מדידת הכוח האינטרקציה בין Droplet למצע סופר-הידרופובי בשיטת המנוף האופטי

Summary

הפרוטוקול נועד לחקור את האינטראקציה בין טיפות ומצעים סופר הידרופובי באוויר. זה כולל כיול מערכת המדידה ומדידת כוח האינטראקציה על מצעים סופר הידרופובי עם שברים ברשת שונים.

Abstract

המטרה של המאמר הזה היא לחקור את כוח האינטראקציה בין טיפות ומצעים סופר הידרופובי באוויר. מערכת מדידה המבוססת על שיטת מנוף אופטי מעוצבת. שלוחה מילימטרית משמשת כמרכיב רגיש לכוח במערכת המדידה. ראשית, רגישות הכוח של הידית האופטית מכוילים באמצעות כוח אלקטרוסטטי, שהוא השלב הקריטי במדידת כוח האינטראקציה. שנית, שלושה מצעים סופר הידרופובי עם שברים ברשת שונים מוכנים עם ננו חלקיקים ורשתות נחושת. לבסוף, האינטראקציה כוחות בין טיפות ומצעים סופר הידרופובי עם שברים ברשת שונים נמדדים על ידי המערכת. שיטה זו ניתן להשתמש כדי למדוד את הכוח בקנה מידה של תת מיקרואוקטון עם רזולוציה בקנה מידה של nanonewton. לימוד מעמיק של תהליך המגע של טיפות ומבני סופר הידרופובי יכולים לעזור לשפר את יעילות הייצור בציפוי, הסרט וההדפסה. ניתן להשתמש במערכת המדידה של הכוח המעוצב בנייר זה גם בתחומים אחרים של מדידת מיקרופורס.

Introduction

המגע בין droplet לבין משטח סופר-הידרופובי נפוץ מאוד בחיי היומיום והייצור התעשייתי: טיפות מים הזזה ממשטח של עלה לוטוס^1,2, ומעבר המים נע במהירות על פני המים^{3 ,4,5,6}. ציפוי סופר הידרופובי על פני השטח החיצוני של הספינה יכול לעזור להפחית את הרמה קורוזיה של הספינה ולהפחית את ההתנגדות של הניווט^7,8,9,10. יש תמורה מצוינת לייצור תעשייתי ולחקר הביניקס בלימוד תהליך המגע בין droplet לבין משטח סופר-הידרופובי.

כדי להתבונן בתהליך התפשטות של טיפות על משטח מוצק, Biance השתמשו במצלמה במהירות גבוהה כדי לצלם את תהליך המגע ומצא כי המשך של המשטר האינרציה נקבע בעיקר על ידי גודל הירידה¹¹. אדינגטון צילם את תהליך המגע בין ה-droplet לבין הצלחת השקופה מלמטה ומהצד באמצעות מצלמה במהירות גבוהה, שחשפה באופן מקיף את הווריאציה של רדיוס המגע של ה-droplet הצמיגי עם הזמן¹². פאולסן בשילוב שיטה חשמלית עם תצפית במהירות גבוהה מצלמה, ובכך לצמצם את זמן התגובה ל 10 ns^13,14.

מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) שימש גם כדי למדוד את כוח האינטראקציה בין droplet/בועה ומשטחים מוצקים. ואלסקי השתמשו בזיז afm כדי למדוד את כוחות האינטראקציה בין שתי בועות קטנות (כ 80-140 μm) בתמיסה מימית במהלך התנגשויות מבוקרת על הסקאלה של מיקרומטר כדי ננומטר¹⁵. שי השתמש בשילוב של AFM והשתקפות הפרעות חדות מיקרוסקופ (RICM) כדי למדוד בו את כוח האינטראקציה ואת האבולוציה הטמפורלית של הסרט מים דקים בין בועת אוויר משטחי נציץ של הידרופוטניטי ^{שונים 16,17}.

עם זאת, מאז התלויה מסחרי המשמש AFM הם קטנים מדי, ספוט לייזר הקרינה על הזיז יהיה שקוע על ידי טיפות או בועות. AFM יש קשיים במדידת כוח האינטראקציה בין טיפות טיפות/מצעים באוויר.

במאמר זה, מערכת המדידה המבוססת על שיטת מנוף אופטי נועד למדוד את כוח האינטראקציה בין טיפות ומצעים סופר הידרופובי. רגישות הכוח של המנוף האופטי (S_OL) מכויל על ידי כוח אלקטרוסטטי¹⁸, ואז כוחות האינטראקציה בין טיפות ומצעים שונים סופר הידרופובי נמדדים על ידי מערכת המדידה.

התרשים הסכמטי של מערכת המדידה מוצג באיור 1. הלייזר ומיקום הגלאי הרגיש (PSD) מהווים את מערכת המנוף האופטי. שלוחה של סיליקון מילימטרית משמשת כמרכיב רגיש במערכת. המצע מתוקן על הבמה הנאנפאות, שיכולה לנוע בכיוון אנכי. כאשר המצע מתקרב ל-droplet, כוח האינטראקציה גורם לזיז להתכופף. כך, את המיקום של נקודת הלייזר על PSD ישתנה, ואת מתח הפלט של PSD ישתנה. מתח הפלט של PSD V_p פרופורציונלי לכוח האינטראקציה F_i, כפי שמוצג Eq. (1).

1

כדי להשיג את כוח האינטראקציה, יש לכייל את S_OL תחילה. הכוח האלקטרוסטטי משמש ככוח סטנדרטי בכיול של S_OL. כפי שמוצג באיור 2, הזיז והאלקטרודה מייצרים מקבל צלחת מקבילה, דבר העלול ליצור כוח אלקטרוסטטי בכיוון אנכי. ה- F הכוח האלקטרוסטטי נקבע על ידי מתח של ספק כוח DC V_s, כפי שמוצג Eq. (2)^19,20,21.

2

כאשר C הוא הקיבוליות של קבל את הצלחת המקבילה, z הוא עקירה של סוף ללא זיז, ו dC/dz נקרא מעבר קיבול. הקיבוליות יכולה להיות נמדדת על ידי גשר הקיבוליות. היחסים המתמטיים בין C ו- z יכולים להיות מצוידים בפולינום ריבועי, כפי שניתן לראות ב Eq. (3).

3

כאשר Q, P ו-CT הם המקדמים של המונח הריבועי, המונח העיקרי והמונח הקבוע בהתאמה. לפיכך, הכוח האלקטרוסטטי של F יכול להתבטא כ Eq. (4).

4

כיוון שאזור החפיפה של שתי צלחות של הקבל הוא קטן מאוד, הכוח האלסטי שפעל על הזיז יכול להתבטא כ Eq. (5), לפי חוק ההוק:

(5)

כאשר k הוא הקשיות של הזיז.

כאשר הכוח האלסטי והכוח האלקטרוסטטי מוחלים על הזיז שווים (כלומר, f_i = f), הזיז נמצא בשיווי משקל. Eq. (6) יכול להיות נגזר של Eqs. (1), (2) ו-(5):

6

כדי להקטין את אי-הוודאות של תוצאות כיול, שיטת ההפרש משמשת לחישוב S_OL. התוצאות של שני ניסויים נלקחים כמו V_s1, v_P1 ו-v_s2, v_p2, ו הם הוחלף Eq. (6):

7

שינוי המשוואות והפחתת המשוואה התחתונה מהמשוואה העליונה ב Eq. (7), הפרמטרים Q ו- k מסולקים. אז נוסחת הכיול של S_OL מתקבלת, כפי שמוצג Eq. (8):

8

ביצוע סדרה של ניסויים, העקומה מצויר עם P (1/v_p1-1/v_p2) כמו מתאם ו 2 (1/v_s1²-1/v_s2²) כמו abscissa. השיפוע של העקומה הוא S_OL.

לאחר קבלת S_OL, האלקטרודה יוחלפו על ידי שונים מצעים סופר הידרופובי. כוחות האינטראקציה בין טיפות ומצעים סופר-הידרופובי יימדדו על ידי המערכת המוצגת באיור 1.

Protocol

1. הרכבת מערכת כיול S_OL

1. הכנס את מערכת כיול S_OL לפי התרשים הסכימטי המוצג באיור 2.
2. תקן את הלייזר לתמיכה, מה שהופך את הזווית בין הלייזר לכיוון האופקי להיות 45 °.
3. לתקן את PSD לתמיכה אחרת, מה שהופך את PSD בניצב ללייזר. חבר את PSD להתקן רכישת הנתונים ואת התקן רכישת הנתונים למחשב.
   הערה: זוויות אלה נקבעות על ידי המדידה החזותית של הניסויים ואין צורך להיות בדיוק 45 ° או 90 °.
4. תקן את הקצה הרחב של הזיז להתקן החזקה בעוד הקצה השני מושעה. תקן את מכשיר ההחזקה לשלב. דו-מימדי בדיוק גבוה
   הערה: ממדי הזיז מוצגים באיור 3.
5. לתקן את הלוחית אלקטרודה לכיוון הננו-שלב על ידי מכשיר ללגוז.
   הערה: החלק הנאנפאות יכול להביא את האלקטרודה כדי לנוע לאורך ציר z עם רזולוציית עקירה של 1 ננומטר.
6. חבר את הקוטב החיובי של הגשר הקיבולי עם הזיז ואת המוט השלילי עם האלקטרודה הלוחית.
7. התקן מצלמה במהירות גבוהה, שקו הראייה שלו ניצב על הזיז.
8. להתאים את המיקום של האלקטרודה לוחית, מה שהופך את המרחק האנכי בין אלקטרודה הצלחת ואת הזיז להיות על 100 μm, ואת אורך החפיפה על 0.5 מ"מ.
   הערה: מרחקים אלה נבדקים בעיבוד תמונה.

2. מדידה של שיפוע הקיבוליות

1. השתמש במחשב כדי לשלוט על גשר קיבוליות כדי לאסוף את שינויי קיבוליות בין האלקטרודה לוחית ואת הזיז בזמן אמת. הגדר את קצב הדגימה ל-0.5 Hz.
2. הפיקוח על הננו-שלב באמצעות המחשב כדי לנהוג אלקטרודה הצלחת לצעוד כלפי מעלה עם צעד של 10 יקרומטר ומספר שלב של 6 ולהישאר 10 s אחרי כל תנועה.
3. לשנות את כיוון התנועה של הלוח אלקטרודה למטה, וחזור על שלב 2.2.
4. לקבוע את הקשר בין הקיבוליות לבין עקירה של האלקטרודה בתוצאת המדידה, ולקבל את הערך של P לפי Eq (3).
5. חזור על שלבים 2.1 – 2.4 5x ולחשב את הערך הממוצע של P.

3. כיול המנוף האופטי

1. נתק את החיבור בין הגשר הקיבולי לבין האלקטרודות ללוח.
2. חבר את הקוטב החיובי של ספק כוח DC עם הזיז ואת המוט השלילי עם האלקטרודה לוחית.
3. להתאים את המיקום היחסי בין לייזר, PSD ו-זיז כדי להפוך את הלייזר משתקף על PSD על ידי זיז.
   הערה: נקודת הלייזר היא מעגל בקוטר של 2 מ"מ.
4. שלוט בספק הכוח הDC באמצעות מחשב כדי להחיל מתח משתנה עם הזמן בקבל הלוח המקביל. באותו זמן, לאסוף את מתח הפלט של PSD בזמן אמת על ידי התקן רכישת נתונים.
   1. הגדר את קצב הדגימה של התקן רכישת הנתונים ל-1,000 Hz.
   2. הגדר את המתח הראשוני של ספק הזרם הישר ל-0 V והחזק את ה-5.
   3. להגדיל את המתח על ידי 25 V ולהחזיק עבור 5 s.
   4. חזור על השלב 3.4.3 4x עד המתח עולה 125 V.
   5. הנמך את המתח ב -25 וולט. והחזק את ה -5
   6. חזור על השלב 3.4.5 4x עד שהמתח יורד ל-0 V.
5. לקבוע את הקשר על מתח הפלט של PSD ואת מתח האספקה DC בתוצאת המדידה, ולקבל את הערך של S_OL לפי Eq.
6. חזור על שלבים 3.4-3.5 5x וחשב את הערך הממוצע של S_OL.

4. הכנת מצעים סופר-הידרופובי

1. הכן שלוש רשתות נחושת מעגליות עם קוטר זהה של 3 מ"מ ושברים ברשת שונים. שברי הרשת שלהם הם 46.18%, 51.39% ו 58.79% בהתאמה.
   הערה: רשתות נחושת אלה הן מוצרים מסחריים שנרכשו.
2. לרסס חלקיקים על שלוש רשתות נחושת כדי להשיג מצעים סופר הידרופובי עם מיקרו מבנה ו hydrophobicity.
   1. רסס את מעיל הבסיס. על רשת הנחושת
   2. רסס את המעיל העליון על רשת הנחושת כאשר המעיל הראשון יבש.
      הערה: חלקיקי חלקיקים ארוזים בתוך יכול עם הראש תרסיס. חלקיקי חלקיקים יירוססו על ידי לחיצה על הראש תרסיס בעת שימוש.
3. הדבק את רשתות הנחושת בצד של צילינדרים עם קוטר של 3 מ"מ כדי להשיג מבנה סופר הידרופובי משטח עם עקמומיות של 1/3 מ"מ^-1.

5. מדידת כוח האינטראקציה בין טיפות ומצעים סופר-הידרופובי

1. נתק את החיבור בין ספק הזרם הישר לבין האלקטרודות ללוח הזיז. הסירו את האלקטרודות. משלב הנאנפאות
2. לתקן את הצלחת התמיכה של השלב הננו.
3. התקן מצלמה במהירות גבוהה, שקו הראייה שלו ניצב על הזיז.
4. השהה droplet על פני השטח התחתון של הקצה החופשי של הזיז.
   1. מניחים מבנה סופר-הידרופובי עם זווית מגע של כמעט 180 ° על תמיכה לוחית.
   2. מניחים 2 μL droplet על מבנה סופר-הידרופובי באמצעות מיקרופיפיטין.
   3. הפיקוח על הננו-שלב z באמצעות תוכנה (למשל, PIMikroMove) כדי לכונן את ה-droplet כדי לנוע כלפי מעלה.
      1. בתיבת הדו, הגדר את המהירות ל-10 μm/s.
      2. לחץ על לחצן קדימה ו-droplet מתחיל לנוע כלפי מעלה.
      3. לחץ על לחצן עצור כאשר ה-droplet מקשר עם הקצה החופשי של הזיז.
   4. הישאר עבור 1 או 2, ולאחר מכן שלוט בשלב הנאנפאות כדי להסיע את המבנה סופר הידרופובי מן הזיז.
      הערה: כיוון שזיז הסיליקון הוא הידרופיפילית, ה-droplet מושעה על פני השטח התחתון של הקצה החופשי של הזיז, ויוצרים את ה-droplet הכדורית בקוטר של כ-0.5 מ"מ.
   5. הסר את מבנה סופר-הידרופובי עם זווית מגע של כמעט 180 ° מתוך תמיכה צלחת.
5. מניחים את המצע סופר-הידרופובי עם חלק ברשת של 46.18% על התמיכה בצלחת.
6. להתאים את המיקום של התמיכה צלחת, עושה את המרחק האנכי בין המצע סופר הידרופובי ואת ה-droplet הכדורית להיות על 100 μm.
   הערה: המרחק נבדק על-ידי עיבוד תמונה.
7. הפעל את מצלמת PSD, לייזר ומהירות גבוהה.
8. לשלוט על התקן רכישת נתונים על ידי המחשב כדי לאסוף את מתח הפלט של PSD בזמן אמת. הגדר את קצב הדגימה ל-100 kHz.
9. הגדר את המהירות 10 μm/s בתוכנה, ולאחר מכן לחץ על כפתור קדימה , כך המצע סופר הידרופובי נע בהדרגה קרוב ל-droplet.
10. לחץ על לחצן עצור כאשר המצע סופר הידרופובי ואיש הקשר droplet.
11. הגדר את המהירות 10 μm/s בתוכנה, ולאחר מכן לחץ על לחצן החזרה כדי לנהוג במצע סופר הידרופובי כדי לנוע כלפי מטה.
12. לחץ על לחצן עצור כאשר המצע סופר-הידרופובי מופרד מ-droplet.
13. צייר את עקומת מתח הפלט של PSD שונים עם הזמן.
14. חזור על שלבים 5.4 – 5.13 באמצעות מצעים סופר הידרופובי עם שברים ברשת של 51.39% ו 58.79%.
15. לנתח את היחסים בין כוח האינטראקציה ואת החלק הרשת של מצע סופר הידרופובי.

תוצאות

העקירה של לוחית האלקטרודה והקיבוליות המקבילה בין הזיז לאלקטרודה הנמדדת בניסוי אחד מוצגות בטבלה 1. הקשר בין קיבוליות C ו הזחה z מותאם על ידי פולינום ריבועית באמצעות פונקציה polyfit ב MATLAB, כפי שמוצג באיור 4. ניתן להשיג את מקדם ההזמנה הראשון P באמצעות הפונקציה המ?...

Discussion

בפרוטוקול זה, מערכת מדידה המבוססת על שיטת מנוף אופטי מורכב ומכויל, אשר נועד למדידת כוח האינטראקציה בין טיפות ומצעים סופר הידרופובי. בין כל השלבים, חשוב לכייל את S_OL באמצעות כוח אלקטרוסטטי. תוצאות ניסוי הכיול מאמתים Eq (8): P (1/v_p1-1/v_p2) פרופורציונלי ל-2 (1/v_s1²

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.