JoVE Logo
Yazarlar
Bize Ulaşın

Oturum Aç

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

  • Özet
  • Özet
  • Giriş
  • Protokol
  • Sonuçlar
  • Tartışmalar
  • Açıklamalar
  • Teşekkürler
  • Malzemeler
  • Referanslar
  • Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

Protokol, havada bulunan damlacıklar ve süper hidrofobik substratlar arasındaki etkileşimi araştırmayı amaçlamaktadır. Bu, ölçüm sistemini kalibre etmek ve farklı ızgara fraksiyonları ile süper hidrofobik substratlar etkileşim gücünü ölçmek içerir.

Özet

Bu makalenin amacı, havada damlacıklar ve süper hidrofobik substratlar arasındaki etkileşim gücünü araştırmaktır. Optik kol yöntemine dayanan bir ölçüm sistemi tasarlanmıştır. Milimetre konsol, ölçüm sisteminde kuvvet duyarlı bir bileşen olarak kullanılır. Öncelikle, optik kolun kuvvet duyarlılığı, etkileşim gücünün ölçülmesi açısından kritik bir adım olan Elektrostatik kuvvet kullanılarak kalibre edilir. İkincisi, nanopartiküller ve bakır Izgaralar ile farklı ızgara fraksiyonları ile üç süper hidrofobik substrat hazırlanır. Son olarak, farklı ızgara fraksiyonları ile damlacıklar ve süper hidrofobik substratlar arasındaki etkileşim güçleri sistem tarafından ölçülür. Bu yöntem, nanonewton ölçeği üzerinde bir çözünürlük ile sub-micronewton ölçeği üzerinde kuvvet ölçmek için kullanılabilir. Damlacıklar ve süper hidrofobik yapıların temas sürecinin derinlemesine çalışması, kaplama, film ve baskıda üretim verimliliğini artırmaya yardımcı olabilir. Bu yazıda tasarlanan Kuvvet ölçüm sistemi, mikrokuvvet ölçümünün diğer alanlarında da kullanılabilir.

Giriş

Bir damlacık ve süper hidrofobik yüzey arasındaki temas günlük yaşam ve endüstriyel üretimde çok yaygındır: Lotus Leaf1,2yüzeyinden kayar su damlacıkları ve su üzerinde hızla seyahat su Strider3 ,4,5,6. Bir geminin dış yüzeyinde süper hidrofobik kaplama, geminin korozyon derecesini azaltmaya ve navigasyon7,8,9,10direncini azaltmanıza yardımcı olabilir. Bir damlacık ile süper hidrofobik yüzey arasındaki temas sürecini inceleyerek endüstriyel üretim ve biyonik araştırmalar için büyük değer vardır.

Katı bir yüzeyde damlacıklar yayılma sürecini gözlemlemek için, Biance iletişim sürecini fotoğraf için yüksek hızlı bir kamera kullandı ve atalet rejimi süresinin ağırlıklı olarak damla boyutu11ile sabit olduğunu bulundu. Eddi bir yüksek hızlı kamera kullanarak damlacık ve şeffaf plaka arasındaki temas sürecini fotoğrafladı, hangi kapsamlı zaman12ile viskoz damlacık temas yarıçapı varyasyonu ortaya. Paulsen yüksek hızlı kamera gözlem ile bir elektrik yöntemi kombine, böylece 10 ns13,14yanıt süresini azaltır.

Atom kuvveti mikroskopisi (AFM) aynı zamanda damlacık/kabarcık ve katı yüzeyler arasındaki etkileşim gücünü ölçmek için de kullanılmıştır. Vakarelski, mikrometre ölçeği üzerinde kontrollü çarpışmalar sırasında 2 küçük kabarcıklar (yaklaşık 80-140 μm) arasındaki etkileşim güçlerini ölçmek için bir AFM konsol kullanılmış nanometreler15. Shi aynı anda etkileşim kuvveti ve farklı hidrophobicity bir hava balonu ve Mika yüzeyleri arasında ince su filmin zamanmekansal evrim ölçmek için AFM ve yansıma girişim kontrast mikroskopisi (ricm) bir kombinasyonu kullandı 16,17.

Ancak, AFM kullanılan ticari atölyeler çok küçük olduğundan, konsol üzerinde ışınlanmış lazer spot damlacıklar veya kabarcıklar tarafından batık olacaktır. AFM, havada damlacıklar ve damlacıklar/substratlar arasındaki etkileşim gücünün ölçülmesi konusunda zorluklara sahiptir.

Bu yazıda, optik kol yöntemine dayanan bir ölçüm sistemi, damlacıklar ile süper hidrofobik substratlar arasındaki etkileşim gücünü ölçmek için tasarlanmıştır. Optik kolu (Sol) kuvvet hassasiyeti elektrostatik kuvvet18ile kalibre edilir ve sonra damlacıklar ve farklı süper hidrofobik substratlar arasındaki etkileşim güçleri ölçüm sistemi ile ölçülür.

Ölçüm sisteminin şematik şeması Şekil 1' de gösterilir. Lazer ve pozisyon duyarlı dedektör (PSD) optik kolu sistemi oluşturur. Sistemde hassas bir bileşen olarak milimetrik silikon konsol kullanılır. Substrat, dikey yönde hareket edebilir Nanopositioning z-aşama üzerinde sabit. Substrat damlacık yaklaştığında, etkileşim kuvveti, konsol viraj neden olur. Böylece, PSD 'de lazer noktanın konumu değişecek ve PSD 'nin çıkış voltajı değişecek. PSD Vp 'Nin çıkış voltajı, EQ 'da gösterildiği gibi, etkileşim kuvveti Fıile orantılıdır (1).

figure-introduction-35551

Etkileşim gücünü elde etmek için, Sol ilk kalibre edilmelidir. Elektrostatik kuvvet, Solkalibrasyonunda standart kuvvet olarak kullanılır. Şekil 2' de gösterildiği gibi, konsol ve elektrot dikey yönde elektrostatik kuvvet üretebilir bir paralel plaka kondansatör, makyaj. Elektrostatik kuvvet F'ler , EQ. (2)19,20,21' de gösterildiği gibi, DC güç kaynağı Vsvoltajı ile belirlenir.

figure-introduction-42452

C , paralel plaka kondansatörünün kapasitans olduğunu, z , konsol serbest ucunu yer değiştirmesi ve dC/dz kondansitance gradyan denir. Kapasitans, kapasitans Köprüsü ile ölçülmüştür. C ve z arasındaki matematiksel ilişki, EQ 'da gösterildiği gibi, ikinci dereceden bir polinom ile monte edilebilir (3).

figure-introduction-47253

Burada Q, P ve CT ikinci dereceden terim, birincil terim ve sırasıyla sabit terim katsayıları vardır. Bu nedenle, elektrostatik kuvvet Fes EQ olarak ifade edilebilir (4).

figure-introduction-50394

Kondansatörün iki plakasının örtüşme alanı çok küçük olduğundan, konsol üzerinde hareket eden elastik kuvvet EQ olarak ifade edilebilir (5), Hooke kanununa göre:

figure-introduction-53245

Burada k , konsol sertliği.

Konsol üzerinde uygulanan elastik kuvvet ve elektrostatik kuvvet eşit olduğunda (örn. fi = fes), konsol denge içindedir. EQ. (6) EQS 'den elde edilebilir. (1), (2) ve (5):

figure-introduction-57246

Kalibrasyon sonuçlarının belirsizliğini azaltmak için Solhesaplamak için bir fark yöntemi kullanılır. İki deneylerin sonuçları VS1, vP1 ve vS2, vP2olarak alınır ve EQ. (6) olarak değiştirilir:

figure-introduction-60957

Denklemleri dönüştürerek ve alt denklemin EQ 'daki üst denklemden çıkartıldığı (7), Q ve k parametreleri ortadan kaldırılmıştır. Ardından, EQ 'da gösterildiği gibi Sol 'un kalibrasyon formülü elde edilir. (8):

figure-introduction-64488

Bir dizi deney gerçekleştirirken, eğri, Ordinat ve 2 (1/vS12-1/vS22) olarak abscissa olarak P (1/vP1-1/vP2) ile çizilir. Eğri eğim Sol.

Solaldıktan sonra, elektrot farklı süper-hidrofobik substratlar ile değiştirilir. Damlacıklar ile süper hidrofobik substratlar arasındaki etkileşim güçleri Şekil 1' de gösterilen sistem tarafından ölçülecektir.

Protokol

1. Sol kalibrasyon sisteminin montajı

  1. Sol kalibrasyon sistemini Şekil 2' de gösterilen şematik diyagrama göre birleştirin.
  2. Lazeri bir desteğe sabitleyebilir, lazer ile yatay yön arasındaki açı 45 ° olabilir.
  3. PSD 'i lazere dik hale getirmek için başka bir destek ile tekrar yapın. PSD 'ye veri edinme cihazına ve veri edinme cihazına bilgisayara bağlanın.
    Not: Bu açılar deneylerin görsel ölçümü ile belirlenir ve tam 45 ° veya 90 ° olmamalıdır.
  4. Diğer uç askıya alındığında bir tutma cihazına konsol daha geniş ucunu düzeltin. Tutma cihazını iki boyutlu yüksek hassasiyetli yer değiştirme aşamasına düzeltin.
    Not: konsol boyutları Şekil 3' te gösterilir.
  5. Bir sıkma cihazı ile Nanopositioning z-aşama için plaka elektrot düzeltin.
    Not: Nanopositioning z-Aşama 1 Nm bir deplasman çözünürlüğü ile z ekseni boyunca taşımak için elektrot getirebilir.
  6. Kapasitif köprünün pozitif direğini konsol ve negatif kutup ile plaka elektrot ile bağlayın.
  7. Yüksek hızlı bir kamera yükleyin, kim görüş hattı konsol dik.
  8. Plaka elektrot konumunu ayarlamak, plaka elektrot ve konsol arasındaki dikey mesafe yapma yaklaşık 100 μm ve yaklaşık 0,5 mm örtüşme uzunluğu.
    Not: Bu mesafeler görüntü işleme tarafından denetlenir.

2. kapasitans degradesi ölçümü

  1. Plaka elektrot ve konsol arasındaki kapasitans değişikliklerini gerçek zamanlı olarak toplamak için kapasitans köprüsünü kontrol etmek için bilgisayarı kullanın. Örnekleme hızını 0,5 Hz olarak ayarlayın.
  2. 10 μm bir adım ve 6 adım sayısı ile yukarı adım ve her hareket sonra 10 s kalmak için plaka elektrot götürmek için bilgisayar tarafından Nanopositioning z-aşama kontrol.
  3. Plaka elektrot hareket yönünü aşağı doğru değiştirin ve 2,2 adım tekrarlayın.
  4. Ölçüm sonucu olarak plaka elektrot kapasitans ve deplasman arasındaki ilişkiyi belirlemek ve EQ göre P değerini elde (3).
  5. 2.1 – 2.4 5x arasındaki adımları yineleyin ve P 'nin ortalama değerini hesaplayın.

3. optik kol kalibrasyonu

  1. Kapasitif köprü ve konsol/plaka elektrot arasındaki bağlantının bağlantısını kesin.
  2. DC güç kaynağının pozitif direğini konsol ve negatif kutup ile plaka elektrot ile bağlayın.
  3. Lazer, PSD ve konsol arasında göreli konumu ayarlamak lazer PSD üzerinde konsol tarafından yansıtılır yapmak.
    Not: lazer spot yaklaşık 2 mm çapında bir daire.
  4. Paralel plaka kapasitör üzerinde zaman ile değişen voltaj uygulamak için bilgisayar tarafından DC güç kaynağını kontrol. Aynı zamanda, veri edinme cihazı tarafından gerçek zamanlı olarak PSD çıkış voltajı toplamak.
    1. Veri toplama cihazının örnekleme hızını 1.000 Hz 'ye ayarlayın.
    2. DC güç kaynağının ilk voltajını 0 V olarak ayarlayın ve 5 s için tutun.
    3. Voltajı 25 V ile artırın ve 5 s için tutun.
    4. Voltaj 125 V 'ye yükselene kadar 4X 3.4.3 adım tekrarlayın.
    5. Voltajı 25 V ile azaltın ve 5 s için tutun.
    6. Voltaj 0 V 'ye düştüğünde, 4X 3.4.5 adım tekrarlayın.
  5. PSD 'nin çıkış voltajı ve ölçüm sonucu DC besleme gerilimi ile ilgili ilişkiyi belirleyin ve EQ 'ya göre Sol değerini alın (8).
  6. 3.4 – 3.5 5x arasındaki adımları yineleyin ve Soldeğerinin ortalama değerini hesaplayın.

4. süper hidrofobik substratlar hazırlanması

  1. 3 mm ve farklı ızgara fraksiyonları aynı çapı ile üç dairesel bakır ızgaralar hazırlayın. Kılavuz fraksiyonları sırasıyla% 46,18,% 51,39 ve% 58,79 ' dir.
    Not: Bu bakır ızgaralar satın alınan ticari ürünlerdir.
  2. Nano-hidrofobik substratlar mikro yapı ve hydrophobicity elde etmek için üç bakır ızgaralar üzerine nanopartikülleri sprey.
    1. Temel kat bakır ızgaraya sprey.
    2. İlk kat kuru olduğunda üst kat bakır ızgara üzerine sprey.
      Not: nanopartiküller bir sprey kafası ile bir can paketlenmiştir. Nano opartiküller kullanıldığında sprey kafası basılarak püskürtülür.
  3. 1/3 mm-1eğriliği ile bir yüzey süper hidrofobik yapı elde etmek için 3 mm çapında silindir tarafında bakır ızgaraları tutkal.

5. damlacıklar ve süper hidrofobik substratlar arasındaki etkileşim gücünün ölçümü

  1. DC güç kaynağı ile konsol/plaka elektrot arasındaki bağlantının bağlantısını kesin. Plaka elektrot Nanopositioning z-aşamasından çıkarın.
  2. Nanopositioning z-aşama için bir plaka desteği düzeltin.
  3. Yüksek hızlı bir kamera yükleyin, kim görüş hattı konsol dik.
  4. Konsol serbest ucunu alt yüzeyinde bir damlacık askıya.
    1. Plaka desteğine yaklaşık 180 ° temas açısıyla süper hidrofobik bir yapı yerleştirin.
    2. Bir micropipettor kullanarak süper hidrofobik yapıya 2 μL damlacık koyun.
    3. Nanopositioning z-aşama yazılımı kullanarak kontrol (örneğin, PIMikroMove) yukarı taşımak için damlacık sürücü.
      1. İletişim kutusunda, hızı 10 μm/s olarak ayarlayın.
      2. İleri düğmesine tıklayın ve damlacık yukarı hareket etmeye başlar.
      3. Tıklayın stop düğmesi zaman damlacık kontak ücretsiz ucu ile bağlantı.
    4. 1 veya 2 s için kalın ve sonra Nanopositioning z-aşama kontrol konsol uzak süper hidrofobik yapı sürücü.
      Not: silikon konsol hidrofilik olduğundan, damlacık, yaklaşık 0,5 mm çapı ile bir hemferik damlacık oluşturan, konsol serbest ucundaki alt yüzeyinde askıya alınır.
    5. Plaka desteğinden yaklaşık 180 ° temas açısıyla süper hidrofobik yapıyı çıkarın.
  5. Süper hidrofobik substrat plaka desteği% 46,18 bir ızgara fraksiyonu ile yerleştirin.
  6. Plaka desteğinin konumunu ayarlamak, süper hidrofobik substrat ve hemherik damlacık arasında dikey mesafe yapmak yaklaşık 100 μm olabilir.
    Not: uzaklık görüntü işleme tarafından denetlenir.
  7. PSD, lazer ve yüksek hızlı kamerayı açın.
  8. Gerçek zamanlı olarak PSD çıkış voltajı toplamak için bilgisayar tarafından veri toplama cihazı kontrol. Örnekleme hızını 100 kHz olarak ayarlayın.
  9. Yazılım içinde 10 μm/s hızını ayarlayın ve ardından İleri düğmesine tıklayın, böylece süper hidrofobik substrat damlacık giderek daha yakın hareket eder.
  10. Süper hidrofobik substrat ve damlacık teması olduğunda stop düğmesine tıklayın.
  11. Hız 10 μm/s yazılımında ayarlayın ve sonra geri düğmesine tıklayarak süper hidrofobik substrat aşağı hareket etmek için sürücü.
  12. Süper hidrofobik substrat damlacık ayrıldığı zaman stop düğmesine tıklayın.
  13. Zaman içinde değişen PSD 'nin çıkış voltajının eğrisini çizin.
  14. % 51,39 ve% 58,79 ızgara fraksiyonları ile süper hidrofobik substratlar kullanarak 5.4-5.13 adımlarını yineleyin.
  15. Etkileşim kuvveti ile süper hidrofobik substratın ızgara fraksiyonu arasındaki ilişkiyi analiz edin.

Sonuçlar

Plaka elektrodunun yer değiştirmesi ve tek bir deneyde ölçülen elektrot ile ilgili Kondansat ile Tablo 1' de gösterilir. Kapasitans C ve deplasman z arasındaki ilişki, Şekil 4' te gösterildiği gibi MATLAB 'deki polyfit fonksiyonunu kullanarak ikinci dereceden polinomial ile donatılmıştır. İlk sipariş katsayısı P sığdırma fonksiyonu ile elde edilebilir. P son değeri 0,2799 pF/mm, hangi ortalama on deneysel sonuçları hesaplanır.

...

Tartışmalar

Bu protokolde, optik kol yöntemine dayanan bir ölçüm sistemi monte edilmiş ve kalibre edilmiş olup, damlacıklar ile süper hidrofobik substratlar arasındaki etkileşim gücünü ölçmek için tasarlanmıştır. Tüm adımlar arasında, Sol kullanarak elektrostatik kuvvet kalibre etmek önemlidir. Kalibrasyon denemenin sonuçları EQ. (8): P (1/vP1-1/vP2) 2 (1/vS12-1/vS22) ile orantılıdır ve bunun d...

Açıklamalar

Yazarın ifşa etmesi gereken bir şey yok.

Teşekkürler

Yazarlar Tianjin doğal Bilim Vakfı (No. 18JCQNJC04800), Tribology devlet anahtar Laboratuvarı Tribology Bilim Fonu teşekkür ederiz (Hayır. SKLTKF17B18) ve Ulusal Doğal Bilim Vakfı Çin (Grant No. 51805367) onların destek için.

Malzemeler

NameCompanyCatalog NumberComments
CameraShenzhen Andonstar Tech Co., Ltddigital microscope A1Frame rate: 30 frames/sec; Focal distance: 5 mm - 30 mm
Capacitive bridgeAndeen-HagerlingAH2550AThe capacitive bridge is used to measure the capacitance between the cantilever and the plate electrode.
Data acquisition deviceNational InstrumentsUSB-4431The data acquisition device is used to read the output voltage data.
DC power supplyKeithley2410Voltage range: ±5 μV; Accuracy: 0.012%
GridElectron Microscopy ChinaAGH100, AGH150, AGH300The grid fractions of AGH100, AGH150 and AGH300 are 46.18%, 51.39% and 58.79% respectively
LaserShenzhen Infrared Laser Technology Co., Ltd.HW650AD100-10BDLaser wavelength: 650 nm
NanoparticleRust-Oleum274232NeverWet Multi-Surface Liquid Repelling Treatment is a revolutionary super hydrophobic coating.
Nanopositioning z-stagePhysik InstrumenteP622.ZCDTravel ranges 50 µm to 250 µm (350 µm open loop); Resolution to 0.1 nm; Linearity error only 0.02%
Position sensitive detectorHamamatsu Photonics K.K.S1880The two-dimensional PSD is used to translate optical signals into electrical signals.

Referanslar

  1. Guo, Z., Liu, W. Biomimic from the superhydrophobic plant leaves in nature: Binary structure and unitary structure. Plant Science. 172 (6), 1103-1112 (2007).
  2. Koch, K., Bhushan, B., Barthlott, W. Diversity of structure, morphology and wetting of plant surfaces. Soft Matter. 4 (10), 1943-1963 (2008).
  3. Gao, X., Jiang, L. Biophysics: Water-repellent legs of water striders. Nature. 432 (7013), 36 (2004).
  4. 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).
  5. Zheng, Y., et al. Elegant Shadow Making Tiny Force Visible for Water-Walking Arthropods and Updated Archimedes’ Principle. Langmuir. 32 (41), 10522-10528 (2016).
  6. Hu, D. L., Chan, B., Bush, J. W. M. The hydrodynamics of water strider locomotion. Nature. 424 (6949), 663-666 (2003).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Guo, Z., Liu, W., Su, B. A stable lotus-leaf-like water-repellent copper. Applied Physics Letters. 92 (6), 063104 (2008).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Eddi, A., Winkels, K. G., Snoeijer, J. H. Short time dynamics of viscous drop spreading. Physics of Fluids. 25 (1), 77-177 (2017).
  13. Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence. Physical Review Letters. 106 (11), 114501 (2011).
  14. Paulsen, J. D. Approach and coalescence of liquid drops in air. Physical Review E. 88 (6), 063010 (2013).
  15. Vakarelski, I. U., et al. Bubble colloidal AFM probes formed from ultrasonically generated bubbles. Langmuir. 24 (3), 603-605 (2008).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Song, L., et al. Highly sensitive, precise, and traceable measurement of force. Instrumentation Science & Technology. 44 (4), 15 (2016).
  21. 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).

Yeniden Basımlar ve İzinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi

Izin talebi

Daha Fazla Makale Keşfet

M hendislikSay 148s per hidrofobiketkile im kuvvetikonsoloptik kolkalibrasyonelektrostatik kuvvet

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Bize Ulaşın

KÜTÜPHANEYE TAVSİYE ET

JoVE HABER BÜLTENLERİ

Araştırma

Eğitim

Yazarlar

Kütüphaneciler

JoVE Hakkında

Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır