仿水黾腿结构液下接触角的测量方法

摘要

本发明公开了一种仿水黾腿结构液下接触角的测量方法，借助磁共振成像技术对仿水黾腿结构在液体中的接触角进行测量，可实现对仿水黾腿结构在液体表面所形成的液涡的任意横断面进行原位成像，从而得到相应位置的界面形变信息。通过对磁共振图像进行分析处理并对界面曲线进行拟合测量，最终得到仿水黾腿结构在水中的接触角数值。本发明将为仿水黾腿结构水下接触角的测量提供新的方法，为水上负载各参数的精确计算提供依据，同时也为揭示水上负载与接触角之间的相互关系奠定了基础。

说明书

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及仿水黾腿结构液下接触角的测量方法。

背景技术

水上负载是船舶、航海等领域的重要研究课题。近年来，受水黾非凡水上行走能力的启发，各种仿水黾模型已经相继建立起来以提高水上载重。研究表明，水黾出色的水上行走能力与其腿部的超疏水特性密不可分。经测量，水滴在水黾水黾腿部的接触角可达到167.6                                                  4.4 °，水黾腿显示出良好的超疏水特性。正是由于这种超疏水性能的作用，水黾在自身重力作用下不会刺破水面，而是在水面形成水涡，由此产生数值可观的托举力，支撑着水黾在水面的自如活动。因此，制备仿水黾腿结构，使其具有类似于水黾腿的超疏水性能，为提高水上载重能力提供了一条有效途径。同时，如何有效得到仿水黾腿结构在水中的接触角数值，从而了解仿水黾腿结构在水下浸润状态，为揭示接触角与水上承重之间的相互作用规律提供理论依据，也成为了该领域的重要研究内容。

目前对于仿水黾腿结构水下接触角的研究主要通过光学成像的方式来进行。其主要运作方式为：首先将液体置入方形的透明容器中，然后将所研究的固体材料（如仿水黾腿结构）与液面进行接触。采用光学透射成像技术对所形成的固-液及气-液界面进行成像，随后对界面曲线进行拟合，经测量得到气-液界面与固-液界面之间所形成的夹角。这种方法虽然具有简便易行的特点，但所形成的界面图像会因镜头景深及聚焦位置的不同而产生差异，使得界面位置不容易确定；同时，更主要的是，由于受到光学成像原理的限制，这种方法不能对材料任意横截面上的液体浸润情况进行原位成像，因而不利于界面分析的准确进行。

发明内容

本发明的目的在于提出一种测量仿水黾腿结构在浸入液体中时形成的接触角的新方法，用以满足常规光学条件难以达到的液下接触角的精确测量。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

仿水黾腿结构液下接触角的测量方法，借助核磁共振成像技术对仿水黾腿结构浸入液体后形成的液涡横断面进行成像，然后对图像进行分析，确定固液及气液界面所在位置并得到相应的界面曲线，在此基础上对界面曲线进行分析拟合及测量，最终得到仿水黾腿结构液下接触角数值。

优选的，在上述的仿水黾腿结构液下接触角的测量方法中，所述的测量方法包括步骤：

S1、对仿水黾腿结构进行制备、清洗和干燥；

S2、将仿水黾腿结构与液面进行接触并缓缓下压，直至仿水黾腿结构在液体表面形成最大的液涡而不刺破液面；

S3、将步骤s2形成的固液体系样品放置于核磁共振成像仪的样品腔内；

S4、在垂直于水黾腿水平结构的断面上对液体进行磁共振成像，得到磁共振图像；

S5、对得到的图像进行亮度及对比度调节，确定固液及气液界面曲线位置及形状；

S6、对界面曲线进行分析拟合，并通过测量或计算，得到仿水黾腿结构液下接触角数值。

优选的，在上述的仿水黾腿结构液下接触角的测量方法中，所述仿水黾腿结构的材质为非金属。

优选的，在上述的仿水黾腿结构液下接触角的测量方法中，所述仿水黾腿结构的材质为玻璃、非磁性无机材料或高分子聚合物。

优选的，在上述的仿水黾腿结构液下接触角的测量方法中，所述液体为任何原子核自旋量子数为1/2的液体。

优选的，在上述的仿水黾腿结构液下接触角的测量方法中，所述步骤s6中，拟合方式选自多项式拟合、圆形拟合或椭圆拟合。

优选的，在上述的仿水黾腿结构液下接触角的测量方法中，所述步骤s6中，所述接触角数值的测量或计算采用量高法或量角法。

优选的，在上述的仿水黾腿结构液下接触角的测量方法中，所述步骤s1中，所述仿水黾腿结构的材质为玻璃，依次采用丙酮、乙醇和二次去离子水对仿水黾腿结构进行清洗。

优选的，在上述的仿水黾腿结构液下接触角的测量方法中，所述仿水黾腿结构吹干后，还包括采用氟硅烷对其表面进行修饰。

优选的，在上述的仿水黾腿结构液下接触角的测量方法中，所述液体为十二烷或0.5%的硫酸铜水溶液。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）可针对任何材质为非金属的材料进行液体中接触角的测量； 

2）可对任何原子核自旋量子数等于1/2的液体进行成像；

3）对实验体系的光学透明性无要求；

4）可采集得到材料任意横截面上液体的磁共振图像，从而实现任何位置上液体接触角的测量； 

5）可对断面形状不规则的材料进行液下接触角测量。 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明第一实施例中仿水黾腿结构与液面接触时的示意图；

图2所示为本发明第一实施例中磁共振成像选层方向示意图；

图3所示为本发明第一实施例中界面拟合及接触角测量的示意图，其中左图所示为固液体系断面形状，右图所示为基于断面图所作的界面曲线拟合；

图4所示为本发明第一实施例中磁共振图像及接触角测量的示意图，其中，左图为水断面的磁共振图像，右图所示为左图中所选区域的放大图。

具体实施方式

本发明通过借助磁共振成像技术，对仿水黾腿结构浸入液体后所形成的液涡断面进行成像，经过选择合适的射频脉冲，对成像方向（液涡断面方向）、成像层厚（最小层厚至全层）以及图像参数进行优化设置，得到仿水黾腿结构横截面上的液涡断面图。经过对断面图进行处理，确定固-液及气-液界面所在位置，并对界面曲线进行分析。通过对界面曲线进行拟合，测量气液界面曲线过三相接触点的切线与固-液界面曲线所形成的夹角，最终得到液下接触角数值。

本发明通过下列实施例作进一步说明：根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

以下将以上海纽迈电子科技有限公司生产的NMI-20 Analyst及MicroMR20磁共振成像仪为例，对本发明的具体实施方式进行展开说明。需要指出的是，本发明提出的方法适合在任何规格及型号的磁共振成像仪上操作，下面所述实施例只用于举例说明，并非限制本发明。

实施例1 

1. 取直径为0.5 mm 的玻璃棒（或封口的毛细管），将其仿照水黾腿在水中的形态进行加工，根据设备要求，控制其水平部分的长度小于15 mm；

2. 依次采用丙酮、乙醇及二次去离子水对该玻璃结构进行浸泡清洗，随后取出用氮气吹干；

3. 取二次去离子水注入洁净的15 mm核磁管中，根据设备要求，控制液面高度使其保持在2 cm以下；

4. 将玻璃结构缓缓浸入水中，逐步调节浸入深度，使其浸入水中但不刺破水面，在水面形成水涡，参图1所示，仿水黾腿结构置于液体中；

5. 将上述固液体系放入磁共振成像仪中，调整样品方向，使得玻璃结构的水平部分与磁场方向（z轴）垂直；

6.以x轴方向为选层方向，采用多层自旋回波序列对液体进行成像。磁共振成像参数如下：磁场强度：0.5 T; 中心频率：23 MHz；重复时间（TR）：1028.6 ms；回波时间（TE）: 10.6 ms；

参图2所示，图中x轴方向为选层方向，y轴及z轴分别为相位方向和频率方向，磁场方向与z轴同向，易于想到的是，选层方向也可以选择z轴方向；

7. 采样结束后，调整图像亮度及对比度，得到界面曲线的清晰图像；

8. 借助接触角测量软件SCA20（Dataphysics, Germany）对气-液界面及固-液相界面进行圆形拟合，并在三相接触点处对所形成的固液接触角进行测量，得到该玻璃结构在水下的接触角为45.3 ± 5.6°。

参图3所示，接触角θ的测量通过在气液固三相接触点处作气液界面曲线的切线，并测量该切线与固液界面曲线之间的夹角来实现。如图中所示，本发明实施例中对固液界面及气液界面曲线均采用圆形拟合。

参图4所示，气液界面及固液界面断面形状可从磁共振图像中明显看出，经过对各界面曲线进行拟合测量便可得到接触角θ的数值。

 实施例2 

1. 玻璃结构制作及清洗、吹干过程同实施例1；

2. 将玻璃结构吹干后，采用氟硅烷对其进行表面修饰，使得表面疏水性增强；

3. 将疏水性结构浸入水中，对水涡断面进行磁共振成像。磁共振成像参数设置及图像处理过程同实施例1；

4. 通过接触角测量软件SCA20（Dataphysics, Germany）对气-液界面及固-液相界面进行圆形拟合，测得该疏水结构在水下的接触角为109.8 ± 6.5°。

 实施例3

1. 玻璃结构制作及清洗、吹干过程同实施例1；

2. 将玻璃结构浸入十二烷中，对形成的十二烷断面进行成像。成像参数：磁场强度：0.5 T; 中心频率：23 MHz；TR：828.6 ms；TE: 10.6 ms；

3. 对所成图像进行亮度及对比度调节，确定固液界面及气液界面位置；借助接触角测量软件SCA20（Dataphysics, Germany）对气-液界面及固-液相界面曲线进行圆形拟合，测得该结构在十二烷下的接触角为29.9 ± 6.0°。

 实施例4 

1. 玻璃结构制作及清洗、吹干过程同实施例1；

2. 将玻璃结构浸入浓度为0.5 %的硫酸铜水溶液中，对形成的水溶液断面进行成像。成像参数为：磁场强度：0.5 T; 中心频率：23 MHz；TR：128.6 ms；TE: 10.6 ms；

3. 对所成图像进行亮度及对比度调节，确定固液界面及气液界面位置；借助接触角测量软件SCA20（Dataphysics, Germany）对气-液界面及固-液相界面曲线进行圆形拟合，测得该结构在硫酸铜水溶液下的接触角为47.1 ± 5.7°。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。