Mätning av interaktions styrkan mellan en droppe och ett Superhydrofobiskt substrat med metoden Optical lever
Summary
Syftet med protokollet är att undersöka samspelet mellan droppar och superhydrofoba substrat i luften. Detta inkluderar kalibrering av mät systemet och mätning av interaktions kraft vid superhydrofoba substrat med olika rutnäts fraktioner.
Abstract
Syftet med detta dokument är att undersöka samspelet kraft mellan droppar och super-hydrofoba substrat i luften. Ett mät system baserat på en optisk spakmetod är utformat. En millimetrisk grenställ används som en kraft känslig komponent i mät systemet. För det första är den optiska styrspakskänsligheten kalibrerad med hjälp av elektro statisk kraft, vilket är det kritiska steget för att mäta interaktions kraft. För det andra, tre Super-hydrofoba substrat med olika rutnät fraktioner är beredda med nanopartiklar och koppar galler. Slutligen mäts interaktions krafterna mellan små droppar och superhydrofoba substrat med olika rutnäts fraktioner av systemet. Denna metod kan användas för att mäta kraften på skalan av sub-micronewton med en upplösning på skalan av nanonewton. Den fördjupade studien av kontakt processen för droppar och superhydrofoba strukturer kan bidra till att förbättra produktions effektiviteten i beläggning, film och tryck. Kraft mätnings systemet som utformats i detta papper kan också användas i andra fält av mikrokraft mätning.
Introduction
Kontakten mellan en droppe och en super-hydrofoba yta är mycket vanligt i det dagliga livet och industriell produktion: vattendroppar glider från ytan av Lotus blad1,2, och en vatten strider reser snabbt över vattnet3 ,4,5,6. En super-hydrofoba beläggning på utsidan av ett fartyg kan bidra till att minska korrosions graden av fartyget och minska motståndet i navigeringen7,8,9,10. Det finns ett stort värde för industriell produktion och bionik forskning i att studera kontakt processen mellan en droppe och en super-hydrofoba yta.
För att observera spridnings processen av droppar på en solid yta, använde Biance en höghastighets kamera för att fotografera kontakt processen och fann att varaktigheten av Tröghets regimen i huvudsak fastställs av DROPP storlek11. Eddi fotograferade kontakt processen mellan droplet och den genomskinliga plattan från botten och sidan med hjälp av en höghastighets kamera, som utförligt avslöjade variationen av kontaktradie av trög flytande droplet med tid12. Paulsen kombinerade en elektrisk metod med hög hastighet kamera observation, vilket minskar responstiden till 10 ns13,14.
Atomic Force mikroskopi (AFM) har också använts för att mäta samspelet kraft mellan droplet/bubbla och solida ytor. Vakarelski använde en AFM grenställ för att mäta interaktions krafterna mellan två små bubblor (ca 80-140 μm) i vatten lösning under kontrollerade kollisioner på skalan av mikrometer till nanometer15. Shi används en kombination av AFM och reflektion interferens kontrast mikroskopi (RICM) att samtidigt mäta samspelet kraft och spatiotemporal utvecklingen av tunna vatten film mellan en luft bubbla och glimmerytor av olika hydrofobicitet 16,17.
Men eftersom kommersiella cantispakar som används i AFM är för små, skulle laser fläck bestrålas på grenställ dränkas av droppar eller bubblor. AFM har svårt att mäta samspelet kraft mellan droppar och droppar/substrat i luften.
I detta dokument är ett mät system baserat på en optisk spakmetod utformat för att mäta interaktions kraften mellan droppar och superhydrofoba substrat. Kraft känsligheten hos den optiska spaken (SOL) kalibreras med elektro statisk kraft18, och sedan mäts interaktions krafterna mellan droppar och olika superhydrofoba substrat av mät systemet.
Mät systemets schematiska diagram visas i figur 1. Laser och positions känslig detektor (PSD) utgör den optiska spaken systemet. En millimetrisk kisel-grenställ används som en känslig komponent i systemet. Underlaget är fast på nanopositionering z-steget, som kan röra sig i vertikal riktning. När substratet närmar sig droplet, gör växel verkan kraft grenställ att böja. Sålunda, positionen av lasern fläck på PSD vilja ändra, och produktionen spänningen av PSD vilja ändra. Utspänningen för PSD Vp är proportionell mot interaktions styrkan Fi, som visas i EQ. (1).
1
För att erhålla växel verkan styrkan måste SOL kalibreras först. Den elektro statiska kraften används som standard kraft vid kalibreringen av SOL. Som framgår av figur 2utgör grenställ och elektroden en parallell plattkondensator, som kan generera elektro statisk kraft i vertikal riktning. De elektro statiska kraft Fes bestäms av spänningen i DC strömförsörjning Vs, som visas i EQ. (2)19,20,21.
2
där C är kapacitans av parallell plattan kondensator, z är förskjutningen av grenställ fri ände, och dC/dz kallas kapacitans lutning. Kapacitansen kan mätas med kapacitansbron. Det matematiska förhållandet mellan C och z kan förses med en kvadratisk polynom, som visas i EQ. (3).
3
där Q, P och CT är koefficienterna för den kvadratiska termen, den primära termen och den konstanta termen respektive. Därför kan den elektro statiska kraften Fes uttryckas som EQ. (4).
4
Eftersom överlappnings området av två plattor av kondensatorn är mycket liten, den elastiska kraft agerat på grenställ kan uttryckas som EQ. (5), enligt Hooke ‘ s lag:
5
där k är styvheten i cantilever.
När den elastiska kraften och den elektro statiska kraften som appliceras på grenställ är lika (dvs. fi = fes), är grenställ i jämvikt. EQ. (6) kan härledas från EQs. (1), (2) och (5):
6
För att minska osäkerheten i kalibrerings resultaten används en differensmetod för att beräkna SOL. Resultaten av två experiment tas som VS1, vP1 och vS2, vP2och ersätts i EQ. (6):
7
Omformning av ekvationerna och subtrahera den lägre ekvationen från den övre ekvationen i EQ. (7), parametrarna Q och k elimineras. Därefter erhålls kalibrerings formeln för SOL , som visas i EQ. (8):
8
Utför en serie experiment, kurvan ritas med P (1/vP1-1/vP2) som ordinate och 2 (1/vS12-1/VS22) som Abscissa. Lutningen på kurvan är SOL.
Efter att ha fått SOLkommer elektroden att bytas ut mot olika superhydrofoba substrat. Interaktions krafterna mellan droppar och superhydrofoba substrat kommer att mätas med det system som visas i figur 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
I detta protokoll monteras och kalibreras ett mät system baserat på optisk spakmetod, som är utformat för att mäta interaktions styrkan mellan dropparna och de superhydrofoba substrat. Bland alla steg är det viktigt att kalibrera SOL med hjälp av elektro statisk kraft. Kalibrerings experimentets resultat verifierar EQ. (8): P (1/vP1-1/vP2) är proportionell mot 2 (1/vS12-1/vS22) och gör det möjligt at…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna tackar Tianjin Natural Science Foundation (nr 18JCQNJC04800), Tribology Science fond of State viktiga laboratoriet för Tribology (nr. SKLTKF17B18) och Kinas nationella Naturvetenskaps stiftelse (Grant No. 51805367) för deras stöd.
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).
