用光学杠杆方法测量液滴和超疏水基板之间的相互作用力

摘要

该协议旨在研究水滴和空气中超疏水基板之间的相互作用。这包括校准测量系统,测量具有不同网格分数的超疏水基板的相互作用力。

摘要

本文旨在研究空气中液滴与超疏水基板之间的相互作用力。设计了一种基于光学杠杆方法的测量系统。在测量系统中,毫米悬臂用作力敏感元件。首先,使用静电对光学杠杆的力灵敏度进行校准,这是测量相互作用力的关键步骤。其次,用纳米粒子和铜网格制备三种具有不同网格分数的超疏水基板。最后,通过系统测量了液滴与具有不同网格分数的超疏水基板之间的相互作用力。该方法可用于测量亚微牛顿尺度上的力,分辨率为纳米牛顿。深入研究液滴和超疏水性结构的接触过程,有助于提高涂层、薄膜和印刷的生产效率。本文设计的力测量系统也可用于微力测量的其他领域。

引言

水滴和超疏水表面的接触在日常生活和工业生产中很常见:水滴从莲叶1、2的表面滑落,水滴在水中快速^{移动3 ,4,5,6}.船舶外表面的超疏水涂层可以帮助降低船舶的腐蚀程度,降低航行7、8、9、10的阻力。在研究液滴和超疏水表面的接触过程方面,工业生产和仿生学研究具有十分重要的意义。

为了观察液滴在固体表面上的扩散过程,Biance使用高速相机拍摄了接触过程,发现惯性系统持续时间主要由11的液滴大小固定。Eddi使用高速相机从底部和侧面拍摄了滴滴与透明板之间的接触过程,全面揭示了粘性滴接触半径的变化与^时间12。保罗森将一种电气方法与高速摄像机观察相结合,从而将响应时间缩短到10ns13,14。

原子力显微镜 (AFM) 也用于测量水滴/气泡与固体表面之间的相互作用力。Vakarelski使用AFM悬臂测量两个小气泡(约80-140μm)在水溶液中的相互作用力,在微米到^纳米15的受控碰撞中。施用AFM和反射干涉对比显微镜(RICM)的组合,同时测量气泡和不同疏水的^{云母表面之间的相互作用力和时空演化。16,17}.

然而,由于AFM中使用的商业悬臂太小,悬臂上照射的激光点将被飞沫或气泡淹没。AFM 难以测量空气中液滴和液滴/基板之间的相互作用力。

本文设计了一种基于光学杠杆方法的测量系统,用于测量液滴与超疏水基板之间的相互作用力。光学杠杆(S OL)的力灵敏度通过^静电18进行校准,然后通过测量系统测量液滴与不同超疏水基板之间的相互作用力。

测量系统的示意图如图1所示。激光和位置敏感探测器 (PSD) 构成光学操纵器系统。毫米硅悬臂用作系统中的敏感组件。基板固定在纳米定位z级上,可以垂直移动。当基板接近滴时,相互作用力导致悬臂弯曲。因此,激光点在 PSD 上的位置将发生变化,PSD 的输出电压也将发生变化。PSD V_p的输出电压与交互力F_i成正比,如 Eq. (1) 所示。

⑴

为了获得相互作用力,必须首先校准S_OL。静电作为S_OL校准的标准力。如图2所示,悬臂和电极组成一个平行板电容器,可产生垂直方向的静电。静电F_由直流电源Vs的电压决定,如Eq.(2)19、20、21 所示。

(2)

其中C是平行板电容器的电容,z是悬臂自由端的位移,dC/dz称为电容梯度。电容可以通过电容桥进行测量。C和z之间的数学关系可以通过二次多项式来拟合,如 Eq. (3 所示)。

(3)

其中 Q、P 和 CT 分别是二次项、主项和常量项的系数。因此,静电F _es可以表示为Eq.(4)。

(4)

由于电容器两个板的重叠面积非常小,根据胡克定律,悬臂上的弹性力可以表示为 Eq.(5):

(5)

其中k是悬臂的刚度。

当施加在悬臂上的弹性力和静力相等时(即,F_i = F_es),悬臂处于平衡状态。Eq. (6) 可以从 Eq 派生。(1)、(2)和(5):

(6)

为了降低校准结果的不确定性,采用差值法计算S_OL。两个实验的结果被作为V_s1,Vp1和V_s2,Vp2,并被替换到Eq.(6):

(7)

变换方程,从Eq.(7)的上方程中减去下方程,参数Q和k被消除。然后得到S_OL的校准公式,如Eq.(8)所示:

(8)

执行一系列实验,以P(1/V_p1-1/Vp2)为坐标,2(1/V_s12-1/V_s22)作为腹肌。曲线的斜率为 S_OL。

获得S_OL后,电极将被不同的超疏水基板所取代。液滴和超疏水基板之间的相互作用力将通过如图1所示的系统进行测量。

研究方案

1. S_OL校准系统的装配

1. 根据图2所示的原理图组装S_OL校准系统。
2. 将激光固定到支架上,使激光与水平方向之间的角度为 45°。
3. 将 PSD 固定到另一个支架上,使 PSD 垂直于激光。将 PSD 连接到数据采集设备,将数据采集设备连接到计算机。
   注:这些角度由实验者的视觉测量确定,不需要精确为 45° 或 90°。
4. 将悬臂的较宽端固定到保持装置上,而另一端则挂起。将保持装置固定到二维高精度位移阶段。
   注:悬臂的尺寸如图3所示。
5. 通过夹紧装置将板电极固定到纳米定位 z 级。
   注:纳米定位 z 级可使电极沿 z 轴移动,位移分辨率为 1 nm。
6. 电容式桥的正极与悬臂,用板电极连接负极。
7. 安装一个高速摄像机,其视线垂直于悬臂。
8. 调整板电极的位置,使板电极与悬臂之间的垂直距离约为100μm,重叠长度约为0.5 mm。
   注: 这些距离通过图像处理进行检查。

2. 电容梯度的测量

1. 使用计算机控制电容桥,实时收集板电极和悬臂之间的电容变化。将采样速率设置为 0.5 Hz。
2. 通过计算机控制纳米定位 z 级,以驱动板电极以 10 μm 的步长和 6 的步数向上移动,并在每次移动后保持 10 秒。
3. 将板电极的运动方向向下更改,并重复步骤 2.2。
4. 在测量结果中确定板电极的电容和位移之间的关系,并根据Eq.(3)获得P值。
5. 重复步骤 2.1×2.4 5x 并计算 P 的平均值。

3. 光学操纵杆的校准

1. 断开电容式电桥和悬臂/板电极之间的连接。
2. 将直流电源的正极与悬臂和负极与板电极连接。
3. 调整激光、PSD 和悬臂之间的相对位置,使激光通过悬臂在 PSD 上反射。
   注:激光点是一个直径约2毫米的圆。
4. 通过计算机控制直流电源,在并联板电容器上施加电压随时间变化。同时,通过数据采集装置实时采集PSD的输出电压。
   1. 将数据采集设备的采样速率设置为 1,000 Hz。
   2. 将直流电源的初始电压设置为 0 V 并保持 5 s。
   3. 将电压增加 25 V 并保持 5 s。
   4. 重复步骤 3.4.3 4x,直到电压增加到 125 V。
   5. 将电压降低 25 V 并保持 5 s。
   6. 重复步骤 3.4.5 4x,直到电压降至 0 V。
5. 确定测量结果中PSD输出电压与直流电源电压的关系,并根据Eq.(8)获得S_OL值。
6. 重复步骤 3.4×3.5 5x 并计算 S_OL的平均值。

4. 制备超疏水基板

1. 准备三个直径为 3 mm 和不同网格分数的圆形铜网格。其网格分数分别为46.18%、51.39%和58.79%。
   注:这些铜网是购买的商业产品。
2. 将纳米粒子喷洒到三个铜网格上,以获得具有微结构和疏水性的超疏水基板。
   1. 将底涂层喷涂到铜格上。
   2. 当第一层涂层干燥时,将上涂层喷洒到铜格栅上。
      注:纳米颗粒用喷头装在罐中。使用时,纳米颗粒将通过按喷头进行喷涂。
3. 将直径为3毫米的圆柱体侧面的铜格栅粘上,以获得曲率为1/3^mm-1的表面超疏水结构。

5. 水滴和超疏水基板相互作用力的测量

1. 断开直流电源和悬臂/板电极之间的连接。从纳米定位 z 级上拆下板电极。
2. 将板支撑固定到纳米定位 z 级。
3. 安装一个高速摄像机,其视线垂直于悬臂。
4. 将水滴悬挂在悬臂自由端的下表面。
   1. 将接触角接近 180° 的超疏水结构放置在板支架上。
   2. 使用微管剂在超疏水结构上放置2μL液滴。
   3. 使用软件(例如 PIMikroMove)控制纳米定位 z 级,以驱动滴向上移动。
      1. 在对话框中,将速度设置为 10 μm/s。
      2. 单击"前进"按钮,滴开始向上移动。
      3. 当飞沫与悬臂的自由端接触时,单击"停止"按钮。
   4. 停留 1 或 2 秒,然后控制纳米定位 z 级,将超疏水性结构从悬臂上移开。
      注:由于硅悬臂是亲水性的,液滴悬浮在悬臂自由端的下表面,形成直径约0.5毫米的半球液滴。
   5. 从板支架上拆下接触角度接近 180° 的超疏水性结构。
5. 将具有46.18%网格分数的超疏水基板放在板支撑上。
6. 调整板支撑的位置,使超疏水基板与半球液滴之间的垂直距离约为100μm。
   注: 通过图像处理检查距离。
7. 打开 PSD、激光和高速摄像头。
8. 通过计算机控制数据采集装置,实时采集PSD的输出电压。将采样速率设置为 100 kHz。
9. 在软件中将速度设置为 10 μm/s,然后单击"前进"按钮,使超疏水基板逐渐靠近液滴。
10. 当超疏水基板和液滴接触时,单击"停止"按钮。
11. 在软件中将速度设置为 10 μm/s,然后单击"后退"按钮以驱动超疏水基板向下移动。
12. 当超疏水基板与液滴分离时,单击"停止"按钮。
13. 绘制 PSD 输出电压随时间变化的曲线。
14. 使用网格分数为 51.39% 和 58.79% 的超疏水基板重复步骤 5.4_5.13。
15. 分析超疏水基板的相互作用力与网格分数的关系。

结果

表1显示了板电极的位移和悬臂与电极之间相应的电容。电容C和位移z之间的关系由二次多项式使用MATLAB中的多合函数拟合,如图4所示。 一阶系数 P 可以通过拟合函数获得。P的最终值为0.2799 pF/mm,这是根据10个实验结果计算的平均值。

表2显示了一个实验中PSD的电源电压和相应的输出电压。PSD V_p的输出电...

讨论

在此协议中,组装和校准了基于光学杠杆方法的测量系统,用于测量液滴与超疏水基板之间的相互作用力。在所有步骤中,使用静电校准 S_OL至关重要。校准实验的结果验证Eq.(8):P(1/V_p1-1/V_p2)与2(1/V_s1^2-1/V_s2²⁾成正比,从而可以获得通过 PSD 的输出电压测量的力。通过测量不同疏水性液滴与超疏水基板之间的相互作用力的实验...

材料

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.