Medición de la fuerza de interacción entre una gota y un sustrato superhidrofóbico mediante el método de palanca óptica
Summary
El protocolo tiene como objetivo investigar la interacción entre gotas y sustratos superhidrofóbicos en el aire. Esto incluye calibrar el sistema de medición y medir la fuerza de interacción en sustratos superhidrofóbicos con diferentes fracciones de rejilla.
Abstract
El objetivo de este documento es investigar la fuerza de interacción entre las gotas y los sustratos superhidrofóbicos en el aire. Se diseña un sistema de medición basado en un método de palanca óptica. Un voladizo milimétrico se utiliza como un componente sensible a la fuerza en el sistema de medición. En primer lugar, la sensibilidad de la fuerza de la palanca óptica se calibra mediante fuerza electrostática, que es el paso crítico en la medición de la fuerza de interacción. En segundo lugar, tres sustratos superhidrofóbicos con diferentes fracciones de rejilla se preparan con nanopartículas y rejillas de cobre. Por último, el sistema mide las fuerzas de interacción entre las gotas y los sustratos superhidrofóbicos con diferentes fracciones de rejilla. Este método se puede utilizar para medir la fuerza en la escala de submicronewton con una resolución en la escala de nanonewton. El estudio en profundidad del proceso de contacto de gotas y estructuras superhidrofóbicas puede ayudar a mejorar la eficiencia de producción en recubrimiento, película e impresión. El sistema de medición de fuerza diseñado en este papel también se puede utilizar en otros campos de medición de microfuerza.
Introduction
El contacto entre una gota y una superficie superhidrofóbica es muy común en la vida diaria y la producción industrial: gotas de agua que se deslizan desde la superficie de la hoja de loto1,2,y un estribo de agua que viaja rápidamente sobre el agua3 ,4,5,6. Un recubrimiento superhidrofóbico en la superficie exterior de un barco puede ayudar a reducir el grado de corrosión de la nave y reducir la resistencia de la navegación7,8,9,10. Hay un gran valor para la producción industrial y la investigación biónica en el estudio del proceso de contacto entre una gota y una superficie superhidrofóbica.
Para observar el proceso de propagación de las gotas en una superficie sólida, Biance utilizó una cámara de alta velocidad para fotografiar el proceso de contacto y descubrió que la duración del régimen inercial se fija principalmente por el tamaño de gota11. Eddi fotografió el proceso de contacto entre la gota y la placa transparente desde la parte inferior y lateral utilizando una cámara de alta velocidad, que reveló exhaustivamente la variación del radio de contacto de la gota viscosa con el tiempo12. Paulsen combinó un método eléctrico con la observación de cámara de alta velocidad, reduciendo así el tiempo de respuesta a 10 ns13,14.
La microscopía de fuerza atómica (AFM) también se ha utilizado para medir la fuerza de interacción entre las gotas/burbujas y las superficies sólidas. Vakarelski utilizó un voladizo AFM para medir las fuerzas de interacción entre dos pequeñas burbujas (aproximadamente 80-140 m) en solución acuosa durante colisiones controladas en la escala de micrómetros a nanómetros15. Shi utilizó una combinación de AFM y microscopía de contraste de interferencia de reflexión (RICM) para medir simultáneamente la fuerza de interacción y la evolución espaciotemporal de la película de agua delgada entre una burbuja de aire y superficies de mica de diferentes hidrofobicidad 16,17.
Sin embargo, dado que los voladizos comerciales utilizados en AFM son demasiado pequeños, el punto láser irradiado en el voladizo sería sumergido por gotas o burbujas. El AFM tiene dificultades para medir la fuerza de interacción entre gotas y gotas /sustratos en el aire.
En este documento, un sistema de medición basado en un método de palanca óptica está diseñado para medir la fuerza de interacción entre gotas y sustratos superhidrofóbicos. La sensibilidad de fuerza dela palanca óptica (S OL) se calibra mediante la fuerza electrostática18,y luego las fuerzas de interacción entre las gotas y diferentes sustratos superhidrofóbicos se miden mediante el sistema de medición.
El diagrama esquemático del sistema de medición se muestra en la Figura1. El detector sensible al láser y a la posición (PSD) constituyen el sistema de palanca óptica. Un voladizo de silicio milimétrico se utiliza como un componente sensible en el sistema. El sustrato se fija en la etapa z de nanoposición, que puede moverse en dirección vertical. Cuando el sustrato se acerca a la gota, la fuerza de interacción hace que el voladizo se doble. Por lo tanto, la posición del punto láser en PSD cambiará, y la tensión de salida de PSD cambiará. La tensión de salida de PSD Vp es proporcional a la fuerza de interacción Fi, como se muestra en Eq. (1).
①
Para adquirir la fuerza de interacción, SOL debe calibrarse primero. La fuerza electrostática se utiliza comofuerza estándar en la calibración de S OL. Como se muestra en la Figura2, el voladizo y el electrodo conforman un condensador de placa paralela, que podría generar fuerza electrostática en una dirección vertical. La fuerza electrostática Fes determinada por la tensión de la fuente de alimentación de CC Vs, como se muestra en Eq. (2)19,20,21.
②
donde C es la capacitancia del condensador de placa paralela, z es el desplazamiento del extremo libre del voladizo, y dC/dz se llama gradiente de capacitancia. La capacitancia podría medirse por el puente de capacitancia. La relación matemática entre C y z puede ser ajustada por un polinomio cuadrático, como se muestra en Eq. (3).
③
donde Q, P y CT son los coeficientes del término cuadrático, el término primario y el término constante respectivamente. Por lo tanto, la fuerza electrostática Fes puede expresarse como Eq. (4).
(4)
Dado que el área de solapamiento de dos placas del condensador es muy pequeña, la fuerza elástica actuada en el voladizo se puede expresar como Eq. (5), de acuerdo con la ley de Hooke:
(5)
donde k es la rigidez del voladizo.
Cuando la fuerza elástica y la fuerza electrostática aplicada en el voladizo son iguales (es decir,Fi a Fes), el voladizo está en equilibrio. Eq. (6) se puede derivar de Eqs. (1), (2) y (5):
(6)
Con el fin de reducir la incertidumbre de los resultados de calibración, se utiliza un método de diferencia para calcular SOL. Los resultados de dos experimentos se toman como Vs1, Vp1 y Vs2, Vp2, y se sustituyen en Eq. (6):
(7)
Transformando las ecuaciones y restando la ecuación inferior de la ecuación superior en Eq. (7), se eliminan los parámetros Q y k. A continuación, se obtiene la fórmula de calibración de S OL, como se muestra en Eq. (8):
(8)
Realizando una serie de experimentos, la curva se dibuja con P(1/Vp1-1/Vp2) como la coordenada y 2(1/Vs12-1/Vs22) como la abscisa. La pendiente de la curva es SOL.
Después deobtener S OL, el electrodo será reemplazado por diferentes sustratos superhidrofóbicos. Las fuerzas de interacción entre las gotas y los sustratos superhidrofóbicos serán medidas por el sistema que se muestra en la Figura1.
Protocol
Representative Results
Discussion
En este protocolo, se monta y calibra un sistema de medición basado en el método de palanca óptica, que está diseñado para medir la fuerza de interacción entre las gotas y sustratos superhidrofóbicos. Entre todos los pasos, es fundamental calibrar SOL usando fuerza electrostática. Los resultados del experimento de calibración verifican Eq. (8): P(1/Vp1-1/Vp2) es proporcional a 2(1/Vs12-1/Vs22) y permi…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores agradecen a la Fundación de Ciencias Naturales de Tianjin (No 18JCQNJC04800), Fondo de Ciencia de Tribología del Laboratorio Clave Estatal de Tribología (No. SKLTKF17B18) y la National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51805367) por su apoyo.
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. |
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