利用光杠杆法测量液滴与超疏水基底间的相互作用力

该方法有助于解答仿生学和流体力学领域的关键问题，例如荷叶的超疏水结构以及液滴聚并过程。此技术的主要优势在于，能够以纳牛顿级别的分辨率测量低至亚微牛顿量级的作用力。该方法可为液滴与超疏水结构接触过程的研究提供深入见解。

此外，该技术还可应用于其他微力测量领域。从未操作过此技术的人员可能会遇到困难，因为液滴与超疏水基底之间的距离难以精确控制。应在合适的实验台面上准备测量系统。

系统的核心是一个硅悬臂，该悬臂悬置于纳米定位Z轴平台之上。这个五毫米长的悬臂安装在支架的末端。一台高速相机就位，其视线方向与悬臂垂直。

纳米定位Z轴平台有一个支架，用于固定电极。最后，设置一束激光和一个位置敏感探测器，以测量悬臂的偏转。在测量电容梯度后，使用计算机控制的直流电源校准光学杠杆。

该示意图展示了校准装置的设置。一个平板电极位于纳米定位Z轴平台上，其位置在悬臂下方100微米处，重叠长度为0.5毫米。

悬臂和电极构成一个电容器，其中直流电源的正极与悬臂相连，负极与板电极相连。接下来，调节激光器、位置敏感探测器和悬臂之间的相对位置，使激光束被悬臂反射至探测器。

在计算机上，将检测器输出电压的数据采集率设置为每秒一千赫兹。在直流电源控制软件中，将起始电压设为零伏特，终止电压设为125伏特。

使电压以25伏为增量逐步升高，每个电压值保持5秒。在改变电压的同时，监测位置灵敏探测器的电压输出。

完成此系列测量后，执行一个类似的序列，从125伏电压开始，以25伏为步长逐步降低至零伏。利用五次完整测量所得的数据绘制图表，其中斜率即为相互作用力与位置敏感探测器输出电压之间的比例常数。为准备测量，请将直流电源从极板和悬臂上断开。

接下来，操作纳米定位Z轴载物台。确定电极在其板状支架上的位置，并通过拧下支架从载物台上取下电极和支架。随后，在Z轴载物台上拧入一个新的板状支架，再继续后续操作。

确保高速相机的视线与悬臂梁垂直。接下来，为平板支撑获取一种超疏水结构。使用接触角接近180度的结构，使水滴从悬臂梁上悬挂。

进行实验时，将该结构固定在Z轴平台的支架上。使用微量移液器，在超疏水结构上放置一滴体积为2 µL的水滴。现在开始操作纳米定位平台的软件。

在此软件中，进入速度设置对话框，将速度设为 10 微米每秒。点击前进按钮，使液滴开始向上移动。当液滴接触到悬臂梁的自由端时，点击停止。

一到两秒后，手动将Z轴载物台移离悬臂。一个半球形的水滴应仍悬挂在悬臂的下表面。要继续操作，请将超疏水结构从载物台支架上取下，并取一块超疏水基底来替换它。

该基底由喷有纳米颗粒的铜砂构成。将基底粘附于圆柱体上。该基底的网格面积占比为46.18%。将基底放置在平板支撑上。

调整超疏水基底的位置，使其与悬臂梁上的半球形液滴相距100微米。保持检测器、激光器和相机开启，返回使用纳米定位控制软件。在速度对话框中，将速度设置为10微米每秒。

点击前进按钮，使基底开始向上移动。当基底与液滴接触时，点击停止。点击后退按钮，使超疏水基底向下移动。

当基底与液滴分离时，点击停止按钮。这些相互作用力随时间变化的曲线图展示了不同的情况。首先关注黑色曲线的数据，该曲线对应网格分数为46.18%的基底。最初，基底与液滴相距较远，尚未接触。

此时，作用力为零。随着基底与液滴之间距离的减小，会产生排斥力。这表现为作用力的增加。

当基底与液滴接触后，两者之间的力变为吸引力，导致曲线下降，液滴通过毛细作用逐渐润湿基底。最终，悬臂在平衡位置附近振荡。当使用其他较高的网格分数时，液滴与基底之间作用力的大小会减小。

在进行该操作时，必须注意激光器、PSD 与悬臂梁之间的相对位置不能改变，以确保测量结果的准确性。该技术的发展为张力测量领域的研究提供了途径，有助于探索液滴在空气中与基底接触时的作用力。