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

Die Autoren danken der Tianjin Natural Science Foundation (Nr. 18JCQNJC04800), Tribology Science Fund of State Key Laboratory of Tribology (Nr. SKLTKF17B18) und National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51805367) für ihre Unterstützung.

1. Montage des SOL Kalibriersystems
<ol><li>Montieren Sie das SOL Kalibriersystem gemäß dem Schaltplan in Abbildung 2.</li>
	<li>Befestigen Sie den Laser an einer Stütze, sodass der Winkel zwischen dem Laser und der horizontalen Richtung 45° beträgt.</li>
	<li>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 Wink...

<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 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, SOL mit elektrostatischer Kraft zu kalibrieren. Die Ergebnisse des Kalibrierexperiments verifizieren Eq. (8): P(1/Vp1-1/Vp2) ist proportional zu 2(1/Vs12-1/Vs22...

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 Lotusblattes1,2, und ein Wassersttrider, der schnell über das Wasser wandert3 ,4,5,6. Eine superhydrophobe Beschichtung auf der Außenseite eines Schiffes kann helfen, den Korrosionsgrad des Schiffes zu reduzieren und den Widerstand der Navigation7,8,9,10zu 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 ns13,14reduziert 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 (SOL) 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 Vp ist proportional zur Wechselwirkungskraft Fi, wie in Eq. (1) dargestellt.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq1.jpg">①
Um die Wechselwirkungskraft zu erhalten, muss Zuerst SOL kalibriert werden. Die elektrostatische Kraft wird als Standardkraft bei der Kalibrierung von SOLverwendet. Wie in Abbildung 2dargestellt, bilden der Ausleger und die Elektrode einen parallelen Plattenkondensator, der elektrostatische Kraft in vertikaler Richtung erzeugen könnte. Die elektrostatische Kraft Fes wird durch die Spannung des Gleichstromnetzes Vsbestimmt, wie in Eq. (2)19,20,21dargestellt.
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq2.jpg">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.
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq3.jpg">③
wobei Q, P und CT die Koeffizienten des quadratischen Begriffs, des Primärbegriffs bzw. des konstanten Terms sind. Daher kann die elektrostatische Kraft Fes als Eq. (4) ausgedrückt werden.
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq4.jpg">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:
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq5.jpg">(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.Fi = Fes), befindet sich der Ausleger im Gleichgewicht. Eq. (6) kann aus Eqs abgeleitet werden. (1), (2) und (5):
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq6.jpg">(6)
Um die Unsicherheit der Kalibrierergebnisse zu reduzieren, wird eine Differenzmethode zur Berechnung von SOLverwendet. Die Ergebnisse von zwei Experimenten werden als Vs1, Vp1 und Vs2, Vp2, und in Eq. (6) ersetzt:
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq7.jpg">(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 SOL erhalten, wie in Eq. (8) dargestellt:
<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq8.jpg">(8)
Bei einer Reihe von Experimenten wird die Kurve mit P(1/Vp1-1/Vp2) als Ordinate und 2(1/Vs12-1/Vs22) als Abszisse gezeichnet. Die Neigung der Kurve ist SOL.
Nach Erhalt von SOLwird die Elektrode durch verschiedene superhydrophobe Substrate ersetzt. Die Wechselwirkungskräfte zwischen Tröpfchen und superhydrophoben Substraten werden durch das in Abbildung 1dargestellte System gemessen.

<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

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.

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 ...

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

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.

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

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 ...

Diese Methode kann helfen, wichtige Fragen auf dem Gebiet der Bionik und Strömungsmechanik zu beantworten, wie superhydrophobe Strukturen von Lotusblättern und die Tröpfchenkoaleszenzprozesse. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass eine Kraft auf der Skala von Sub-Mikronewtons mit einer Auflösung von Nanonewtongemessen werden kann. Diese Methode könnte Einen Einblick in den Kontaktprozess von Tröpfchen und superhydrophoben Strukturen geben.Und es kann auch auf andere Bereiche der Mikrokraftmessung angewendet werden. Personen, die diese Technik noch nie durchgeführt haben, werden Schwierigkeiten haben, weil der Abstand zwischen Tröpfchen und den superhydrophoben Substraten schwer genau zu kontrollieren ist. Bereiten Sie das Messsystem auf einer geeigneten Laborbank vor.In der Mitte des Systems befindet sich der Siliziumausleger, der über einer nanopositionierenden Z-Stufe aufgehängt wird. Der fünf Millimeter lange Ausleger ist am Ende des Halters montiert. Eine Hochgeschwindigkeitskamera ist mit der Sichtlinie senkrecht zum Ausleger.Die nanopositionierte Z-Stufe hat eine Stütze, die eine Elektrode hält, die an dieser Stelle. Schließlich sind ein Laser und ein positionsempfindlicher Detektor angeordnet, um die Auslegerverformung zu messen. Nach der Messung des Kapazitätsgradienten verwenden Sie ein computergesteuertes DC-Netzteil, um den optischen Hebel zu kalibrieren.Dieser Schaltplan bietet und übersichtt die Einstellungen für die Kalibrierung. Eine Plattenelektrode befindet sich auf der Nanopositionierungs-Z-Stufe. Er liegt 100 Mikrometer unter dem Ausleger mit einer Überlappungslänge von einem halben Millimeter.Der Ausleger und die Elektrode bilden einen Kondensator, wobei der positive Zug des Gleichstromnetzteils mit dem Ausleger und der negative Zug mit der Plattenelektrode verbunden ist. Passen Sie als Nächstes die relativen Positionen des Lasers, des positionsempfindlichen Detektors und des Auslegers an. Ordnen Sie sie so an, dass der Laserstrahl vom Ausleger zum Detektor reflektiert wird.Stellen Sie am Computer die Erfassungsrate der Detektorausgangsspannung auf einen Kilohertz ein. Stellen Sie in der DC-Netzteilsteuerungssoftware die Startspannung auf Null Volt ein. Stellen Sie die Endspannung auf 125 Volt ein.Lassen Sie die Spannung in 25-Volt-Schritten erhöhen. Halten Sie jeden Spannungswert fünf Sekunden lang. Überwachen Sie bei abwechslungsreicher Spannung den Spannungsausgang des positionsempfindlichen Detektors.Führen Sie nach dieser Messsequenz eine analoge Sequenz aus, die mit der Spannung bei 125 Volt beginnt und in Schritten von 25 Volt auf Null Volt abnimmt. Verwenden Sie die Daten aus fünf vollständigen Messungen, um ein Diagramm zu erstellen, in dem die Steigung die Konstante der Proportionalität zwischen der Wechselwirkungskraft und der positionsempfindlichen Detektorausgangsspannung ist. Um sich auf die Messungen vorzubereiten, trennen Sie das Gleichstromnetzteil von der Platte und dem Ausleger.Arbeiten Sie als Nächstes mit der NanopositionierungZ-Stufe. Identifizieren Sie die Elektrode auf ihrer Plattenstütze und entfernen Sie beides, indem Sie die Stütze von der Bühne abschrauben. An ihrer Stelle, schrauben Sie eine neue Plattenstütze auf die z-Bühne, bevor Sie fortfahren.Stellen Sie sicher, dass die Sichtlinie der Hochgeschwindigkeitskamera senkrecht zum Ausleger ist. Als nächstes erhalten Sie eine superhydrophobe Struktur für die Plattenstütze. Verwenden Sie die Struktur mit einem Kontaktwinkel von fast 180 Grad, um das Wassertröpfchen aus dem Ausleger aufzuhängen.Für das Experiment diese Struktur an der Plattenstütze auf der Z-Bühne anbringen. Mit einer Mikropipette legen Sie ein zwei Mikroliter Tropfen Wasser auf die superhydrophobe Struktur. Beginnen Sie nun mit der Nanopositionierungs-Bühnensoftware.Gehen Sie in dieser Software in die Geschwindigkeitsdialogbox und stellen Sie die Geschwindigkeit auf 10 Mikrometer pro Sekunde ein. Klicken Sie auf die Vorwärtsschaltfläche, um das Tröpfchen nach oben zu starten. Klicken Sie auf Stopp, wenn das Tröpfchen das freie Ende des Auslegers kontaktiert.Nach ein oder zwei Sekunden bewegen Sie die Z-Bühne manuell vom Ausleger weg. Ein halbkugelförmiges Wassertropfen sollte von der unteren Oberfläche des Auslegers aufgehängt bleiben. Um fortzufahren, entfernen Sie die superhydrophobe Struktur aus der Plattenstütze und erhalten Sie ein superhydrophobes Substrat, um es zu ersetzen.Dieses Substrat besteht aus einem Kupferkorn mit auf Nanopartikeln gesprühten. Das Substrat wird auf einen Zylinder geklebt. Dieses Substrat hat einen Rasteranteil von 46,18%Platzieren Sie das Substrat auf dem Plattenträger.Passen Sie die Position des superhydrophoben Substrats so an, dass es 100 Mikrometer vom hämischen Tröpfchen auf dem Ausleger entfernt ist. Mit dem Detektor, Laser und Kamera auf, kehren Sie mit der Nanopositionierung Sättregelsoftware zu arbeiten. Legen Sie in der Geschwindigkeitsdialogbox die Geschwindigkeit auf 10 Mikrometer pro Sekunde fest.Klicken Sie auf die Vorwärtsschaltfläche, um das Substrat nach oben zu bewegen. Klicken Sie auf Stopp, wenn das Substrat und das Tröpfchen Inkontakt treten. Klicken Sie auf die Zurück-Taste, um das superhydrophobe Substrat nach unten zu bewegen.Klicken Sie auf die Stopp-Taste, wenn das Substrat und das Tröpfchen getrennt sind. Es gibt verschiedene Szenarien, die in diesen Plots der Interaction Force Verse Zeit dargestellt werden. Erster Fokus auf die Daten in der schwarzen Kurve, die für das Substrat mit Rasteranteil 46,18% ist Zunächst sind das Substrat und das Tröpfchen weit von Kontakt.An diesem Punkt ist die Kraft Null. Wenn der Abstand zwischen Demsubstrat und dem Tröpfchen abnimmt, entsteht eine abstoßende Kraft. Dies spiegelt sich in der Zunahme der Kraft wider.Sobald das Substrat und das Tröpfchen in Kontakt kommen, wird die Kraft zwischen den beiden attraktiv, was zu einer Abnahme der Kurve führt, da das Tröpfchen das Substrat allmählich durch Kapillarwirkung befeuchten. Schließlich oszilliert der Ausleger um eine Gleichgewichtsposition. Wenn andere höhere Gitterfraktionen verwendet werden, nimmt die Stärke der Kraft zwischen dem Tröpfchen und dem Substrat ab.Beim Versuch dieses Verfahrens ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass die relevante Position zwischen Laser, PSD und dem Ausleger nicht geändert werden kann. Das kann die Genauigkeit der Messergebnisse gewährleisten. Nach der Entwicklung ebnet diese Technik einen Weg für Forschungen auf dem Gebiet der Spannungskraftmessung, um die Kraft bei Tröpfchen bei Kontakt mit Substrat in der Luft zu erforschen.

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

Herstellung Metamaterialien Mit dem Fiber Drawing Methode

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

Forschung

Ingenieurwesen

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

Vorteilhafte Reduzierte Droplet-Oberflächen-Wechselwirkung, um den Transport Bioanalyten in Digitale Mikrofluidik Optimieren

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

Strukturierung via Optical Saturable Transitions - Herstellung und Charakterisierung

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

Experimente an Ultraschall-Schmierung Verwenden eines piezoelektrisch unterstützten Tribometer und 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

Verfahren zur Messung der Neigung und Drehrate von 3D-gedruckten Particles 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

Standardisierte Methode für Collection Efficiency Messung von Wipe-sampling of Trace Explosiven

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

Experimentelle Umsetzung einer neuen Composite Fertigung-Methode: Verfügbarmachen nackten Fasern auf die zusammengesetzte Fläche durch die weiche Schicht-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

Mikrofluidische Imaging-Durchflusszytometrie durch asymmetrische Detektion Zeitstreck-Optische Mikroskopie (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

Eine Pipettenspitze basierte Methode für das Seeding Zellen Tröpfchen mikrofluidischen Plattformen

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

Eine Zufällige Verschiebungsmessung durch Kombination einer magnetischen Skala und zwei Faser-Bragg-Gitter

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