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

המחברים מודים לקרן המדע הטבעי טיינג'ין (No. 18JCQJC04800), קרן המדע הטריבונולוגיה של מעבדת מפתח המדינה של טריבונולוגיה (No. SKLTKF17B18) והקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (גרנט No. 51805367) על תמיכתם.

1. הרכבת מערכת כיול SOL
<ol><li>הכנס את מערכת כיול SOL לפי התרשים הסכימטי המוצג באיור 2.</li>
	<li>תקן את הלייזר לתמיכה, מה שהופך את הזווית בין הלייזר לכיוון האופקי להיות 45 °.</li>
	<li>לתקן את PSD לתמיכה אחרת, מה שהופך את PSD בניצב ללייזר. חבר את PSD להתקן רכישת הנתונים ואת התקן רכישת ...

<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>

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 SOL באמצעות כוח אלקטרוסטטי. תוצאות ניסוי הכיול מאמתים Eq (8): P (1/vp1-1/vp2) פרופורציונלי ל-2 (1/vs12</...

המגע בין droplet לבין משטח סופר-הידרופובי נפוץ מאוד בחיי היומיום והייצור התעשייתי: טיפות מים הזזה ממשטח של עלה לוטוס1,2, ומעבר המים נע במהירות על פני המים3 ,4,5,6. ציפוי סופר הידרופובי על פני השטח החיצוני של הספינה יכול לעזור להפחית את הרמה קורוזיה של הספינה ולהפחית את ההתנגדות של הניווט7,8,9,10. 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 ns13,14.
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 (SOL) 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 Vp פרופורציונלי לכוח האינטראקציה Fi, כפי שמוצג Eq. (1).
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq1.jpg">1
כדי להשיג את כוח האינטראקציה, יש לכייל את SOL תחילה. הכוח האלקטרוסטטי משמש ככוח סטנדרטי בכיול של SOL. 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 Vs, כפי שמוצג Eq. (2)19,20,21.
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq2.jpg">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).
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq3.jpg">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).
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq4.jpg">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:
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq5.jpg">(5)
כאשר k הוא הקשיות של הזיז.
כאשר הכוח האלסטי והכוח האלקטרוסטטי מוחלים על הזיז שווים (כלומר, fi = f), הזיז נמצא בשיווי משקל. Eq. (6) יכול להיות נגזר של Eqs. (1), (2) ו-(5):
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq6.jpg">6
כדי להקטין את אי-הוודאות של תוצאות כיול, שיטת ההפרש משמשת לחישוב SOL. התוצאות של שני ניסויים נלקחים כמו Vs1, vP1 ו-vs2, vp2, ו הם הוחלף Eq. (6):
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq7.jpg">7
שינוי המשוואות והפחתת המשוואה התחתונה מהמשוואה העליונה ב Eq. (7), הפרמטרים Q ו- k מסולקים. אז נוסחת הכיול של SOL מתקבלת, כפי שמוצג Eq. (8):
<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq8.jpg">8
ביצוע סדרה של ניסויים, העקומה מצויר עם P (1/vp1-1/vp2) כמו מתאם ו 2 (1/vs12-1/vs22) כמו abscissa. השיפוע של העקומה הוא SOL.
לאחר קבלת SOL, האלקטרודה יוחלפו על ידי שונים מצעים סופר הידרופובי. כוחות האינטראקציה בין טיפות ומצעים סופר-הידרופובי יימדדו על ידי המערכת המוצגת באיור 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

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.

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?...

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

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.

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

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 ...

שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום הביוניקה ומכניקת הנוזלים, כגון מבנים סופרהידרופוביים של עלי לוטוס ותהליכי התמזגות טיפה. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא כי כוח בסולם של מיקרו ניוטון תת ניתן למדוד עם רזולוציה של קנה מידה של nanonewtons. שיטה זו יכולה לספק תובנה על תהליך המגע של טיפה ומבנים סופר הידרופוביים.וזה יכול להיות מיושם גם על תחומים אחרים של מדידת מיקרו כוח. אנשים שמעולם לא ביצעו טכניקה זו יתקשו כי המרחק בין טיפות לבין מצעים סופר הידרופובי קשה לשלוט במדויק. הכינו את מערכת המדידה על ספסל מעבדה מתאים.במרכז המערכת נמצא סיליקון cantilever, אשר מושעה מעל שלב Z nanopositioning. ה-cantilever באורך 5 מ"מ מותקן בקצה המחזיק. מצלמה במהירות גבוהה נמצאת במקום עם קו הראייה בניצב ל- cantilever.שלב nanopositioning Z יש תמיכה המחזיקה אלקטרודה כי בשלב זה. לבסוף, לייזר וגלאי רגיש למיקום מסודרים כדי למדוד את ההטיה cantilever. לאחר מדידת שיפוע קיבולות, השתמש באספקת כוח DC הנשלטת על-ידי מחשב כדי לכייל את הידית האופטית.סכמטי זה מספק והצגה של ההתקנה לכיול. אלקטרודה צלחת היא על הבמה ננו-מיקום Z. זה 100 מיקרומטר מתחת cantilever עם אורך חפיפה של חצי מילימטר אחד.ה- cantilever והאלקטרודה יוצרים קיבול, עם המשיכה החיובית של ספק הכוח DC המחובר עם ה- cantilever והמשיכה השלילית עם אלקטרודה הלוח. לאחר מכן, התאימו את המיקומים היחסיים של הלייזר, את הגלאי הרגיש למיקום ואת ה-cantilever. מסדרים אותם כך שקרן הלייזר משתקפת על ידי ה- cantilever לגלאי.במחשב, הגדר את קצב איסוף הנתונים של מתח היציאה של הגלאי לקילהרץ אחד. בתוכנת בקרת אספקת החשמל DC, הגדר את מתח ההתחלה לאפס וולט. הגדר את מתח הקצה ל-125 וולט.יש את עליית המתח במרווחים של 25 וולט. החזק כל ערך מתח למשך חמש שניות. מכיוון שהמתח מגוון, נטר את תפוקת המתח של גלאי המיקום הרגיש.לאחר רצף זה של מדידות, לבצע רצף אנלוגי החל עם המתח ב 125 וולט וירידה לאפס וולט במרווחים של 25 וולט. השתמש בנתונים מחמש מדידות שלמות כדי ליצור התוויה שבה השיפוע הוא קבוע המידתיות בין כוח האינטראקציה למתח היציאה הרגיש של הגלאי. כדי להתכונן למדידות, נתק את ספק הכוח DC מהצלחת ו- cantilever.לאחר מכן, לעבוד עם שלב Z nanopositioning. זהה את האלקטרודה על הצלחת שלה תמיכה ולהסיר הן על ידי הסרת התמיכה מהבמה. במקום שלהם, לדפוק תמיכה צלחת חדשה לשלב z לפני שתמשיך.ודא שקו הראייה של המצלמה המהירה ניצב עד ה-cantilever. לאחר מכן, קבל מבנה סופר הידרופובי לתמיכה בצלחת. השתמש במבנה עם זווית מגע של כמעט 180 מעלות כדי להשעות את טיפת המים מן cantilever.לניסוי, להדביק מבנה זה לתמיכה צלחת על הבמה Z. עם פיפטה זעירה, מניחים טיפת מים של שני מיקרוליטר על המבנה הסופרהידרופובי. עכשיו להתחיל לעבוד עם תוכנת שלב nanopositioning.בתוכנה זו, עבור לתיבת דו-שיח המהירות והגדר את המהירות ל- 10 מיקרומטר לשנייה. לחץ על לחצן קדימה כדי להתחיל את הירידה נעה כלפי מעלה. לחץ על עצור כאשר הנפתח יוצר קשר עם הקצה הפנוי של ה- cantilever.לאחר שניה או שתיים, הזז ידנית את שלב Z הרחק מה- cantilever. טיפת מים מיספרית צריכה להישאר תלויה מפני השטח התחתונים של הקן. כדי להמשיך, להסיר את המבנה superhydrophobic מן התמיכה צלחת ולקבל מצע סופר הידרופובי להחליף אותו.מצע זה מורכב חצץ נחושת עם ריסוס על חלקיקים. המצע מודבק על גליל. למצע זה יש שבר רשת של 46.18%מקם את המצע בתמיכת הלוח.התאימו את מיקום המצע הסופר-הידרופובי כך שיהיה 100 מיקרומטר מהטפה המיספרית על המצע. כשהגלאי, הלייזר והמצלמה פועלים, חזרו לעבודה עם תוכנת בקרת הננו-מיקום. בתיבת דו-שיח המהירות, הגדר את המהירות ל- 10 מיקרומטר לשנייה.לחץ על לחצן קדימה כדי להפעיל את המצע נע כלפי מעלה. לחץ על עצור כאשר המצע והשחרר יוצרים קשר. לחץ על לחצן 'הקודם' כדי להזיז את המצע הסופרהידרופובי כלפי מטה.לחץ על לחצן העצור כאשר המצע והשחרר מופרדים. קיימים תרחישים שונים המיוצגים בחלקות אלה של זמן פסוקים של כוח האינטראקציה. התמקדות ראשונה בנתונים בעקומה השחורה שהיא עבור המצע עם שבר רשת 46.18%בתחילה, המצע והירידה רחוקים ממגע.בשלב זה, הכוח הוא אפס. ככל שהריחוק בין המצע לירידה יורד, נוצר כוח דוחה. הדבר בא לידי ביטוי בעלייה בכוח.ברגע שהמצע והטיפת באים במגע, הכוח בין השניים הופך לאטרקטיבי, מה שמוביל לירידה בעקומה כאשר טיפת המצע מרפרפת בהדרגה את המצע באמצעות פעולה נימית. בסופו של דבר, התנודה מתנוודה סביב תנוחת שיווי משקל. כאשר נעשה שימוש בשברים אחרים ברשת גבוהה יותר, עוצמת הכוח בין הירידה למצע פוחתת.בעת ניסיון הליך זה, חשוב לזכור כי לא ניתן לשנות את המיקום הרלוונטי בין לייזר, PSD ו- cantilever. מה שיכול להבטיח את הדיוק של תוצאות המדידה. לאחר התפתחותה, טכניקה זו סוללת דרך למחקרים בתחום מדידת כוח המתח לחקור את הכוח במהלך טיפות במגע עם מצע באוויר.

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

Metamaterials בודה בשיטת ציור הסיבים

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

ניצול של אינטראקציה אגל-פני השטח מופחת למטב תחבורה של Bioanalytes במיקרופלואידיקה הדיגיטלי

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

דפוסים באמצעות מעברי Saturable אופטיים - ייצור ואפיון

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

ניסויים בUltrasonic שימון שימוש Tribometer סייע-Piezoelectrically וProfilometer האופטי

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

שיטות למדידת התמצאות סיבוב שעיר 3D מודפסות חלקיקי 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

שיטה סטנדרטית למדידת יעילות גבייה נגב-דגימה של חומרי נפץ Trace

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

יישום ניסיוני של שיטת ייצור ללא הפרדות צבע חדשה: חשיפת סיבי חשופות על פני השטח Composite בשיטת שכבה רכה

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

Microfluidic דימות זרימת cytometry ידי אסימטרית איתור זמן למתוח אופטי מיקרוסקופית (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

טיפ פיפטה המבוסס על שיטה עבור תאים זריעה על פלטפורמות Microfluidic רביב

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

מדידת הזחה אקראית על-ידי שילוב סולם מגנטי ושני בראג בלגים

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