Name: measuring the interaction force between a droplet and a super-hydrophobic substrate by the optical lever method
Uploaded: 2019-06-14T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Measuring the Interaction Force Between a Droplet and a Super-hydrophobic Substrate by the Optical Lever Method at JoVE.com

De auteurs danken de Tianjin Natural Science Foundation (nr. 18JCQNJC04800), tribologie Science Fund van de staat Key laboratorium van tribologie (nr. SKLTKF17B18) en de nationale stichting van de natuurwetenschappen van China (toelage nr. 51805367) voor hun steun.

1. montage van de SOL kalibratie systeem
<ol><li>Monteer het SOL kalibratie systeem volgens het schematische schema dat in Figuur 2wordt weergegeven.</li>
	<li>Bevestig de laser op een steun, waardoor de hoek tussen de laser en de horizontale richting worden 45 °.</li>
	<li>Bevestig de PSD naar een andere ondersteuning, waardoor de PSD loodrecht op de laser. Sluit de PSD aan op de data-acquisitie apparaat en de data-acquisitie apparaat op de computer. Opmerking: d...

<ol>
	<li>Guo, Z., Liu, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biomimic+from+the+superhydrophobic+plant+leaves+in+nature:+Binary+structure+and+unitary+structure.">Biomimic from the superhydrophobic plant leaves in nature: Binary structure and unitary structure.</a> Plant Science. 172 (6), 1103-1112 (2007).</li><li>Koch, K., Bhushan, B., Barthlott, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Diversity+of+structure,+morphology+and+wetting+of+plant+surfaces.">Diversity of structure, morphology and wetting of plant surfaces.</a> Soft Matter. 4 (10), 1943-1963 (2008).</li><li>Gao, X., Jiang, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biophysics:+Water-repellent+legs+of+water+striders.">Biophysics: Water-repellent legs of water striders.</a> Nature. 432 (7013), 36 (2004).</li><li>Yin, W., Zheng, Y. L., Lu, H. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+topographies+of+water+surface+dimples+formed+by+superhydrophobic+water+strider+legs.">Three-dimensional topographies of water surface dimples formed by superhydrophobic water strider legs.</a> Applied Physics Letters. 109 (16), 163701 (2016).</li><li>Zheng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Elegant+Shadow+Making+Tiny+Force+Visible+for+Water-Walking+Arthropods+and+Updated+Archimedes&#8217;+Principle.">Elegant Shadow Making Tiny Force Visible for Water-Walking Arthropods and Updated Archimedes&#8217; Principle.</a> Langmuir. 32 (41), 10522-10528 (2016).</li><li>Hu, D. L., Chan, B., Bush, J. W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+hydrodynamics+of+water+strider+locomotion.">The hydrodynamics of water strider locomotion.</a> Nature. 424 (6949), 663-666 (2003).</li><li>Jiang, C. G., Xin, S. C., Wu, C. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Drag+reduction+of+a+miniature+boat+with+superhydrophobic+grille+bottom.">Drag reduction of a miniature boat with superhydrophobic grille bottom.</a> AIP Advances. 1 (3), 032148 (2011).</li><li>Guo, Z., Liang, J., Fang, J., Guo, B., Liu, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Novel+Approach+to+the+Robust+Ti6Al4V-Based+Superhydrophobic+Surface+with+Crater-like+Structure.">A Novel Approach to the Robust Ti6Al4V-Based Superhydrophobic Surface with Crater-like Structure.</a> Advanced Engineering Materials. 9 (4), 316-321 (2007).</li><li>Guo, Z., Liu, W., Su, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+stable+lotus-leaf-like+water-repellent+copper.">A stable lotus-leaf-like water-repellent copper.</a> Applied Physics Letters. 92 (6), 063104 (2008).</li><li>Liu, K., Zhang, M., Zhai, J., Wang, J., Jiang, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bioinspired+construction+of+Mg-Li+alloys+surfaces+with+stable+superhydrophobicity+and+improved+corrosion+resistance.">Bioinspired construction of Mg-Li alloys surfaces with stable superhydrophobicity and improved corrosion resistance.</a> Applied Physics Letters. 92 (18), 61 (2008).</li><li>Biance, A. L., Clanet, C., Qu&#233;r&#233;, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=First+steps+in+the+spreading+of+a+liquid+droplet.">First steps in the spreading of a liquid droplet.</a> Physical Review E Statistical Nonlinear &amp; Soft Matter Physics. 69 (1), 016301 (2004).</li><li>Eddi, A., Winkels, K. G., Snoeijer, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Short+time+dynamics+of+viscous+drop+spreading.">Short time dynamics of viscous drop spreading.</a> Physics of Fluids. 25 (1), 77-177 (2017).</li><li>Paulsen, J. D., Burton, J. C., Nagel, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Viscous+to+Inertial+Crossover+in+Liquid+Drop+Coalescence.">Viscous to Inertial Crossover in Liquid Drop Coalescence.</a> Physical Review Letters. 106 (11), 114501 (2011).</li><li>Paulsen, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Approach+and+coalescence+of+liquid+drops+in+air.">Approach and coalescence of liquid drops in air.</a> Physical Review E. 88 (6), 063010 (2013).</li><li>Vakarelski, I. U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bubble+colloidal+AFM+probes+formed+from+ultrasonically+generated+bubbles.">Bubble colloidal AFM probes formed from ultrasonically generated bubbles.</a> Langmuir. 24 (3), 603-605 (2008).</li><li>Shi, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measuring+forces+and+spatiotemporal+evolution+of+thin+water+films+between+an+air+bubble+and+solid+surfaces+of+different+hydrophobicity.">Measuring forces and spatiotemporal evolution of thin water films between an air bubble and solid surfaces of different hydrophobicity.</a> ACS Nano. 9 (1), 95-104 (2015).</li><li>Shi, C., Chan, D. Y. C., Liu, Q., Zeng, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+the+Hydrophobic+Interaction+between+Air+Bubbles+and+Partially+Hydrophobic+Surfaces+Using+Atomic+Force+Microscopy.">Probing the Hydrophobic Interaction between Air Bubbles and Partially Hydrophobic Surfaces Using Atomic Force Microscopy.</a> The Journal of Physical Chemistry C. 118 (43), 25000-25008 (2014).</li><li>Chung, K., Shaw, G. A., Pratt, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Accurate+noncontact+calibration+of+colloidal+probe+sensitivities+in+atomic+force+microscopy.">Accurate noncontact calibration of colloidal probe sensitivities in atomic force microscopy.</a> Review of Scientific Instruments. 80 (6), 930 (2009).</li><li>Zheng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improving+environmental+noise+suppression+for+micronewton+force+sensing+based+on+electrostatic+by+injecting+air+damping.">Improving environmental noise suppression for micronewton force sensing based on electrostatic by injecting air damping.</a> Review of Scientific Instruments. 85 (5), 055002 (2014).</li><li>Song, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Highly+sensitive,+precise,+and+traceable+measurement+of+force.">Highly sensitive, precise, and traceable measurement of force.</a> Instrumentation Science &amp; Technology. 44 (4), 15 (2016).</li><li>Zheng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+multi-position+calibration+of+the+stiffness+for+atomic-force+microscope+cantilevers+based+on+vibration.">The multi-position calibration of the stiffness for atomic-force microscope cantilevers based on vibration.</a> Measurement Science &amp; Technology. 26 (5), 055001 (2012).</li></ol>

In dit protocol wordt een meetsysteem op basis van de optische hefboom methode geassembleerd en gekalibreerd, dat is ontworpen voor het meten van de interactie kracht tussen de druppels en de Super-hydrofobe substraten. Onder de alle stappen, is het essentieel om SOL met behulp van elektrostatische kracht te kalibreren. De resultaten van het kalibratie experiment verifiëren EQ. (8): P (1/vP1-1/vP2) is evenredig met 2 (1/vS12-1/v<s...

Het contact tussen een druppel en een super-hydrofobe oppervlak is zeer vaak voor in het dagelijks leven en de industriële productie: waterdruppels glijden van het oppervlak van lotusblad1,2, en een water Strider reizen snel over het water3 ,4,5,6. Een super-hydrofobe coating op het buitenoppervlak van een schip kan bijdragen tot het verminderen van de corrosie graad van het schip en het verminderen van de weerstand van de navigatie7,8,9,10. Er is grote waarde voor industriële productie en bionicaonderzoek in het bestuderen van het contact proces tussen een druppel en een super-hydrofobe oppervlak.
Om het uitspreidende proces van druppeltjes op een stevig oppervlak te observeren, gebruikte biance een hoge snelheidscamera om het contact proces te fotograferen en vond dat de duur van het traagheids regime hoofdzakelijk door dalings grootte11wordt bevestigd. Het contact proces tussen de druppel en de transparante plaat van de bodem en de zijkant werd gefotografeerd met behulp van een high-speed camera, die de variatie van de contact straal van de viskeuze druppel met de tijd12uitvoerig onthulde. Paulsen combineerde een elektro methode met de observatie van de hoge snelheidscamera, zo verminderend de reactietijd aan 10 NS13,14.
Atomic Force microscopie (AFM) is ook gebruikt om de interactie kracht tussen de druppel/zeepbel en vaste oppervlakken te meten. Vakarelski gebruikte een AFM Cantilever om de interactie krachten tussen twee kleine bellen (ongeveer 80-140 μm) in waterige oplossing tijdens gecontroleerde botsingen op de schaal van micrometers aan nanometers15te meten. Shi gebruikte een combinatie van AFM en reflectie interferentie contrast microscopie (RICM) gelijktijdig meten van de interactie kracht en de spatiotemporal evolutie van de dunne waterfilm tussen een lucht zeepbel en mica oppervlakken van verschillende hydrophobicity 16,17.
Echter, aangezien de commerciële cantilevers gebruikt in de AFM zijn te klein, de Laser Spot bestraald op de cantilever zou worden ondergedompeld door druppels of bubbels. De AFM heeft moeite met het meten van de interactie kracht tussen druppeltjes en druppeltjes/substraten in de lucht.
In deze paper is een meetsysteem gebaseerd op een optische hefboom methode ontworpen om de interactie kracht tussen druppeltjes en Super-hydrofobe substraten te meten. De kracht gevoeligheid van de optische hendel (SOL) is gekalibreerd door elektrostatische kracht18, en vervolgens de interactie krachten tussen druppels en verschillende Super-hydrofobe substraten worden gemeten door het meetsysteem.
Het schematische schema van het meetsysteem wordt weergegeven in Figuur 1. De laser en position Sensitive detector (PSD) vormen de optische hendel systeem. Een millimeter silicium Cantilever wordt gebruikt als een gevoelige component in het systeem. Het substraat wordt bevestigd op het nanopositioning z-stadium, dat in verticale richting kan bewegen. Wanneer de ondergrond nadert de druppel, de interactie kracht zorgt ervoor dat de cantilever te buigen. Zo zal de positie van de laser vlek op PSD veranderen, en de uitgangsspanning van de PSD zal veranderen. De uitgangsspanning van PSD Vp is evenredig met de interactie kracht Fi, zoals aangegeven in EQ. (1).
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq1.jpg">1
Om de interactie kracht te verwerven, moet SOL eerst gekalibreerd worden. De elektrostatische kracht wordt gebruikt als de standaard kracht in de kalibratie van SOL. Zoals weergegeven in Figuur 2, de cantilever en de elektrode maken een parallelle plaatcondensator, die zou kunnen genereren elektrostatische kracht in een verticale richting. De elektrostatische kracht Fes wordt bepaald door de spanning van de DC voeding Vs, zoals aangegeven in EQ. (2)19,20,21.
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq2.jpg">2
waar C is de capaciteit van de parallelle plaatcondensator, z is de verplaatsing van de cantilever vrije uiteinde, en dC/dz wordt genoemd capaciteits gradiënt. De capaciteit zou door de capaciteits brug kunnen worden gemeten. De wiskundige relatie tussen C en z kan worden gemonteerd door een kwadratische veelterm, zoals weergegeven in EQ. (3).
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq3.jpg">3
waar Q, P en CT zijn de coëfficiënten van de kwadratische term, de primaire term en de constante term respectievelijk. Daarom kan de elektrostatische kracht Fes worden uitgedrukt als EQ. (4).
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq4.jpg">4
Aangezien het overlappingsgebied van twee platen van de condensator zeer klein is, handelde de elastische kracht op Cantilever kan worden uitgedrukt zoals EQ. (5), volgens de wet van Hooke:
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq5.jpg">5
waar k is de stijfheid van de Cantilever.
Wanneer de elastische kracht en elektrostatische kracht toegepast op de cantilever zijn gelijk (dat wil zeggen, fi = fes), de cantilever is in evenwicht. EQ. (6) kan worden afgeleid uit MKN. (1), (2) en (5):
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq6.jpg">6
Met het oog op de onzekerheid van de kalibratieresultaten te verminderen, een verschil methode wordt gebruikt om SOLte berekenen. De resultaten van twee experimenten worden genomen als VS1, vP1 en vS2, vP2, en worden vervangen door EQ. (6):
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq7.jpg">7
Transformatie van de vergelijkingen en aftrekken van de lagere vergelijking van de bovenste vergelijking in EQ. (7), de parameters Q en k worden geëlimineerd. Vervolgens wordt de kalibratie formule van SOL verkregen, zoals weergegeven in EQ. (8):
<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq8.jpg">8
Het uitvoeren van een reeks van experimenten, is de curve getekend met P (1/vP1-1/VP2) als de coördinaat en 2 (1/vS12-1/vS22) als de abscis. De helling van de curve is SOL.
Na het verkrijgen van SOL, zal de elektrode worden vervangen door verschillende Super-hydrofobe substraten. De interactie krachten tussen druppeltjes en Super-hydrofobe substraten zullen worden gemeten door het systeem weergegeven in Figuur 1.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Camera</td>
			<td>Shenzhen Andonstar Tech Co., Ltd</td>
			<td>digital microscope A1</td>
			<td>Frame rate: 30 frames/sec; Focal distance: 5 mm - 30 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Capacitive bridge</td>
			<td>Andeen-Hagerling</td>
			<td>AH2550A</td>
			<td>The capacitive bridge is used to measure the capacitance between the cantilever and the plate electrode.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data acquisition device</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>USB-4431</td>
			<td>The data acquisition device is used to read the output voltage data.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DC power supply</td>
			<td>Keithley</td>
			<td>2410</td>
			<td>Voltage range: &#177;5 &#956;V; Accuracy: 0.012%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Grid</td>
			<td>Electron Microscopy China</td>
			<td>AGH100, AGH150, AGH300</td>
			<td>The grid fractions of AGH100, AGH150 and AGH300 are 46.18%, 51.39% and 58.79% respectively</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laser</td>
			<td>Shenzhen Infrared Laser Technology Co., Ltd.</td>
			<td>HW650AD100-10BD</td>
			<td>Laser wavelength: 650 nm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nanoparticle</td>
			<td>Rust-Oleum</td>
			<td>274232</td>
			<td>NeverWet Multi-Surface Liquid Repelling Treatment is a revolutionary super hydrophobic coating.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nanopositioning z-stage</td>
			<td>Physik Instrumente</td>
			<td>P622.ZCD</td>
			<td>Travel ranges 50 &#181;m to 250 &#181;m (350 &#181;m open loop); Resolution to 0.1 nm; Linearity error only 0.02%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Position sensitive detector</td>
			<td>Hamamatsu Photonics K.K.</td>
			<td>S1880</td>
			<td>The two-dimensional PSD is used to translate optical signals into electrical signals.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

measuring the interaction force between a droplet and a super-hydrophobic substrate by the optical lever method

Het doel van dit document is om de interactie kracht tussen druppeltjes en Super-hydrofobe substraten in de lucht te onderzoeken. Een meetsysteem op basis van een optische hendel methode is ontworpen. Een millimeter Cantilever wordt gebruikt als een kracht gevoelige component in het meetsysteem. Ten eerste, de kracht gevoeligheid van de optische hendel is gekalibreerd met behulp van elektrostatische kracht, dat is de kritische stap in het meten van interactie kracht. Ten tweede worden drie super-hydrofobe substraten met verschillende raster fracties bereid met nanodeeltjes en koperen roosters. Ten slotte worden de interactie krachten tussen druppeltjes en Super-hydrofobe substraten met verschillende raster fracties gemeten door het systeem. Deze methode kan worden gebruikt om de kracht op de schaal van sub-micronewton met een resolutie op de schaal van nanonewton te meten. De diepgaande studie van het contact proces van druppeltjes en hydrofobe structuren kan bijdragen aan de verbetering van de productie-efficiëntie in coating, folie en drukwerk. De krachtmeting systeem ontworpen in dit papier kan ook worden gebruikt in andere gebieden van de microforce meting.

De verplaatsing van de plaat elektrode en de overeenkomstige capaciteit tussen de cantilever en de elektrode gemeten in een experiment worden weergegeven in tabel 1. De verhouding tussen capaciteit C en verplaatsing z is voorzien van kwadratische veelterm met behulp van de polyfit functie in MATLAB, zoals weergegeven in Figuur 4. De eerste order coëfficiënt P kan worden verkregen door de montage functie. De uiteindelijke waarde van P is 0,2799 pF/mm, dat ...

Watch this Scientific Journal Video about Measuring the Interaction Force Between a Droplet and a Super-hydrophobic Substrate by the Optical Lever Method at JoVE.com

Measuring the Interaction Force Between a Droplet and a Super-hydrophobic Substrate by the Optical Lever Method

Het protocol beoogt de interactie tussen druppeltjes en Super-hydrofobe substraten in de lucht te onderzoeken. Dit omvat het kalibreren van het meetsysteem en het meten van de interactie kracht bij Super-hydrofobe substraten met verschillende raster fracties.

Het meten van de interactie kracht tussen een druppel en een super-hydrofobe substraat door de optische hefboom methode

The goal of this paper is to investigate the interaction force between droplets and super-hydrophobic substrates in the air. A measurement system based on ...

Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen op het gebied van bionica en vloeistofmechanica, zoals superhydrofobe structuren van lotusbladeren en de druppel coalescentieprocessen. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat een kracht op de schaal van submicro-newtons kan worden gemeten met een resolutie van de schaal van nanonewtons. Deze methode kan inzicht geven in het contactproces van druppel- en superhydrofoobische structuren.En het kan ook worden toegepast op andere gebieden van micro-kracht meting. Personen die deze techniek nog nooit hebben uitgevoerd, zullen het moeilijk hebben omdat de afstand tussen druppels en de superhydrofobe substraten moeilijk nauwkeurig te controleren is. Bereid het meetsysteem voor op een geschikte labbank.In het midden van het systeem is de silicium cantilever, die wordt opgehangen over een nanopositionering Z stadium. De vijf millimeter lange cantilever is aan het einde van de houder gemonteerd. Een hoge snelheidscamera is op zijn plaats met de lijn van het zicht loodrecht op de cantilever.De nanopositionering Z fase heeft een ondersteuning die een elektrode die op dit punt houdt. Ten slotte zijn een laser en een positiegevoelige detector gerangschikt om de cantileverafbuiging te meten. Gebruik na het meten van het capaciteitsgradiënt een computergestuurde DC-voeding om de optische hendel te kalibreren.Dit schema biedt enoverzicht van de setup voor kalibratie. Een plaatelektrode is op het nanopositionerende Z stadium. Het is 100 micrometer onder de cantilever met een overlap lengte van een halve millimeter.De cantilever en de elektrode vormen een condensator, met de positieve trekkracht van de DC-voeding verbonden met de cantilever en de negatieve trekkracht met de plaatelektrode. Pas vervolgens de relatieve posities van de laser, de positiegevoelige detector en de cantilever aan. Schik ze zo dat de laserstraal wordt gereflecteerd door de cantilever aan de detector.Stel op de computer de gegevensverwervingssnelheid van de detectoruitspanning in op één kilohertz. Stel in de DC-voedingsregelingssoftware de startspanning in op nulvolt. Stel de eindspanning in op 125 volt.Laat de spanning stijgen in stappen van 25 volt. Houd elke spanningswaarde gedurende vijf seconden vast. Als de spanning is gevarieerd, monitor de spanning output van de positie gevoelige detector.Na deze reeks metingen voert u een analoge sequentie uit die begint met de spanning op 125 volt en afneemt tot nulvolt in stappen van 25 volt. Gebruik de gegevens van vijf volledige metingen om een plot te maken waarin de helling de constante van proportionaliteit is tussen de interactiekracht en de positiegevoelige detectoroutputspanning. Om de metingen voor te bereiden, koppelt u de dc-voeding los aan de plaat en cantilever.Werk vervolgens met de nanopositionering Z-fase. Identificeer de elektrode op de plaatsteun en verwijder beide door de steun van het podium los te schroeven. In hun plaats, schroef een nieuwe plaat steun aan de z-fase voor verder te gaan.Zorg ervoor dat de zichtlijn van de hogesnelheidscamera loodrecht staat op de cantilever. Vervolgens krijgt u een superhydrofobe structuur voor de plaatsteun. Gebruik de structuur met een contacthoek van bijna 180 graden om de waterdruppel van de cantilever op te schorten.Voor het experiment, breng deze structuur aan de plaatsteun op het stadium Z. Plaats met een micropipet een druppel water van twee microliter op de superhydrofobe structuur. Ga nu aan de slag met de nanopositioneringsfasesoftware.In deze software, ga naar de snelheid dialoog doos en stel de snelheid op 10 micrometer per seconde. Klik op de naar voren gerichte knop om de druppel omhoog te laten bewegen. Klik op stop wanneer de druppel contact maakt met het vrije uiteinde van de cantilever.Verplaats na één of twee seconden handmatig het Z-podium van de cantilever. Een hemisferische druppel water moet aan het onderste oppervlak van de cantilever blijven hangen. Om door te gaan, verwijder de superhydrofobe structuur van de plaatsteun en krijg je een superhydrofoob substraat om het te vervangen.Dit substraat bestaat uit een kopergrit met gespoten op nanodeeltjes. Het substraat wordt op een cilinder gelijmd. Dit substraat heeft een netfractie van 46,18%Leg het substraat op de plaatsteun.Pas de positie van het superhydrofobe substraat aan, zodat het 100 micrometer verwijderd is van de hemisferische druppel op de cantilever. Met de detector, laser en camera aan, terug te keren naar het werk met de nanopositionering controle software. Stel in de snelheidsdialoogbox de snelheid in op 10 micrometer per seconde.Klik op de voorste knop om het substraat omhoog te laten bewegen. Klik op stop wanneer het substraat en de druppel contact maken. Klik op de terugknop om het superhydrofobe substraat naar beneden te verplaatsen.Klik op de stopknop wanneer het substraat en de druppel zijn gescheiden. Er zijn verschillende scenario's vertegenwoordigd in deze percelen van Interaction Force verzen Tijd. Eerste focus op de gegevens in de zwarte curve die is voor het substraat met raster fractie 46.18%In eerste instantie, het substraat en de druppel zijn verre van contact.Op dit punt is de kracht nul. Naarmate de afstand tussen het substraat en de druppel afneemt, ontstaat er een weerzinwekkende kracht. Dit komt tot uiting in de toename van de kracht.Zodra het substraat en de druppel in contact komen, wordt de kracht tussen de twee aantrekkelijk, wat leidt tot een afname van de curve als de druppel geleidelijk nat het substraat door capillaire actie. Uiteindelijk oscilleert de cantilever rond een evenwichtspositie. Wanneer andere hogere rasterfracties worden gebruikt, neemt de omvang van de kracht tussen de druppel en het substraat af.Tijdens een poging tot deze procedure, is het belangrijk om te onthouden dat de relevante positie tussen laser, PSD, en de cantilever niet kan worden gewijzigd. Die de nauwkeurigheid van de meetresultaten kan garanderen. Na de ontwikkeling maakt deze techniek een weg vrij voor onderzoeken op het gebied van spanningsmetingen om de kracht te verkennen tijdens druppels die in contact komen met substraat in de lucht.

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Mechanical Engineering

Engineering

Unit 1

Kinetics of a Particle: Force and Acceleration

SCIENTISTS IN ACTION

Fabricating Metamaterials Using the Fiber Drawing Method

Fabriceren Metamaterialen Met behulp van de Fiber tekenmethode

Metamaterials are man-made composite materials, fabricated by assembling components much smaller than the wavelength at which they operate 1. They owe ...

Taking Advantage of Reduced Droplet-surface Interaction to Optimize Transport of Bioanalytes in Digital Microfluidics

Profiterend van Reduced Droplet-oppervlak interactie aan Transport van Bioanalytes Optimaliseer in Digital Microfluidics

Digital microfluidics (DMF), a technique for manipulation of droplets, is a promising alternative for the development of &#8220;lab-on-a-chip&#8221; ...

Patterning via Optical Saturable Transitions - Fabrication and Characterization

Patroonvorming via Optical Verzadigbare Transitions - fabricage en karakterisering

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical ...

Experiments on Ultrasonic Lubrication Using a Piezoelectrically-assisted Tribometer and Optical Profilometer

Experimenten op Ultrasoon smeren met behulp van een piëzo-elektrisch ondersteunde Tribometer en optische Profilometer

Friction and wear are detrimental to engineered systems. Ultrasonic lubrication is achieved when the interface between two sliding surfaces is vibrated at ...

Methods for Measuring the Orientation and Rotation Rate of 3D-printed Particles in Turbulence

Methoden voor het meten van de oriëntatie en de draaisnelheid van de 3D-gedrukte Deeltjes in Turbulence

Experimental methods are presented for measuring the rotational and translational motion of anisotropic particles in turbulent fluid flows. 3D printing ...

Standardized Method for Measuring Collection Efficiency from Wipe-sampling of Trace Explosives

Gestandaardiseerde methode voor het meten verzamelefficiëntie van Veeg bemonsterde Trace explosieven

One of the limiting steps to detecting traces of explosives at screening venues is effective collection of the sample. Wipe-sampling is the most common ...

Experimental Implementation of a New Composite Fabrication Method: Exposing Bare Fibers on the Composite Surface by the Soft Layer Method

Experimentele implementatie van een nieuwe methode van de samengestelde Fabrication: bloot blote vezels op het samengestelde oppervlak door de zachte laag-methode

The bipolar plate is a key component in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) and vanadium redox flow batteries (VRFBs). It is a multi-functional ...

Microfluidic Imaging Flow Cytometry by Asymmetric-detection Time-stretch Optical Microscopy (ATOM)

Microfluidic Imaging Flow Cytometry by Asymmetric-detection Time-stretch Optical Microscopy ATOM

Microfluïdische Imaging Flow Cytometry door Asymmetrische Deteksie Time-stretch Optische Microscopie (ATOM)

Scaling the number of measurable parameters, which allows for multidimensional data analysis and thus higher-confidence statistical results, has been the ...

A Pipette-Tip Based Method for Seeding Cells to Droplet Microfluidic Platforms

Een pipet-Tip gebaseerde methode voor Seeding cellen Droplet Microfluidic Platforms

Amongst various microfluidic platform designs frequently used for cellular analysis, droplet-microfluidics provides a robust tool for isolating and ...

A Random-displacement Measurement by Combining a Magnetic Scale and Two Fiber Bragg Gratings

Een meting van willekeurige verplaatsing door het combineren van een magnetische schaal en twee Gratingen van vezel Bragg

Long-distance displacement measurements using optical fibers have always been a challenge in both basic research and industrial production. We developed ...