一种基于玻璃纤维探针的气泡驱动力测量方法

1.本发明属于微流控领域，具体涉及一种基于玻璃纤维探针的气泡驱动力测量方法。


背景技术：

2.一种典型的janus球形微马达的一个半球材料为铂(pt)另一个半球材料为sio2，已有研究发现，在h2o2溶液中，由于pt表面发生催化分解反应，氧分子可以凝聚成核形成气泡，依靠微气泡提供动力的气泡驱动。得益于气泡溃灭时的高能量，气泡驱动型微马达具有较强的运动能力，使其在高效水污染处理及医疗健康等领域展现了较强应用前景。janus颗粒的运动能力及其应用与其气泡动力学息息相关，然而由于janus颗粒的运动规律复杂，再加上janus颗粒通常具有微米尺度，侧向拍摄上对相机角度、光源位置及液面平整程度的要求较高，以至于相关研究甚少。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明提供一种基于玻璃纤维探针的气泡驱动力测量方法，从而得到janus颗粒在不同液体深度下驱动力的变化规律，同时还能得到气泡随距液面深度的生长及演化规律。
4.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
5.一种基于玻璃纤维探针的气泡驱动力测量方法，包括如下步骤：
6.步骤1、通过毛细拉丝仪分别将实心玻璃毛细管和空心玻璃毛细管拉制到预定的尖端尺寸，形成玻璃纤维探针和空心负压管；
7.步骤2、使用步进电机控制空心负压管移动至janus颗粒一侧，并结合负压泵实现对janus颗粒的抓取；
8.步骤3、通过两台步进电机将空心玻璃毛细管吸附的janus颗粒与玻璃纤维探针靠近，通过紫外胶使janus颗粒粘附在玻璃纤维探针的尖端；
9.步骤4、将粘附有janus颗粒的玻璃纤维探针在步进电机的夹持下放入一定浓度的双氧水中，并通过高速相机进行侧面的拍摄，并记录janus颗粒的位移信息；
10.步骤5、利用步骤4中的位移信息，通过对时间进行一阶导求出janus颗粒的速度-时间关系，再对其求导得出janus颗粒的加速度-时间关系，通过郎之万方程求出气泡对janus颗粒的驱动力：其中x、分别为janus颗粒的位移、速度及加速度，k为玻璃纤维探针的尖端的弹性系数，ξ为janus颗粒与双氧水的阻尼系数，m为janus颗粒的质量。
11.进一步地，所述步骤3包括：使用步进电机控制空心负压管将janus颗粒通过紫外胶粘附于玻璃纤维探针的尖端，并在距离janus颗粒一定距离处通过加热装置加热使其弯曲90度。
12.进一步地，所述步骤4包括：通过步进电机控制janus颗粒在双氧水中距离液面的距离。
13.进一步地，所述步骤4中，拍摄时在高速相机对侧布置一个光源。
14.进一步地，通过附加不同质量液滴的方法校准玻璃纤维探针的弹性系数，即通过附加不同质量的液滴，用高速相机记录玻璃纤维探针的变形，绘制成力-形变曲线，计算出斜率作为弹性系数。
15.有益效果：
16.本发明通过将玻璃纤维探针与janus颗粒粘合，利用步进电机可以改变janus颗粒距离液面的距离，并通过高速相机进行实时观测，可以得到janus颗粒在不同液体深度下驱动力的变化规律，同时还能得到气泡随距液面深度的生长及演化规律。
附图说明
17.图1为抓取janus颗粒示意图；
18.图2为玻璃纤维探针制作中的janus颗粒粘附示意图；
19.图3a为纤维探针制作中的加热弯曲示意图一；
20.图3b为纤维探针制作中的加热弯曲示意图二；
21.图4为玻璃纤维探针技术实验测量示意图；
22.图5为拍摄角度示意图；
23.图6为玻璃纤维探针实物图；
24.图7为玻璃纤维探针技术实验实拍图。
25.其中：janus颗粒1，紫外胶2，玻璃纤维探针3，加热装置4，双氧水5，步进电机6，高速相机7，紫外光8，空心负压管9，负压泵10，玻璃片11，光源12，气泡13。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
27.本发明的一种基于玻璃纤维探针的气泡驱动力测量方法具体包括如下步骤：
28.步骤1、通过毛细拉丝仪分别将实心玻璃毛细管和空心玻璃毛细管拉制到预定的尖端尺寸，形成玻璃纤维探针和空心负压管；
29.步骤2、janus颗粒1放置于玻璃片11上，使用步进电机6控制空心负压管9移动至janus颗粒1一侧，通过负压泵10提供负压以实现对janus颗粒1的吸附抓取；
30.步骤3、通过两台步进电机6将空心负压管9吸附的janus颗粒1向玻璃纤维探针3靠近，通过紫外光8固化玻璃纤维探针的尖端的紫外胶2使janus颗粒1粘附；
31.步骤4、将粘附有janus颗粒1的玻璃纤维探针在步进电机6的夹持下放入一定浓度的双氧水5中，janus颗粒1会生成气泡13，气泡13会推动janus颗粒1并导致玻璃纤维探针3尖端产生变形，通过高速相机7进行侧面拍摄，并记录janus颗粒1的位移信息，拍摄时须在高速相机7对侧布置一个光源12。
32.步骤5、利用上述记录的位移信息，通过对时间进行一阶导求出janus颗粒1的速度-时间关系，再对其求导得出janus颗粒1的加速度-时间关系，通过郎之万方程可求出气泡对颗粒的驱动力：其中x、分别为janus颗粒1的位移、速度及加速度，k为玻璃纤维探针3尖端的弹性系数，ξ为janus颗粒1与双氧水5的阻尼系数，m为janus颗粒1的质量。
33.具体地，首先通过毛细拉丝仪分别将实心玻璃毛细管和空心玻璃毛细管拉制到预定的尖端尺寸，以制成预定的弹性系数k的玻璃纤维探针3及预定尖端尺寸的空心负压管9。
34.如图1所示，janus颗粒1放置于玻璃片11上，使用步进电机6控制空心负压管9移动至janus颗粒1一侧，通过负压泵10提供负压以实现对janus颗粒1的吸附抓取。
35.如图2所示，使用步进电机6控制空心负压管9将janus颗粒1通过紫外胶2粘附于玻璃纤维探针3的尖端，如图6所示，并在距离janus颗粒1一定距离处通过加热装置4加热使其弯曲90度，如图3a、图3b所示。至此，玻璃纤维探针3与janus颗粒1组装完毕。
36.如图4所示，测量时，需要将玻璃纤维探针3的前端浸入一定浓度的双氧水5中，以使janus颗粒1催化产生气泡13，通过步进电机6，可以控制janus颗粒1在双氧水5中距离液面的距离，以观察janus颗粒1在距离液面不同高度时的位移信息及气泡13的生长演化规律。
37.以上信息通过高速相机7记录，图5所示的位置为图4所示视角的垂直方向，即虚线所示位置为图4视角，拍摄时须在高速相机7对侧布置一个光源12，图7所示为图4视角的实拍图。通过高速相机7可以记录janus颗粒1的位置-时间信息，利用位移信息，通过对时间进行一阶导可得到janus颗粒1的速度-时间关系，再对其求导得到janus颗粒1的加速度-时间关系，通过郎之万方程可知，气泡对颗粒的驱动力由三部分组成，分别为弹性力、粘性力及惯性力，其中弹性力：f
弹
＝kx、粘性力：及惯性力及惯性力则合力为：其中x、分别为janus颗粒1的位移、速度及加速度，k为玻璃纤维探针3尖端的弹性系数，ξ为janus颗粒1与双氧水5的阻尼系数，m为janus颗粒1的质量。
38.该方法还可以通过制作不同粗细的玻璃纤维探针3来获得不同的弹性系数k，以适用于测量不同的物体驱动力。
39.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于玻璃纤维探针的气泡驱动力测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、通过毛细拉丝仪分别将实心玻璃毛细管和空心玻璃毛细管拉制到预定的尖端尺寸，形成玻璃纤维探针和空心负压管；步骤2、使用步进电机控制空心负压管移动至janus颗粒一侧，并结合负压泵实现对janus颗粒的抓取；步骤3、通过两台步进电机将空心玻璃毛细管吸附的janus颗粒与玻璃纤维探针靠近，通过紫外胶使janus颗粒粘附在玻璃纤维探针的尖端；步骤4、将粘附有janus颗粒的玻璃纤维探针在步进电机的夹持下放入一定浓度的双氧水中，并通过高速相机进行侧面的拍摄，并记录janus颗粒的位移信息；步骤5、利用步骤4中的位移信息，通过对时间进行一阶导求出janus颗粒的速度-时间关系，再对其求导得出janus颗粒的加速度-时间关系，通过郎之万方程求出气泡对janus颗粒的驱动力：其中x、分别为janus颗粒的位移、速度及加速度，k为玻璃纤维探针的尖端的弹性系数，ξ为janus颗粒与双氧水的阻尼系数，m为janus颗粒的质量。2.根据权利要求1所述的一种基于玻璃纤维探针的气泡驱动力测量方法，其特征在于，所述步骤3包括：使用步进电机控制空心负压管将janus颗粒通过紫外胶粘附于玻璃纤维探针的尖端，并在距离janus颗粒一定距离处通过加热装置加热使其弯曲90度。3.根据权利要求2所述的一种基于玻璃纤维探针的气泡驱动力测量方法，其特征在于，所述步骤4包括：通过步进电机控制janus颗粒在双氧水中距离液面的距离。4.根据权利要求3所述的一种基于玻璃纤维探针的气泡驱动力测量方法，其特征在于，所述步骤4中，拍摄时在高速相机对侧布置一个光源。5.根据权利要求1所述的一种基于玻璃纤维探针的气泡驱动力测量方法，其特征在于，通过附加不同质量液滴的方法校准玻璃纤维探针的弹性系数，即通过附加不同质量的液滴，用高速相机记录玻璃纤维探针的变形，绘制成力-形变曲线，计算出斜率作为弹性系数。

技术总结
本发明提供一种基于玻璃纤维探针的气泡驱动力测量方法，通过毛细拉丝仪分别将实心玻璃毛细管和空心玻璃毛细管拉制到预定的尖端尺寸，称为玻璃纤维探针和空心负压管；使用步进电机控制空心负压管移动至Janus颗粒一侧，并结合负压泵实现对Janus颗粒的抓取；通过两台步进电机将空心玻璃毛细管吸附的Janus颗粒与玻璃纤维探针靠近，通过紫外胶使Janus颗粒粘附在玻璃纤维探针尖端；将粘附有Janus颗粒的玻璃纤维探针在步进电机的夹持下放入一定浓度的双氧水中，并通过高速相机进行侧面的拍摄。本发明能够得到Janus颗粒在不同液体深度下驱动力的变化规律，同时还能得到气泡随距液面深度的生长及演化规律。面深度的生长及演化规律。面深度的生长及演化规律。


技术研发人员：关东石 李航宇 王雷磊 郑旭
受保护的技术使用者：中国科学院力学研究所
技术研发日：2023.03.03
技术公布日：2023/7/12