Messung der Wechselwirkungskraft zwischen einem Tröpfchen und einem superhydrophoben Substrat durch die Optische Hebelmethode

Zusammenfassung

Das Protokoll zielt darauf ab, die Wechselwirkung zwischen Tröpfchen und superhydrophoben Substraten in der Luft zu untersuchen. Dazu gehören die Kalibrierung des Messsystems und die Messung der Wechselwirkungskraft an superhydrophoben Substraten mit unterschiedlichen Gitterfraktionen.

Zusammenfassung

Ziel dieses Papiers ist es, die Wechselwirkungskraft zwischen Tröpfchen und superhydrophoben Substraten in der Luft zu untersuchen. Ein Messsystem auf Basis eines optischen Hebelverfahrens ist konzipiert. Ein millimetrischer Ausleger wird als kraftempfindliche Komponente im Messsystem verwendet. Zunächst wird die Kraftempfindlichkeit des optischen Hebels mit elektrostatischer Kraft kalibriert, was der entscheidende Schritt bei der Messung der Wechselwirkungskraft ist. Zweitens werden drei superhydrophobe Substrate mit unterschiedlichen Gitterfraktionen mit Nanopartikeln und Kupfergittern hergestellt. Schließlich werden die Wechselwirkungskräfte zwischen Tröpfchen und superhydrophoben Substraten mit unterschiedlichen Gitterfraktionen vom System gemessen. Diese Methode kann verwendet werden, um die Kraft auf der Skala von Submikronewton mit einer Auflösung auf der Skala von Nanonewton zu messen. Die eingehende Untersuchung des Kontaktprozesses von Tröpfchen und superhydrophoben Strukturen kann dazu beitragen, die Produktionseffizienz bei Beschichtung, Folie und Druck zu verbessern. Das in diesem Papier entwickelte Kraftmesssystem kann auch in anderen Bereichen der Mikrokraftmessung eingesetzt werden.

Einleitung

Der Kontakt zwischen einem Tröpfchen und einer superhydrophoben Oberfläche ist sehr häufig im täglichen Leben und in der industriellen Produktion: Wassertröpfchen gleiten von der Oberfläche des Lotusblattes^1,2, und ein Wassersttrider, der schnell über das Wasser wandert^{3 ,4,5,6}. Eine superhydrophobe Beschichtung auf der Außenseite eines Schiffes kann helfen, den Korrosionsgrad des Schiffes zu reduzieren und den Widerstand der Navigation^7,8,9,10zu reduzieren. Bei der Untersuchung des Kontaktprozesses zwischen einem Tröpfchen und einer superhydrophoben Oberfläche ist ein großer Wert für die industrielle Produktion und die Bionik-Forschung.

Um den Streuvorgang von Tröpfchen auf einer festen Oberfläche zu beobachten, verwendete Biance eine Hochgeschwindigkeitskamera, um den Kontaktprozess zu fotografieren, und stellte fest, dass die Dauer des Trägzregimes hauptsächlich durch die Tropfengröße¹¹festgelegt wird. Eddi fotografierte den Kontaktprozess zwischen dem Tröpfchen und der transparenten Platte von unten und seitlich mit einer Hochgeschwindigkeitskamera, die die Variation des Kontaktradius des zähflüssigen Tröpfchens mit der Zeit¹²umfassend offenbarte. Paulsen kombinierte eine elektrische Methode mit Hochgeschwindigkeitskamerabeobachtung, wodurch die Ansprechzeit auf 10 ns^13,14reduziert wurde.

Die Atomkraftmikroskopie (AFM) wurde auch verwendet, um die Wechselwirkungskraft zwischen Tröpfchen/Blase und festen Oberflächen zu messen. Vakarelski verwendete einen AFM-Ausleger, um die Wechselwirkungskräfte zwischen zwei kleinen Blasen (ca. 80-140 m) in wässriger Lösung bei kontrollierten Kollisionen auf der Skala von Mikrometern auf Nanometer¹⁵zu messen. Shi verwendete eine Kombination aus AFM- und Reflexionsinterferenzkontrastmikroskopie (RICM), um gleichzeitig die Wechselwirkungskraft und die raumzeitliche Entwicklung des dünnwasservermessenden Films zwischen einer Luftblase und Glimmeroberflächen unterschiedlicher Hydrophobie ^{zu messen. 16,17}.

Da jedoch kommerzielle Ausleger, die in AFM verwendet werden, zu klein sind, würde der auf dem Ausleger bestrahlte Laserfleck von Tröpfchen oder Blasen untergetaucht. Der AFM hat Schwierigkeiten, die Wechselwirkungskraft zwischen Tröpfchen und Tröpfchen/Substraten in der Luft zu messen.

In diesem Papier wurde ein Messsystem auf Basis eines optischen Hebelverfahrens entwickelt, um die Wechselwirkungskraft zwischen Tröpfchen und superhydrophoben Substraten zu messen. Die Kraftempfindlichkeit des optischen Hebels (S_OL) wird durch elektrostatische Kraft¹⁸kalibriert und dann werden die Wechselwirkungskräfte zwischen Tröpfchen und verschiedenen superhydrophoben Substraten vom Messsystem gemessen.

Das Schema des Messsystems ist in Abbildung 1dargestellt. Der Laser- und Positionsempfindliche Detektor (PSD) bilden das optische Hebelsystem. Ein millimetrischer Siliziumausleger wird als empfindliche Komponente im System verwendet. Das Substrat ist auf der nanopositionierenden Z-Bühne fixiert, die sich in vertikaler Richtung bewegen kann. Wenn sich das Substrat dem Tröpfchen nähert, bewirkt die Wechselwirkungskraft, dass sich der Ausleger beugt. So ändert sich die Position des Laserflecks auf PSD, und die Ausgangsspannung von PSD ändert sich. Die Ausgangsspannung von PSD V_p ist proportional zur Wechselwirkungskraft F_i, wie in Eq. (1) dargestellt.

①

Um die Wechselwirkungskraft zu erhalten, muss Zuerst S_OL kalibriert werden. Die elektrostatische Kraft wird als Standardkraft bei der Kalibrierung von S_OLverwendet. Wie in Abbildung 2dargestellt, bilden der Ausleger und die Elektrode einen parallelen Plattenkondensator, der elektrostatische Kraft in vertikaler Richtung erzeugen könnte. Die elektrostatische Kraft F_es wird durch die Spannung des Gleichstromnetzes V_sbestimmt, wie in Eq. (2)^19,20,21dargestellt.

②

wobei C die Kapazität des parallelen Plattenkondensators ist, z die Verschiebung des freienmitschrichterfreien Endes und dC/dz als Kapazitätsgradient bezeichnet wird. Die Kapazität konnte an der Kapazitätsbrücke gemessen werden. Die mathematische Beziehung zwischen C und z kann durch ein quadratisches Polynom angepasst werden, wie in Eq. (3) dargestellt.

③

wobei Q, P und CT die Koeffizienten des quadratischen Begriffs, des Primärbegriffs bzw. des konstanten Terms sind. Daher kann die elektrostatische Kraft F_es als Eq. (4) ausgedrückt werden.

④

Da die Überlappungsfläche zweier Platten des Kondensators sehr klein ist, kann die auf den Ausleger einwirkte elastische Kraft als Eq. (5) ausgedrückt werden, nach Hookes Gesetz:

(5)

wobei k die Steifigkeit des Auslegers ist.

Wenn die elastische Kraft und die elektrostatische Kraft, die auf den Ausleger angewendet werden, gleich sind (d.h.F_i = F_es), befindet sich der Ausleger im Gleichgewicht. Eq. (6) kann aus Eqs abgeleitet werden. (1), (2) und (5):

(6)

Um die Unsicherheit der Kalibrierergebnisse zu reduzieren, wird eine Differenzmethode zur Berechnung von S_OLverwendet. Die Ergebnisse von zwei Experimenten werden als V_s1, V_p1 und V_s2, V_p2, und in Eq. (6) ersetzt:

(7)

Durch Transformieren der Gleichungen und Subtrahieren der unteren Gleichung von der oberen Gleichung in Eq. (7) werden die Parameter Q und k eliminiert. Dann wird die Kalibrierformel von S_OL erhalten, wie in Eq. (8) dargestellt:

(8)

Bei einer Reihe von Experimenten wird die Kurve mit P(1/V_p1-1/V_p2) als Ordinate und 2(1/V_s1²-1/V_s2²) als Abszisse gezeichnet. Die Neigung der Kurve ist S_OL.

Nach Erhalt von S_OLwird die Elektrode durch verschiedene superhydrophobe Substrate ersetzt. Die Wechselwirkungskräfte zwischen Tröpfchen und superhydrophoben Substraten werden durch das in Abbildung 1dargestellte System gemessen.

Protokoll

1. Montage des S_OL Kalibriersystems

1. Montieren Sie das S_OL Kalibriersystem gemäß dem Schaltplan in Abbildung 2.
2. Befestigen Sie den Laser an einer Stütze, sodass der Winkel zwischen dem Laser und der horizontalen Richtung 45° beträgt.
3. Fixieren Sie die PSD an einer anderen Stütze, so dass die PSD senkrecht zum Laser. Verbinden Sie die PSD mit dem Datenerfassungsgerät und dem Datenerfassungsgerät mit dem Computer.
   HINWEIS: Diese Winkel werden durch die visuelle Messung des Experimentators bestimmt und müssen nicht genau 45° oder 90° betragen.
4. Fixieren Sie das breitere Ende des Auslegers an einem Haltegerät, während das andere Ende aufgehängt wird. Befestigen Sie die Haltevorrichtung auf einer zweidimensionalen hochpräzisen Verschiebungsstufe.
   HINWEIS: Die Abmessungen des Auslegers sind in Abbildung 3dargestellt.
5. Befestigen Sie die Plattenelektrode mit einer Spannvorrichtung am Nanopositionier-Z-Stadium.
   HINWEIS: Die nanopositionielle Z-Stufe kann die Elektrode dazu bringen, sich entlang der Z-Achse mit einer Verschiebungsauflösung von 1 nm zu bewegen.
6. Verbinden Sie den positiven Pol der kapazitiven Brücke mit dem Ausleger und den Negativpol mit der Plattenelektrode.
7. Installieren Sie eine Hochgeschwindigkeitskamera, deren Sichtlinie senkrecht zum Ausleger ist.
8. Passen Sie die Position der Plattenelektrode an, sodass der vertikale Abstand zwischen der Plattenelektrode und dem Ausleger etwa 100 mm und die Überlappungslänge etwa 0,5 mm beträgt.
   HINWEIS: Diese Abstände werden durch Bildverarbeitung überprüft.

2. Messung des Kapazitätsgradienten

1. Verwenden Sie den Computer, um die Kapazitätsbrücke zu steuern, um die Kapazitätsänderungen zwischen der Plattenelektrode und dem Ausleger in Echtzeit zu erfassen. Stellen Sie die Abtastrate auf 0,5 Hz ein.
2. Steuern Sie die Nanopositionierung Z-Stufe durch Computer, um die Plattenelektrode zu fahren, um mit einem Schritt von 10 m und einer Schrittzahl von 6 nach oben zu treten und bleiben Sie für 10 s nach jeder Bewegung.
3. Ändern Sie die Bewegungsrichtung der Plattenelektrode nach unten, und wiederholen Sie Schritt 2.2.
4. Bestimmen Sie die Beziehung zwischen der Kapazität und Verschiebung der Plattenelektrode im Messergebnis und erhalten Sie den Wert von P gemäß Eq. (3).
5. Wiederholen Sie die Schritte 2.1–2.4 5x und berechnen Sie den Durchschnittswert von P.

3. Kalibrierung des optischen Hebels

1. Trennen Sie die Verbindung zwischen der kapazitiven Brücke und der Ausleger-/Plattenelektrode.
2. Schließen Sie den positiven Pol des Gleichstromnetzteils mit dem Ausleger und den Negativpol mit der Plattenelektrode an.
3. Passen Sie die relative Position zwischen Laser, PSD und Ausleger an, um den Laser durch Ausleger auf PSD reflektiert zu machen.
   HINWEIS: Der Laserfleck ist ein Kreis mit einem Durchmesser von etwa 2 mm.
4. Steuern Sie die GLEICHstromversorgung per Computer, um die Spannung mit der Zeit auf dem parallelen Plattenkondensator variierend anzuwenden. Gleichzeitig erfassen Sie die Ausgangsspannung von PSD in Echtzeit durch das Datenerfassungsgerät.
   1. Stellen Sie die Abtastrate des Datenerfassungsgeräts auf 1.000 Hz ein.
   2. Stellen Sie die Anfangsspannung des GLEICHstromnetzteils auf 0 V und halten Sie 5 s.
   3. Erhöhen Sie die Spannung um 25 V und halten Sie für 5 s.
   4. Wiederholen Sie Schritt 3.4.3 4x, bis die Spannung auf 125 V steigt.
   5. Verringern Sie die Spannung um 25 V und halten Sie für 5 s.
   6. Wiederholen Sie Schritt 3.4.5 4x, bis die Spannung auf 0 V sinkt.
5. Bestimmen Sie die Beziehung über die Ausgangsspannung von PSD und die DC-Versorgungsspannung im Messergebnis und erhalten Sie den Wert von S_OL nach Eq. (8).
6. Wiederholen Sie die Schritte 3.4–3.5 5x, und berechnen Sie den Durchschnittswert von S_OL.

4. Herstellung von superhydrophoben Substraten

1. Bereiten Sie drei kreisförmige Kupfergitter mit dem gleichen Durchmesser von 3 mm und unterschiedlicheGitterfraktionen vor. Ihre Netzfraktionen liegen bei 46,18 %, 51,39 % bzw. 58,79 %.
   HINWEIS: Diese Kupfernetze sind kommerzielle Produkte, die gekauft wurden.
2. Sprühen Sie die Nanopartikel auf drei Kupfergitter, um superhydrophobe Substrate mit Mikrostruktur und Hydrophobie zu erhalten.
   1. Sprühen Sie die Grundschicht auf das Kupfergitter.
   2. Sprühen Sie die Deckschicht auf das Kupfergitter, wenn die erste Schicht trocken ist.
      HINWEIS: Die Nanopartikel werden in einer Dose mit einem Sprühkopf verpackt. Die Nanopartikel werden durch Drücken des Sprühkopfes bei Verwendung gesprüht.
3. Kleben Sie die Kupfergitter an der Seite der Zylinder mit einem Durchmesser von 3 mm, um eine Oberfläche super-hydrophobe Struktur mit einer Krümmung von 1/3 mm^-1zu erhalten.

5. Messung der Wechselwirkungskraft zwischen Tröpfchen und superhydrophoben Substraten

1. Trennen Sie die Verbindung zwischen dem GLEICHstromnetzteil und der Ausleger-/Plattenelektrode. Entfernen Sie die Plattenelektrode aus der Nanopositionierung z-Stufe.
2. Fix eine Plattenstütze auf die Nanopositionierung z-Stufe.
3. Installieren Sie eine Hochgeschwindigkeitskamera, deren Sichtlinie senkrecht zum Ausleger ist.
4. Setzen Sie ein Tröpfchen auf der unteren Oberfläche des freien Endes des Auslegers aus.
   1. Legen Sie eine superhydrophobe Struktur mit einem Kontaktwinkel von fast 180° auf die Plattenstütze.
   2. Legen Sie mit einem Mikropipettor ein 2-L-Tröpfchen auf die superhydrophobe Struktur.
   3. Steuern Sie die Nanopositionierung z-Stufe mit Software (z.B. PIMikroMove), um den Tröpfchen nach oben zu bewegen.
      1. Legen Sie im Dialogfeld die Geschwindigkeit auf 10 m/s fest.
      2. Klicken Sie auf die Schaltfläche Vorwärts, und das Tröpfchen beginnt sich nach oben zu bewegen.
      3. Klicken Sie auf die Schaltfläche Stopp, wenn sich das Tröpfchen mit dem freien Ende des Auslegers in Verbindung hält.
   4. Bleiben Sie für 1 oder 2 s, und steuern Sie dann die Nanopositionierung Z-Stufe, um die superhydrophobe Struktur weg vom Ausleger zu fahren.
      HINWEIS: Da der Siliziumausleger hydrophil ist, wird das Tröpfchen auf der unteren Oberfläche des freien Endes des Auslegers aufgehängt und bildet ein halbkugelförmiges Tröpfchen mit einem Durchmesser von etwa 0,5 mm.
   5. Entfernen Sie die superhydrophobe Struktur mit einem Kontaktwinkel von fast 180° aus der Plattenstütze.
5. Legen Sie das superhydrophobe Substrat mit einem Rasteranteil von 46,18% auf die Plattenstütze.
6. Passen Sie die Position der Plattenstütze an, so dass der vertikale Abstand zwischen dem superhydrophoben Substrat und dem halbkugelförmigen Tröpfchen etwa 100 m betragen wird.
   HINWEIS: Der Abstand wird durch Bildverarbeitung überprüft.
7. Schalten Sie die PSD-, Laser- und Hochgeschwindigkeitskamera ein.
8. Steuern Sie das Datenerfassungsgerät per Computer, um die Ausgangsspannung von PSD in Echtzeit zu erfassen. Stellen Sie die Abtastrate auf 100 kHz ein.
9. Stellen Sie die Geschwindigkeit in der Software auf 10 m/s ein, und klicken Sie dann auf die Schaltfläche Vorwärts, so dass sich das superhydrophobe Substrat allmählich näher an das Tröpfchen nähert.
10. Klicken Sie auf die Stopp-Taste, wenn das superhydrophobe Substrat und der Tröpfchenkontakt.
11. Stellen Sie die Geschwindigkeit in der Software auf 10 m/s ein, und klicken Sie dann auf die Schaltfläche Zurück, um das superhydrophobe Substrat nach unten zu bewegen.
12. Klicken Sie auf die Stopp-Taste, wenn das superhydrophobe Substrat vom Tröpfchen getrennt ist.
13. Zeichnen Sie die Kurve der Ausgangsspannung von PSD variierend mit der Zeit.
14. Wiederholen Sie die Schritte 5.4–5.13 mit superhydrophoben Substraten mit Gitterfraktionen von 51,39% und 58,79%.
15. Analysieren Sie die Beziehung zwischen der Wechselwirkungskraft und dem Rasteranteil des superhydrophoben Substrats.

Ergebnisse

Die Verschiebung der Plattenelektrode und die entsprechende Kapazität zwischen dem Ausleger und der in einem Experiment gemessenen Elektrode sind in Tabelle 1dargestellt. Die Beziehung zwischen Kapazität C und Verschiebung z wird durch quadratisches Polynom unter Verwendung der Polyfit-Funktion in MATLAB, wie in Abbildung 4dargestellt, angepasst. Der Koeffizient P erster Ordnung kann durch die Fitting-Funktion ermittelt werden. Der Endwert von P beträgt ...

Diskussion

In diesem Protokoll wird ein Aufschlagsystem auf Basis des optischen Hebelverfahrens montiert und kalibriert, das zur Messung der Wechselwirkungskraft zwischen tröpft und superhydrophoben Substraten ausgelegt ist. Unter allen Schritten ist es wichtig, S_OL mit elektrostatischer Kraft zu kalibrieren. Die Ergebnisse des Kalibrierexperiments verifizieren Eq. (8): P(1/V_p1-1/V_p2) ist proportional zu 2(1/V_s1²-1/V_s2²...

Materialien

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.