Измерение силы взаимодействия между каплей и супер-гидрофобным субстратом методом оптического рычага
Summary
Протокол направлен на изучение взаимодействия капель и супер-гидрофобных субстратов в воздухе. Это включает в себя калибровку системы измерений и измерение силы взаимодействия на супер-гидрофобных субстратах с различными фракциями сетки.
Abstract
Целью данной работы является изучение силы взаимодействия между каплями и супер-гидрофобными субстратами в воздухе. Разработана система измерения на основе метода оптического рычага. В качестве компонента, чувствительного к силе, в системе измерений используется миллиметровый кантилевер. Во-первых, чувствительность оптического рычага откалибрована с помощью электростатического силы, что является критическим шагом в измерении силы взаимодействия. Во-вторых, три супер-гидрофобных субстрата с различными фракциями сетки готовятся с наночастицами и медными сетками. Наконец, силы взаимодействия между каплями и супер-гидрофобными субстратами с различными фракциями сетки измеряются системой. Этот метод может быть использован для измерения силы в масштабе субмикроньютона с разрешением на шкале наноньютона. Глубокое изучение процесса контакта капель и сверхгидрофобных конструкций может помочь повысить эффективность производства в покрытии, пленке и печати. Система измерения силы, разработанная в этой работе, также может быть использована в других областях измерения микросилы.
Introduction
Контакт между каплями и супер-гидрофобной поверхностью очень распространен в повседневной жизни и промышленном производстве: капли воды скользят с поверхности листьев лотоса1,2, и водный спирали быстро путешествия по воде3 ,4,5,6. Супер-гидрофобное покрытие на внешней поверхности корабля может помочь снизить степень коррозиисудна и уменьшить сопротивление навигации 7,8,9,10. Существует большое значение для промышленного производства и бионики исследований в изучении процесса контакта между капля и супер-гидрофобной поверхности.
Для наблюдения за процессом распространения капель на твердой поверхности, Biance использовал высокоскоростную камеру, чтобы сфотографировать процесс контакта и обнаружил, что продолжительность инерционного режима в основном фиксируется размером падения11. Эдди сфотографировал процесс контакта между каплей и прозрачной пластиной снизу и сбоку с помощью высокоскоростной камеры, которая всесторонне выявила изменение радиуса контакта вязкой капли со временем12. Полсен объединил электрический метод с высокоскоростным наблюдением камеры, тем самым сократив время отклика до 10 нс13,14.
Атомная микроскопия силы (AFM) также была использована для измерения силы взаимодействия между каплями / пузырь и твердых поверхностей. Вакарельски использовал aFM кантилевер для измерения сил взаимодействия между двумя маленькими пузырьками (примерно 80-140 мкм) в ввоковом растворе во время контролируемых столкновений в масштабе микрометров до нанометров15. Ши использовал комбинацию AFM и отражения взаимодействия контрастной микроскопии (RICM) одновременно измерить силу взаимодействия и пространственно-временной эволюции тонкой водной пленки между воздушным пузырем и слюдой поверхностей различной гидрофобности 16,17.
Однако, поскольку коммерческие кантилеверы, используемые в AFM, слишком малы, лазерное пятно, облученое на кантилевере, будет погружено каплями или пузырьками. AFM имеет трудности в измерении силы взаимодействия между каплями и каплями / субстратами в воздухе.
В этой работе система измерения, основанная на методе оптического рычага, предназначена для измерения силы взаимодействия между каплями и сверхгидрофобными субстратами. Чувствительность силы оптического рычага (SOL) откалибрована электростатической силой18,после чего силы взаимодействия между каплями и различными сверхгидрофобными субстратами измеряются системой измерения.
Схематическая схема системы измерений показана на рисунке 1. Лазерный и чувствительный к положению детектор (PSD) представляют собой оптическую систему рычага. В качестве важного компонента в системе используется миллиметровый кремниевый кантилевер. Субстрат фиксируется на нанопозиционирующем z-этапе, который может двигаться в вертикальном направлении. Когда субстрат приближается к капле, сила взаимодействия заставляет кантилевер согнуться. Таким образом, положение лазерного пятна на PSD изменится, и выходное напряжение PSD изменится. Выходное напряжение PSD Vp пропорционально силе взаимодействия Fi, как показано в Eq. (1).
(1)
Для того, чтобы приобрести силу взаимодействия, SOL должны быть откалиброваны в первую очередь. Электростатическая сила используется в качестве стандартной силыв калибровке S OL. Как показано на рисунке 2, кантилевер и электрод составляют параллельный конденсатор пластины, который может генерировать электростатическую силу в вертикальном направлении. Электростатическая сила Fes определяется напряжением блокпитания ПИТАНИЯ DC Vs,как показано в Eq. (2)19,20,21.
(2)
где C является конденсацией параллельного конденсатора пластины, z является смещение свободного конца кантилевера, а d C/dz называется градиентом конденсата. Конденсация может быть измерена мостом емкой емки. Математическая связь между C и z может быть установлена квадратной полиномиальной, как показано в Eq. (3).
(3)
где q, P и CT являются коэффициентами квадратного термина, первичного термина и постоянного термина соответственно. Таким образом, электростатическая сила Fes может быть выражена как Eq. (4).
(4)
Так как область перекрытия двух пластин конденсатора очень мала, упругая сила действовала на кантилевере может быть выражена как Eq. (5), в соответствии с законом Хука:
(5)
где k является жесткость кантилевера.
Когда эластичная сила и электростатическая сила, наносимые на кантилевер, равны (т.е.,Fi q Fes),кантилевер находится в равновесии. Eq. (6) можно производным от eqs. (1), (2) и (5):
(6) 6
Для уменьшения неопределенности результатов калибровки для расчета SOLиспользуется метод различия. Результаты двух экспериментов принимаются как Vs1,Vp1 и Vs2,Vp2,и заменяются на Eq. (6):
(7)
Преобразование уравнений и вычитание нижнего уравнения из верхнего уравнения в Eq. (7), параметры q и k устраняются. Затем получается формула калибровки S OL, как показано в Eq. (8):
(8)
Выполняя серию экспериментов, кривая нарисована с P(1/Vp1-1/Vp2) как ординативис и 2(1/Vs1-1/Vs22) как abscissa. Склон кривой SOL.
После полученияS OL, электрод будет заменен различными супер-гидрофобных субстратов. Силы взаимодействия между каплями и супер-гидрофобными субстратами будут измеряться системой, показанной на рисунке 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этом протоколе собрана и откалибрована система измерения на основе метода оптического рычага, которая предназначена для измерения силы взаимодействия между каплями и сверхгидрофобными субстратами. Среди всех шагов, важно калибровать SOL с помощью электростатического силы. Рез…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы благодарят Тяньцзиньский фонд естественных наук (No 18JC-NJC04800), Научно-ресурсный фонд трибологии Государственной ключевой лаборатории трибологии (No. SKLTKF17B18) и Национальный фонд естественных наук Китая (Грант No 51805367) за их поддержку.
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. |
References
- 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).
