Name: measuring the interaction force between a droplet and a super-hydrophobic substrate by the optical lever method
Uploaded: 2019-06-14T14:00:00
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Os autores agradecem à Fundação da ciência natural de Tianjin (no. 18JCQNJC04800), fundo da ciência do Tribology do laboratório chave do estado do Tribology (no. SKLTKF17B18) e National natural Science Foundation da China (Grant no. 51805367) para o seu apoio.

1. montagem do sistema de calibração Sol
<ol><li>Montar o sistema de calibração Sol de acordo com o diagrama esquemático mostrado na Figura 2.</li>
	<li>Fixe o laser a um suporte, fazendo com que o ângulo entre o laser e a direção horizontal seja 45 °.</li>
	<li>Corrija o PSD para outro suporte, tornando o PSD perpendicular ao laser. Conecte o PSD ao dispositivo de aquisição de dados e ao dispositivo de aquisição de dados ao computador. Nota: estes ân...

<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. 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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>

Neste protocolo, um sistema de medição baseado no método de alavanca óptica é montado e calibrado, que é projetado para medir a força de interação entre as gotas e substratos superhidrofóbicos. Entre todas as etapas, é crítico calibrar Sol usando a força eletrostática. Os resultados do experimento de calibração verificam EQ. (8): P (1/vP1-1/vP2) é proporcional a 2 (1/vS12-1/vS22) e possibilita...

O contato entre uma gota e uma superfície super-hidrofóbica é muito comum na vida diária e na produção industrial: gotas de água que deslizam da superfície da folha de lótus1,2, e um Strider da água que viaja ràpida sobre a água3 ,4,5,6. Um revestimento super-hidrofóbico na superfície exterior de um navio pode ajudar a reduzir o grau de corrosão do navio e reduzir a resistência da navegação7,8,9,10. Há grande valor para a produção industrial e pesquisa biônica no estudo do processo de contato entre uma gota e uma superfície super hidrofóbica.
Para observar o processo de espalhamento de gotas em uma superfície sólida, Biance utilizou uma câmera de alta velocidade para fotografar o processo de contato e constatou que a duração do regime inercial é principalmente fixada pelo tamanho da gota11. Eddi fotografou o processo de contato entre a gota e a placa transparente do fundo e do lado usando uma câmera de alta velocidade, que revelou de forma abrangente a variação do raio de contato da gota viscosa com o tempo12. Paulsen combinou um método elétrico com observação de alta velocidade da câmera, assim reduzindo o tempo de resposta a 10 NS13,14.
A microscopia de força atômica (AFM) também tem sido utilizada para medir a força de interação entre a gota/bolha e superfícies sólidas. Vakarelski utilizou um cantilever AFM para medir as forças de interação entre duas pequenas bolhas (aproximadamente 80-140 μm) em solução aquosa durante colisões controladas na escala de micrômetros a nanômetros15. Shi usou uma combinação de AFM e microscopia de contraste da interferência da reflexão (ricm) para medir simultaneamente a força da interação e a evolução armazenamento da película fina da água entre uma bolha de ar e superfícies de mica do hidrofobicidade diferente 16,17.
Entretanto, desde que os cantilever comerciais usados em AFM são demasiado pequenos, o ponto do laser irradiado no modilhão seria submergido por gotas ou por bolhas. O AFM tem dificuldades em medir a força de interação entre gotículas e gotas/substratos no ar.
Neste trabalho, um sistema de medição baseado em um método de alavanca óptica é projetado para medir a força de interação entre gotículas e substratos superhidrofóbicos. A sensibilidade de força da alavanca óptica (Sol) é calibrada pela força eletrostática18e, em seguida, as forças de interação entre gotículas e diferentes substratos super-hidrofóbicos são medidos pelo sistema de medição.
O diagrama esquemático do sistema de medição é mostrado na Figura 1. O laser e o detector sensível da posição (PSD) constituem o sistema ótico da alavanca. Um modilhão de silício milimétrico é usado como um componente sensível no sistema. O substrato é fixado no estágio z de nanoposicionamento, que pode se mover na direção vertical. Quando o substrato se aproxima da gotículo, a força de interação faz com que o cantilever dobre. Assim, a posição do ponto do laser no PSD mudará, e a tensão da saída do PSD mudará. A tensão de saída do PSD Vp é proporcional à força de interação Fi, como mostrado em EQ. (1).
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq1.jpg">1
A fim de adquirir a força de interação, Sol deve ser calibrado primeiro. A força eletrostática é usada como a força padrão na calibração de Sol. Como mostrado na Figura 2, o cantilever e o eletrodo compõem um capacitor de placa paralela, que poderia gerar força eletrostática em uma direção vertical. A força eletrostática Fes é determinada pela tensão da fonte de alimentação CC Vs, como mostrado em EQ. (2)19,20,21.
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq2.jpg">2
onde c é a capacitância do capacitor da placa paralela, z é o deslocamento da extremidade livre do cantilever, e dc/dz é chamado inclinação da capacitância. A capacitância pode ser medida pela ponte de capacitância. A relação matemática entre C e z pode ser ajustada por um polinômio quadrático, como mostrado em EQ. (3).
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq3.jpg">3
onde Q, P e TC são os coeficientes do termo quadrático, o termo primário e o termo constante, respectivamente. Portanto, a força eletrostática Fes pode ser expressa como EQ. (4).
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq4.jpg">4
Uma vez que a área de sobreposição de duas placas do capacitor é muito pequena, a força elástica agiu no cantilever pode ser expressa como EQ. (5), de acordo com a lei de Hooke:
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq5.jpg">5
onde k é a rigidez do cantilever.
Quando a força elástica e a força eletrostática aplicadas no cantilever são iguais (i.e., fi = fes), o cantilever está em equilíbrio. EQ. (6) pode ser derivado de EQs. (1), (2) e (5):
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq6.jpg">6
A fim de reduzir a incerteza dos resultados de calibração, um método de diferença é usado para calcular Sol. Os resultados de dois experimentos são tomados como VS1, vP1 e vS2, vP2, e são substituídos em EQ. (6):
<img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq7.jpg">7
Transformando as equações e subtraindo a equação inferior da equação superior em EQ. (7), os parâmetros Q e k são eliminados. Em seguida, a fórmula de calibração de Sol é obtida, como mostrado em EQ. (8):
<img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/59539/59539eq8.jpg">8
Realizando uma série de experimentos, a curva é desenhada com P (1/vP1-1/vP2) como o ordenate e 2 (1/vS12-1/vS22) como o abscissa. A inclinação da curva é Sol.
Após a obtenção de Sol, o eletrodo será substituído por diferentes substratos super-hidrofóbicos. As forças de interação entre gotículas e substratos superhidrofóbicos serão mensuradas pelo sistema mostrado na Figura 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

O objetivo deste trabalho é investigar a força de interação entre gotículas e substratos superhidrofóbicos no ar. Um sistema de medição baseado em um método de alavanca óptica é projetado. Um cantilever milimétrico é usado como um componente sensível à força no sistema de medição. Firstly, a sensibilidade da força da alavanca ótica é calibrada usando a força eletrostática, que é a etapa crítica em medir a força da interação. Em segundo lugar, três substratos superhidrofóbicos com diferentes frações de grade são preparados com nanopartículas e grades de cobre. Finalmente, as forças de interação entre gotículas e substratos superhidrofóbicos com diferentes frações de grade são mensuradas pelo sistema. Este método pode ser usado para medir a força na escala de sub-micronewton com uma resolução sobre a escala de nanonewton. O estudo aprofundado do processo de contato de gotículas e estruturas super hidrofóbicas pode ajudar a melhorar a eficiência de produção em revestimento, filme e impressão. O sistema de medição da força projetado neste papel pode igualmente ser usado em outras áreas da medida da microforça.

O deslocamento do eletrodo da placa e a capacitância correspondente entre o cantilever e o eletrodo medido em um experimento são mostrados na tabela 1. A relação entre a capacitância C e o deslocamento z é ajustada pelo polinômio quadrático utilizando a função polifit no MATLAB, como mostra a Figura 4. O coeficiente de primeira ordem P pode ser obtido pela função de encaixe. O valor final de P é 0,2799 pF/mm, que é a média calculada a partir ...

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

O protocolo tem como objetivo investigar a interação entre gotículas e substratos superhidrofóbicos no ar. Isso inclui calibrar o sistema de medição e medir a força de interação em substratos super hidrofóbicos com diferentes frações de grade.

Medindo a força de interação entre um droplet e um substrato super-hidrofóbico pelo método de alavanca óptica

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 ...

Este método pode ajudar a responder a perguntas-chave no campo da biônica e da mecânica de fluidos, como estruturas superhidrofóbicas de folhas de lótus e os processos de coalescência de gotículas. A principal vantagem desta técnica é que uma força na escala de sub-micro-newtons pode ser medida com uma resolução de escala de nanonovos. Este método poderia fornecer insights sobre o processo de contato de gotículas e estruturas superhidrofóbicas.E também pode ser aplicado a outros campos de medição de micro-força. Indivíduos que nunca realizaram essa técnica lutarão porque a distância entre gotículas e substratos superhidrofóbicos é difícil de controlar com precisão. Prepare o sistema de medição em um banco de laboratório apropriado.No centro do sistema está o cantilever de silício, que está suspenso sobre um estágio Z de nanoposicionamento. O cantilever de cinco milímetros de comprimento é montado na extremidade do suporte. Uma câmera de alta velocidade está no lugar com a linha de visão perpendicular ao cantilever.O estágio Z de nanoposicionamento tem um suporte que contém um eletrodo que neste momento. Finalmente, um laser e um detector sensível de posição são organizados para medir a deflexão cantilever. Depois de medir o gradiente de capacitância, use uma fonte de alimentação DC controlada pelo computador para calibrar a alavanca óptica.Este esquema fornece e visão geral da configuração para calibração. Um eletrodo de placa está no estágio Z de nanoposicionamento. Está 100 micrômetros abaixo do cantilever com um comprimento de sobreposição de meio milímetro.O cantilever e o eletrodo formam um capacitor, com a puxada positiva da fonte de alimentação DC conectada com o cantilever e a tração negativa com o eletrodo da placa. Em seguida, ajuste as posições relativas do laser, o detector sensível à posição e o cantilever. Organize-os para que o raio laser seja refletido pelo cantilever para o detector.No computador, defina a taxa de aquisição de dados da tensão de saída do detector para um quilohertz. No software de controle de alimentação DC, defina a tensão inicial para zero volts. Coloque a tensão final em 125 volts.Tenha o aumento da tensão em incrementos de 25 volts. Segure cada valor de tensão por cinco segundos. Como a tensão é variada, monitore a saída de tensão do detector sensível à posição.Após esta sequência de medições, realize uma sequência análoga começando com a tensão a 125 volts e diminuindo para zero volts em incrementos de 25 volts. Use os dados de cinco medidas completas para criar um plot no qual a inclinação é a constante de proporcionalidade entre a força de interação e a tensão de saída sensível do detector de posição. Para se preparar para as medições, desconecte a fonte de alimentação DC da placa e cantilever.Em seguida, trabalhe com o estágio Z de nanoposicionamento. Identifique o eletrodo no suporte da placa e remova ambos desparafusando o suporte do palco. Em seu lugar, enrosque um novo suporte de placa para a etapa z antes de continuar.Certifique-se de que a linha de visão da câmera de alta velocidade é perpendicular ao cantilever. Em seguida, obtenha uma estrutura superhidrofóbica para o suporte da placa. Use a estrutura com um ângulo de contato de quase 180 graus para suspender a gota d'água do cantilever.Para o experimento, afixe esta estrutura no suporte da placa no estágio Z. Com uma micro pipeta, coloque uma gota de dois microliter de água na estrutura superhidrofóbica. Agora comece a trabalhar com o software de palco de nanoposicionamento.Neste software, vá para a caixa de diálogo de velocidade e defina a velocidade para 10 micrômetros por segundo. Clique no botão para frente para iniciar a gotícula movendo-se para cima. Clique em parar quando a gota entrar em contato com a extremidade livre do cantilever.Após um ou dois segundos, mova manualmente o estágio Z para longe do cantilever. Uma gota hemisférica de água deve permanecer suspensa da superfície inferior do cantilever. Para continuar, remova a estrutura superhidrofóbica do suporte da placa e obtenha um substrato superhidrofóbico para substituí-la.Este substrato consiste em um grão de cobre com pulverizado em nanopartículas. O substrato está colado em um cilindro. Este substrato tem uma fração de grade de 46,18% Coloque o substrato no suporte da placa.Ajuste a posição do substrato superhidrofóbico para que esteja a 100 micrômetros da gotícula hemisférica no cantilever. Com o detector, laser e câmera ligados, volte a trabalhar com o software de controle de nanoposicionamento. Na caixa de diálogo de velocidade, defina a velocidade para 10 micrômetros por segundo.Clique no botão para frente para iniciar o substrato movendo-se para cima. Clique em parar quando o substrato e a gotícula fizerem contato. Clique no botão de trás para mover o substrato superhidrofóbico para baixo.Clique no botão parar quando o substrato e a gotícula estiverem separados. Há diferentes cenários representados nessas tramas de versos da Força de Interação Tempo. Primeiro foco nos dados na curva preta que é para o substrato com fração de grade 46,18%Inicialmente, o substrato e a gotícula estão longe de contato.Neste ponto, a força é zero. À medida que a distância entre o substrato e a gotícula diminui, surge uma força repulsiva. Isso se reflete no aumento da força.Uma vez que o substrato e a gotícula entram em contato, a força entre os dois torna-se atraente, levando a uma diminuição na curva à medida que a gotícula gradualmente molha o substrato através da ação capilar. Eventualmente, o cantilever oscila em torno de uma posição de equilíbrio. Quando outras frações de grade mais altas são usadas, a magnitude da força entre a gotícula e o substrato diminui.Ao tentar esse procedimento, é importante lembrar que a posição relevante entre laser, PSD e cantilever não pode ser alterada. O que pode garantir a precisão dos resultados da medição. Após seu desenvolvimento, essa técnica abre caminho para pesquisas no campo da medição da força de tensão explorarem a força durante gotículas em contato com o substrato no ar.

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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

Método baseado em uma ponta da pipeta para semeadura pilhas Droplet Microfluidic plataformas

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

Uma medida do aleatório-deslocamento combinando uma escala magnética e dois gratings do Bragg da fibra

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