la capacité du condensateur de plaque parallèle, z est le déplacement de l’extrémité libre de cantilever, et d C/dz est appelé gradient de capacité. La capacité pouvait être mesurée par le pont de capacité. La relation mathématique entre C et z peut être ajustée par un polynomial quadratique, comme le montre Eq. (3).

③

où Q, P et CT sont les coefficients du terme quadratique, le terme primaire et le terme constant respectivement. Par conséquent, la force électrostatique F_es peut être exprimée comme Eq. (4).

④

Puisque la zone de chevauchement de deux plaques du condensateur est très petite, la force élastique actionnelle sur le porte-à-faux peut être exprimée comme Eq. (5), selon la loi de Hooke :

(5)

où k est la rigidité du porte-à-faux.

Lorsque la force élastique et la force électrostatique appliquées sur le porte-à-faux sont égales (c.-à-d.,F_i et F_es), le porte-à-faux est en équilibre. Eq. (6) peut être dérivé des Eqs. (1), (2) et (5):

(6)

Afin de réduire l’incertitude des résultats d’étalonnage, une méthode de différence est utilisée pour calculer S_OL. Les résultats de deux expériences sont pris comme V_s1, V_p1 et V_s2, V_p2, et sont substitués à Eq. (6):

(7)

Transformant les équations et soustrayant l’équation inférieure de l’équation supérieure dans Eq. (7), les paramètres Q et k sont éliminés. Ensuite, la formule d’étalonnage de S_OL est obtenue, comme indiqué dans Eq. (8):

(8)

Exécution d’une série d’expériences, la courbe est dessinée avec P(1/V_p1-1/V_p2) comme l’ordonnat et 2(1/V_s1²-1/V_s2²) comme l’abscissa. La pente de la courbe est S_OL.

Après l’obtention de S_OL, l’électrode sera remplacée par différents substrats super-hydrophobes. Les forces d’interaction entre les gouttelettes et les substrats super-hydrophobes seront mesurées par le système indiqué à la figure 1.

Protocol

1. Assemblage du système d’étalonnage SOL Assembler le système d’étalonnage SOL selon le diagramme schématique indiqué à la figure 2. Fixez le laser à un support, ce qui rend l’angle entre le laser et la direction horizontale à 45 degrés. Fixez le PSD à un autre support, ce qui rend le PSD perpendiculaire au laser. Connectez le PSD à l’appareil d’acquisition de données et le dispositif d’acquisition de données à l’ordinateur….

Representative Results

Le déplacement de l’électrode de plaque et la capacité correspondante entre le porte-à-faux et l’électrode mesuré dans une expérience sont montrés dans le tableau 1. La relation entre la capacité C et le déplacement z est ajustée par le polynomial quadratique utilisant la fonction polyfit dans MATLAB, comme indiqué dans la figure 4. Le coefficient de première commande P peut être obtenu par la fonction de raccordage. La valeur finale de P est …

Discussion

Dans ce protocole, un système de mesure basé sur la méthode du levier optique est assemblé et calibré, qui est conçu pour mesurer la force d’interaction entre les gouttelettes et les substrats super-hydrophobes. Parmi toutes les étapes, il est essentiel de calibrer S_OL en utilisant la force électrostatique. Les résultats de l’expérience d’étalonnage vérifient Eq. (8): P(1/V_p1-1/V_p2) est proportionnel à 2(1/V_s1²-1/V<sub…

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.