قياس قوة التفاعل بين القطرة والركيزة فائقة رهاب الماء بواسطة طريقة ليفر البصرية

Summary

ويهدف البروتوكول إلى التحقيق في التفاعل بين القطرات والركيزة فائقة رهاب الماء في الهواء. ويشمل ذلك معايرة نظام القياس وقياس قوة التفاعل في ركائز فائقة رهاب الماء مع كسور شبكية مختلفة.

Abstract

والهدف من هذه الورقة هو التحقيق في قوة التفاعل بين قطرات وركائز فائقة رهاب الماء في الهواء. تم تصميم نظام قياس يستند إلى طريقة رافعة بصرية. يستخدم ناتئ ميليمتري كعنصر حساس للقوة في نظام القياس. أولا، يتم معايرة حساسية قوة العتلة البصرية باستخدام قوة كهرباء، وهي الخطوة الحاسمة في قياس قوة التفاعل. ثانيا، يتم إعداد ثلاثة ركائز فائقة hydrophobic مع كسور الشبكة المختلفة مع الجسيمات النانوية وشبكات النحاس. وأخيراً، فإن قوى التفاعل بين القطرات والركيزة فائقة رهاب الماء مع أجزاء الشبكة المختلفة تقاس من قبل النظام. ويمكن استخدام هذه الطريقة لقياس القوة على نطاق ميكرونيوتن الفرعي مع قرار على نطاق نانونيوتن. يمكن أن تساعد الدراسة المتعمقة لعملية الاتصال بالقطرات والهياكل فائقة رهاب الماء على تحسين كفاءة الإنتاج في الطلاء والأفلام والطباعة. كما يمكن استخدام نظام قياس القوة المصمم في هذه الورقة في مجالات أخرى لقياس القوة الدقيقة.

Introduction

الاتصال بين قطرة وسطح سوبر مسعور ة شائعة جدا في الحياة اليومية والإنتاج الصناعي: قطرات الماء انزلاق من سطح ورقة اللوتس^1،2، وstrider المياه السفر بسرعة فوق الماء^{3 4،5،6}. يمكن لطلاء سوبر هيدروفوبيك على السطح الخارجي للسفينة تساعد على الحد من درجة التآكل للسفينة والحد من مقاومة الملاحة^7،8،9،10. هناك قيمة كبيرة للإنتاج الصناعي والبحوث الحيوية في دراسة عملية الاتصال بين قطرة وسطح سوبر هيدروفوبيك.

لمراقبة عملية انتشار قطرات على سطح صلب، استخدم بيانس كاميرا عالية السرعة لتصوير عملية الاتصال ووجد أن مدة نظام بالقصور الذاتي يتم إصلاحها بشكل رئيسي من قبل حجم قطرة¹¹. قام Eddi بتصوير عملية الاتصال بين القطرة واللوحة الشفافة من الأسفل والجانب باستخدام كاميرا عالية السرعة، والتي كشفت بشكل شامل عن اختلاف دائرة نصف قطرها الاتصال من قطرة لزجة مع الوقت¹². بولسن الجمع بين طريقة كهربائية مع مراقبة الكاميرا عالية السرعة، وبالتالي تقليل وقت الاستجابة إلى 10 NS^13،14.

كما تم استخدام المجهر الذري للقوة (AFM) لقياس قوة التفاعل بين القطرة/الفقاعة والأسطح الصلبة. Vakarelski استخدام ناتئ AFM لقياس قوى التفاعل بين اثنين من الفقاعات الصغيرة (حوالي 80-140 ميكرومتر) في محلول مائي خلال الاصطدامات التي تسيطر عليها على نطاق ميكرومتر إلى نانومتر¹⁵. استخدم شي مزيجاً من AFM وانعكاس التداخل على النقيض من المجهر (RICM) لقياس قوة التفاعل في وقت واحد والتطور الصدغي للطبقة المائية رقيقة بين فقاعة الهواء وأسطح الميكا من هيدروفوبيسيتي ^{مختلفة 16,17}.

ومع ذلك، بما أن الكانتيلفيرز التجارية المستخدمة في AFM صغيرة جدا، فإن بقعة الليزر المشععة على ناتئ سوف تغمرها قطرات أو فقاعات. وAFM لديها صعوبات في قياس قوة التفاعل بين قطرات وقطرات / ركائز في الهواء.

في هذه الورقة، تم تصميم نظام قياس يستند إلى طريقة رافعة بصرية لقياس قوة التفاعل بين قطرات وركائز فائقة hydrophobic. يتم معايرة حساسية قوة العتلة البصرية (S_OL)بواسطة قوة كهروستاتيكية¹⁸، ومن ثم يتم قياس قوى التفاعل بين قطرات وركائز مختلفة فائقة hydrophobic بواسطة نظام القياس.

الرسم التخطيطي لنظام القياس مبين في الشكل 1. الليزر وموضع الكاشف الحساسة (PSD) تشكل نظام رافعة البصرية. يستخدم الكملي كانتيليفر السيليكون كعنصر حساس في النظام. يتم إصلاح الركيزة على النانو وضع z-المرحلة، والتي يمكن أن تتحرك في الاتجاه الرأسي. عندما تقترب الركيزة من القطرة، فإن قوة التفاعل تؤدي إلى الانحناء. وهكذا، فإن موقف بقعة الليزر على PSD تغيير، وسوف الجهد الناتج من PSD تغيير. الجهد الناتج من PSD V_P يتناسب مع قوة التفاعل F_ط، كما هو مبين في مكافئ. (1).

(1)

من أجل الحصول على قوة التفاعل، يجب معايرة_{S OL} أولا. يتم استخدام القوة الكهربائية كقوة قياسية في معايرة_{S OL}. كما هو مبين في الشكل 2، وناتئ والقطب تشكل مكثف لوحة موازية ، والتي يمكن أن تولد قوة كهرباء في اتجاه عمودي. يتم تحديد قوة الكهروستاتيكية F_ES من قبل الجهد من التيار الكهربائي العاصمة ق_ق، كما هو مبين في مكافئ. (2)^19،20،21.

(2)

حيث C هو السعة من مكثف لوحة موازية، z هو النزوح من نهاية ناتئ الحرة، وdC/dz يسمى التدرج السعة. ويمكن قياس السعة بواسطة جسر السعة. ويمكن تركيب العلاقة الرياضية بين C و z بواسطة متعدد الحدود التربيعي، كما هو مبين في مكافئ. (3).

(3)

حيث Q و P و CT هي معاملات المصطلح التربيعي، والمصطلح الأولي والمصطلح الثابت على التوالي. ولذلك، يمكن التعبير عن القوة الكهروستاتيكية F_es على أنها مكافئة. (4).

(4)

بما أنّ التداخل منطقة من اثنان لوحات من المكثف جدّا صغيرة, القوة مرنة يتصرّف على ال [كنتلفير] يستطيع كنت عبّر عن ك [إق]. (5), وفقا ل [هوك] قانون:

(5)

حيث ك هو صلابة ناتئ.

عندما تكون القوة المرنة وقوة كهرباء ثابتة المطبقة على ناتئ متساوية (أي،F_ط = F_ES)،كانت ناتئ في التوازن. (6) يمكن أن تستمد من Eqs. (1) و (2) و (5):

(6)

من أجل تقليل عدم اليقين من نتائج المعايرة، يتم استخدام طريقة الفرق لحساب_{S OL}. نتائج تجربتين تؤخذ على النحو V_s1، V_p1 و V_s2، V_p2، ويتم استبدالها في مكافئ (6):

(7)

تحويل المعادلات وطرح المعادلة السفلية من المعادلة العليا في Eq. (7)، يتم القضاء على المعلمات Q و k. ثم يتم الحصول على صيغة المعايرة من_S OL، كما هو مبين في مكافئ. (8):

(8)

إجراء سلسلة من التجارب، يتم رسم منحنى مع P (1 /V_p1-1 /V_P2)كما تنسيق و 2 (1 /V_s1²-1 /V_S2²⁾كما abscissa. الميل من المنحنى S_OL.

بعد الحصول على S_OL، سيتم استبدال القطب بركائز مختلفة فائقة hydrophobic. وستقاس قوى التفاعل بين القطرات والركائز فائقة الرهاب المائي بالنظام المبين في الشكل 1.

Protocol

1. تجميع نظام معايرة_{S OL}

1. تجميع نظام المعايرة S_OL وفقا للمخطط التخطيطي المبين في الشكل 2.
2. إصلاح الليزر لدعم، مما يجعل زاوية بين الليزر والاتجاه الأفقي تكون 45 درجة.
3. إصلاح PSD إلى دعم آخر، مما يجعل PSD عمودي ليزر. قم بتوصيل PSD بجهاز الحصول على البيانات وجهاز الحصول على البيانات بالكمبيوتر.
   ملاحظة: يتم تحديد هذه الزوايا بواسطة القياس البصري للمربّب ولا يلزم أن تكون بالضبط 45 درجة أو 90 درجة.
4. إصلاح نهاية أوسع من ناتئ إلى جهاز عقد بينما يتم تعليق الطرف الآخر. إصلاح جهاز عقد إلى ثنائية الأبعاد عالية الدقة مرحلة الإزاحة.
   ملاحظة: يتم عرض أبعاد ناتئ في الشكل 3.
5. إصلاح القطب لوحة إلى nanopositioning z-المرحلة بواسطة جهاز لقط.
   ملاحظة: يمكن أن النانو وضع ي مرحلة جلب القطب للتحرك على طول المحور z مع قرار الإزاحة من 1 نانومتر.
6. ربط القطب الإيجابي للجسر بالسعة مع ناتئ والقطب السلبي مع قطب لوحة.
7. تثبيت كاميرا عالية السرعة، خط البصر هو عمودي على ناتئ.
8. ضبط موقف القطب لوحة، مما يجعل المسافة العمودية بين القطب لوحة وناتئ تكون حوالي 100 ميكرومتر، وطول التداخل حوالي 0.5 ملم.
   ملاحظة: يتم التحقق من هذه المسافات بواسطة معالجة الصورة.

2. قياس التدرج السعة

1. استخدام الكمبيوتر للسيطرة على جسر السعة لجمع التغيرات السعة بين قطب لوحة وناتئ في الوقت الحقيقي. تعيين معدل أخذ العينات إلى 0.5 هرتز.
2. التحكم في nanopositioning z-المرحلة بواسطة الكمبيوتر لدفع القطب لوحة إلى خطوة إلى أعلى مع خطوة من 10 ميكرومتر ورقم خطوة من 6 والبقاء لمدة 10 ثانية بعد كل حركة.
3. قم بتغيير اتجاه حركة قطب اللوحة إلى أسفل، وكرر الخطوة 2.2.
4. تحديد العلاقة بين السعة وإزاحة قطب اللوحة في نتيجة القياس، والحصول على قيمة P وفقا لEQ. (3).
5. كرر الخطوات من 2.1 إلى 2.4 5x وحساب متوسط قيمة P.

3. معايرة رافعة البصرية

1. افصل الاتصال بين الجسر بالسعة والقطب الناتئ / لوحة.
2. توصيل القطب الإيجابي من التيار الكهربائي العاصمة مع ناتئ والقطب السلبي مع قطب لوحة.
3. ضبط الموقف النسبي بين الليزر، PSD والناتئ لجعل الليزر ينعكس على PSD بواسطة ناتئ.
   ملاحظة: بقعة الليزر هو دائرة حوالي 2 ملم في القطر.
4. التحكم في التيار الكهربائي العاصمة عن طريق الكمبيوتر لتطبيق الجهد متفاوتة مع مرور الوقت على مكثف لوحة موازية. في الوقت نفسه، جمع الجهد الناتج من PSD في الوقت الحقيقي من قبل جهاز الحصول على البيانات.
   1. تعيين معدل أخذ العينات من جهاز الحصول على البيانات إلى 1000 هرتز.
   2. تعيين الجهد الأولي للامدادات الطاقة العاصمة إلى 0 V وعقد لمدة 5 s.
   3. زيادة الجهد بنسبة 25 فولت وعقد لمدة 5 ق.
   4. كرر الخطوة 3.4.3 4x حتى يزيد الجهد إلى 125 V.
   5. تقليل الجهد بنسبة 25 فولت وعقد لمدة 5 ق.
   6. كرر الخطوة 3.4.5 4x حتى ينخفض الجهد إلى 0 V.
5. تحديد العلاقة حول الجهد الناتج من PSD والجهد العرض العاصمة في نتيجة القياس، والحصول على قيمة_{S OL} وفقا لEq. (8).
6. كرر الخطوات 3.4-3.5 5x وحساب متوسط قيمة_{S OL}.

4. إعداد ركائز فائقة رهاب الماء

1. إعداد ثلاث شبكات النحاس دائرية مع نفس قطر 3 مم وكسور الشبكة المختلفة. وكسور شبكتها هي 46.18 في المائة و51.39 في المائة و58.79 في المائة على التوالي.
   ملاحظة: هذه الشبكات النحاسية هي المنتجات التجارية التي تم شراؤها.
2. رش الجسيمات النانوية على ثلاث شبكات نحاسية للحصول على ركائز فائقة رهاب الماء مع بنية صغيرة وهيدروفوبيسيتي.
   1. رش المعطف الأساسي على شبكة النحاس.
   2. رش المعطف العلوي على شبكة النحاس عندما يكون المعطف الأول جافًا.
      ملاحظة: يتم تعبئة الجسيمات النانوية في علبة مع رئيس رذاذ. وسيتم رش الجسيمات النانوية عن طريق الضغط على رأس رذاذ عند استخدامها.
3. الغراء شبكات النحاس على جانب اسطوانات بقطر 3 ملم للحصول على سطح فائقة hydrophobic هيكل مع انحناء 1/3 مم^-1.

5. قياس قوة التفاعل بين قطرات وركائز فائقة hydrophobic

1. افصل الاتصال بين التيار الكهربائي وقطب الكتول/الصحن. إزالة قطب لوحة من nanopositioning z-المرحلة.
2. إصلاح دعم لوحة إلى nanopositioning z-المرحلة.
3. تثبيت كاميرا عالية السرعة، خط البصر هو عمودي على ناتئ.
4. تعليق قطرة على السطح السفلي من نهاية حرة من ناتئ.
   1. ضع هيكلًا فائقًا للرهاب المائي بزاوية اتصال تبلغ 180 درجة تقريبًا على دعم اللوحة.
   2. ضع قطرة 2 ميكرولتر على بنية فائقة رهاب الماء باستخدام ميكروبيبتيتور.
   3. التحكم في nanopositioning z-المرحلة باستخدام البرمجيات (على سبيل المثال، PIMikroMove) لدفع قطرة للتحرك صعودا.
      1. في مربع الحوار، قم بتعيين السرعة إلى 10 μm/s.
      2. انقر فوق زر الأمام وتبدأ القطرة في التحرك صعودا.
      3. انقر فوق الزر إيقاف عندما يتصل القطرة مع نهاية حرة من ناتئ.
   4. البقاء لمدة 1 أو 2 ثانية، ومن ثم السيطرة على nanopositioning z-المرحلة لدفع هيكل سوبر هيدروفوبيك بعيدا عن ناتئ.
      ملاحظة: بما أن ناتئ السيليكون هو مائي، يتم تعليق القطرة على السطح السفلي للنهاية الحرة للناتئ، وتشكيل قطرة نصف كروية بقطر حوالي 0.5 ملم.
   5. إزالة هيكل فائقة hydrophobic مع زاوية اتصال من 180 درجة تقريبا من دعم لوحة.
5. ضع الركيزة فائقة hydrophobic مع جزء الشبكة من 46.18٪ على دعم لوحة.
6. ضبط موقف دعم لوحة، مما يجعل المسافة العمودية بين الركيزة فائقة hydrophobic وقطرة نصف كروية يكون حوالي 100 ميكرومتر.
   ملاحظة: يتم التحقق من المسافة بواسطة معالجة الصورة.
7. قم بتشغيل PSD والليزر وكاميرا عالية السرعة.
8. السيطرة على جهاز الحصول على البيانات عن طريق الكمبيوتر لجمع الجهد الناتج من PSD في الوقت الحقيقي. تعيين معدل أخذ العينات إلى 100 كيلو هرتز.
9. تعيين السرعة إلى 10 ميكرومتر / س في البرنامج، ثم انقر فوق زر الأمام، بحيث الركيزة فائقة hydrophobic يتحرك تدريجيا أقرب إلى قطرة.
10. انقر فوق زر إيقاف عند الركيزة فائقة hydrophobic ونقطة الاتصال قطرة.
11. تعيين السرعة إلى 10 μm / s في البرنامج، ثم انقر فوق زر العودة لدفع الركيزة فائقة hydrophobic للتحرك إلى أسفل.
12. انقر فوق زر إيقاف عندما يتم فصل الركيزة فائقة hydrophobic من قطرة.
13. رسم منحنى الجهد الناتج من PSD متفاوتة مع مرور الوقت.
14. كرر الخطوات 5.4-5.13 باستخدام ركائز فائقة رهاب الماء مع أجزاء الشبكة من 51.39٪ و 58.79٪.
15. تحليل العلاقة بين قوة التفاعل والجزء الشبكي من الركيزة فائقة hydrophobic.

النتائج

ويرد في الجدول 1إزاحة قطب اللوحة والسعة المقابلة بين ناتئ الناتئ والقطب المقيس في تجربة واحدة . العلاقة بين السعة C والتشريد z يتم تركيبها بواسطة متعدد الحدود التربيعي باستخدام الدالة polyfit في MATLAB، كما هو مبين في الشكل 4. يمكن الحصول على أول معامل من الدرجة P...

Discussion

في هذا البروتوكول، يتم تجميع نظام قياس يستند إلى طريقة رافعة بصرية ومعايرة، وهو مصمم لقياس قوة التفاعل بين القطرات وركائز فائقة hydrophobic. من بين جميع الخطوات، من المهم معايرة S_OL باستخدام قوة كهرباء. نتائج تجربة المعايرة تحقق من مكافئ. (8): P(1/Vp1-1/V_p2)يتناسب مع 2 (1/V_s1...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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.