Medindo a força de interação entre um droplet e um substrato super-hidrofóbico pelo método de alavanca óptica
Summary
O protocolo tem como objetivo investigar a interação entre gotículas e substratos superhidrofóbicos no ar. Isso inclui calibrar o sistema de medição e medir a força de interação em substratos super hidrofóbicos com diferentes frações de grade.
Abstract
O objetivo deste trabalho é investigar a força de interação entre gotículas e substratos superhidrofóbicos no ar. Um sistema de medição baseado em um método de alavanca óptica é projetado. Um cantilever milimétrico é usado como um componente sensível à força no sistema de medição. Firstly, a sensibilidade da força da alavanca ótica é calibrada usando a força eletrostática, que é a etapa crítica em medir a força da interação. Em segundo lugar, três substratos superhidrofóbicos com diferentes frações de grade são preparados com nanopartículas e grades de cobre. Finalmente, as forças de interação entre gotículas e substratos superhidrofóbicos com diferentes frações de grade são mensuradas pelo sistema. Este método pode ser usado para medir a força na escala de sub-micronewton com uma resolução sobre a escala de nanonewton. O estudo aprofundado do processo de contato de gotículas e estruturas super hidrofóbicas pode ajudar a melhorar a eficiência de produção em revestimento, filme e impressão. O sistema de medição da força projetado neste papel pode igualmente ser usado em outras áreas da medida da microforça.
Introduction
O contato entre uma gota e uma superfície super-hidrofóbica é muito comum na vida diária e na produção industrial: gotas de água que deslizam da superfície da folha de lótus1,2, e um Strider da água que viaja ràpida sobre a água3 ,4,5,6. Um revestimento super-hidrofóbico na superfície exterior de um navio pode ajudar a reduzir o grau de corrosão do navio e reduzir a resistência da navegação7,8,9,10. Há grande valor para a produção industrial e pesquisa biônica no estudo do processo de contato entre uma gota e uma superfície super hidrofóbica.
Para observar o processo de espalhamento de gotas em uma superfície sólida, Biance utilizou uma câmera de alta velocidade para fotografar o processo de contato e constatou que a duração do regime inercial é principalmente fixada pelo tamanho da gota11. Eddi fotografou o processo de contato entre a gota e a placa transparente do fundo e do lado usando uma câmera de alta velocidade, que revelou de forma abrangente a variação do raio de contato da gota viscosa com o tempo12. Paulsen combinou um método elétrico com observação de alta velocidade da câmera, assim reduzindo o tempo de resposta a 10 NS13,14.
A microscopia de força atômica (AFM) também tem sido utilizada para medir a força de interação entre a gota/bolha e superfícies sólidas. Vakarelski utilizou um cantilever AFM para medir as forças de interação entre duas pequenas bolhas (aproximadamente 80-140 μm) em solução aquosa durante colisões controladas na escala de micrômetros a nanômetros15. Shi usou uma combinação de AFM e microscopia de contraste da interferência da reflexão (ricm) para medir simultaneamente a força da interação e a evolução armazenamento da película fina da água entre uma bolha de ar e superfícies de mica do hidrofobicidade diferente 16,17.
Entretanto, desde que os cantilever comerciais usados em AFM são demasiado pequenos, o ponto do laser irradiado no modilhão seria submergido por gotas ou por bolhas. O AFM tem dificuldades em medir a força de interação entre gotículas e gotas/substratos no ar.
Neste trabalho, um sistema de medição baseado em um método de alavanca óptica é projetado para medir a força de interação entre gotículas e substratos superhidrofóbicos. A sensibilidade de força da alavanca óptica (Sol) é calibrada pela força eletrostática18e, em seguida, as forças de interação entre gotículas e diferentes substratos super-hidrofóbicos são medidos pelo sistema de medição.
O diagrama esquemático do sistema de medição é mostrado na Figura 1. O laser e o detector sensível da posição (PSD) constituem o sistema ótico da alavanca. Um modilhão de silício milimétrico é usado como um componente sensível no sistema. O substrato é fixado no estágio z de nanoposicionamento, que pode se mover na direção vertical. Quando o substrato se aproxima da gotículo, a força de interação faz com que o cantilever dobre. Assim, a posição do ponto do laser no PSD mudará, e a tensão da saída do PSD mudará. A tensão de saída do PSD Vp é proporcional à força de interação Fi, como mostrado em EQ. (1).
1
A fim de adquirir a força de interação, Sol deve ser calibrado primeiro. A força eletrostática é usada como a força padrão na calibração de Sol. Como mostrado na Figura 2, o cantilever e o eletrodo compõem um capacitor de placa paralela, que poderia gerar força eletrostática em uma direção vertical. A força eletrostática Fes é determinada pela tensão da fonte de alimentação CC Vs, como mostrado em EQ. (2)19,20,21.
2
onde c é a capacitância do capacitor da placa paralela, z é o deslocamento da extremidade livre do cantilever, e dc/dz é chamado inclinação da capacitância. A capacitância pode ser medida pela ponte de capacitância. A relação matemática entre C e z pode ser ajustada por um polinômio quadrático, como mostrado em EQ. (3).
3
onde Q, P e TC são os coeficientes do termo quadrático, o termo primário e o termo constante, respectivamente. Portanto, a força eletrostática Fes pode ser expressa como EQ. (4).
4
Uma vez que a área de sobreposição de duas placas do capacitor é muito pequena, a força elástica agiu no cantilever pode ser expressa como EQ. (5), de acordo com a lei de Hooke:
5
onde k é a rigidez do cantilever.
Quando a força elástica e a força eletrostática aplicadas no cantilever são iguais (i.e., fi = fes), o cantilever está em equilíbrio. EQ. (6) pode ser derivado de EQs. (1), (2) e (5):
6
A fim de reduzir a incerteza dos resultados de calibração, um método de diferença é usado para calcular Sol. Os resultados de dois experimentos são tomados como VS1, vP1 e vS2, vP2, e são substituídos em EQ. (6):
7
Transformando as equações e subtraindo a equação inferior da equação superior em EQ. (7), os parâmetros Q e k são eliminados. Em seguida, a fórmula de calibração de Sol é obtida, como mostrado em EQ. (8):
8
Realizando uma série de experimentos, a curva é desenhada com P (1/vP1-1/vP2) como o ordenate e 2 (1/vS12-1/vS22) como o abscissa. A inclinação da curva é Sol.
Após a obtenção de Sol, o eletrodo será substituído por diferentes substratos super-hidrofóbicos. As forças de interação entre gotículas e substratos superhidrofóbicos serão mensuradas pelo sistema mostrado na Figura 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
Neste protocolo, um sistema de medição baseado no método de alavanca óptica é montado e calibrado, que é projetado para medir a força de interação entre as gotas e substratos superhidrofóbicos. Entre todas as etapas, é crítico calibrar Sol usando a força eletrostática. Os resultados do experimento de calibração verificam EQ. (8): P (1/vP1-1/vP2) é proporcional a 2 (1/vS12-1/vS22) e possibilita…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores agradecem à Fundação da ciência natural de Tianjin (no. 18JCQNJC04800), fundo da ciência do Tribology do laboratório chave do estado do Tribology (no. SKLTKF17B18) e National natural Science Foundation da China (Grant no. 51805367) para o seu apoio.
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).
