Demystifikacja kąta kontaktu wody: mała kropla, wielki świat

W naszym codziennym życiu często obserwujemy takie sceny: krople rosy na liściach lotosu są krystalicznie czyste, jak rolujące się perły, podczas gdy krople wody rozprzestrzeniają się w formie folii na powierzchni szkła.Za tym leży kluczowa koncepcja w nauce powierzchni - kąt kontaktu wody (WCA).Jest to nie tylko intuicyjna manifestacja interakcji między powierzchnią cieczy a powierzchnią stałą, ale także podstawowa metryka do pomiaru wilgotności powierzchni materiału.

Jaki jest kąt kontaktu wody?

Kąt kontaktu wody, jak sama nazwa wskazuje, jest kątem w punkcie, w którym kropla płynu (zwykle wody), gazu i stałego przecinają się na płaskiej, jednorodnej powierzchni stałej.Jest to kąt między linią dotykową interfejsu ciekły-gaz i interfejsu stały-płynny, zwykle oznaczana grecką literą θ.

Ten prosty kąt określa, czy materiał jest "hydrofiliczny" czy "hydrofobiczny":

θ < 90° powierzchnia wodoszczelna. Krople wody mają tendencję do rozprzestrzeniania się, co wskazuje na dobrą wilgotność z powierzchnią stałą. Przykłady: szkło, czyste powierzchnie metalowe, tkanina bawełniana.

Ekstremalnie wodolubne: θ zbliża się do 0°, kropla prawie całkowicie spłaszcza się, tworząc cienką warstwę wody.

θ > 90°: powierzchnia hydrofobowa**. Krople wody mają tendencję do utrzymania kulistego kształtu i łatwo się odwracają.

Ekstremalnie wodobójcze: θ > 150°, często określane jako powierzchnia superhydrofobowa.i zbierają brud z powierzchni. To słynny "efekt lotowy".. "

θ = 180°: teoretyczny stan doskonałej niewilgowania, który prawie nigdy nie istnieje w rzeczywistości.

Dlaczego kąt kontaktu jest tak ważny?

Kąt styku jest czymś więcej niż teoretyczną koncepcją; odgrywa on istotną rolę w badaniach naukowych i zastosowaniach przemysłowych.

1Powierzchnia czysta i przeciwprzebarwienia: powierzchnie superhydrofobowe (wysoki kąt kontaktu) są samooczyszczające.Zasada ta stosuje się do powłok zewnętrznych budynków, szkło i okna samochodowe, tekstylia i odzież zewnętrzna.

2Przemysł powłoki i druku: w procesach drukowania, opryskiwania i farbowania tusze lub powłoki muszą dobrze zmoczyć podłoże (niskim kątem kontaktu), aby zapewnić jednolitość powłoki i przyczepność.Pomiar kąta kontaktu pomaga zoptymalizować te procesy.

3Mikrofluidyka i biochipsy: W kanałach mikro-chipów przepływem płynu dominuje wyłącznie napięcie powierzchniowe.Dokładne sterowanie kątem kontaktu (hydrofiliczny lub hydrofobowy) w różnych regionachNaukowcy mogą manipulować kierunkiem płynu, mieszaniem i oddzieleniem, jak projektowanie obwodów elektrycznych.

4. Materiały medyczne i biomateriały: Wypłynność powierzchni wyrobów medycznych wszczepionych w ludzkim ciele (np. sztucznych stawów, stentów sercowo-naczyniowych) jest kluczowa.Powierzchnie hydrofilowe często sprzyjają przyczepieniu się komórek i wzrostowi tkanek, podczas gdy niektóre powierzchnie hydrofobowe mogą być odporne na adsorpcję białek i krzepnięcie krwi.

5. Nowa energia i półprzewodniki: w ogniwach paliwowych kąt kontaktu na powierzchni elektrody wpływa na efektywność gospodarowania wodą.Włuszczalność fotorezystora na płytce krzemowej bezpośrednio wpływa na precyzję wzoru.

W jaki sposób mierzy się kąt kontaktu?

Najczęstszą i klasyczną metodą pomiaru jest metoda sesyjnej kropli.

1Precyzyjną mikrospryżkę stosuje się do wytworzenia na powierzchni próbki maleńkiej, stabilnej kropelki (zwykle 2-5 mikrolitrów).

2Goniometr kąta kontaktu, wyposażony w kamerę o wysokiej rozdzielczości i źródło światła, wykonuje boczny obraz kropli.

3Oprogramowanie analizuje obraz, automatycznie dopasowuje dotykową do potrójnego punktu stały - ciekły - gazowy i oblicza wartość kąta.

W celu uzyskania dokładniejszych i bardziej kompleksowych informacji czasami mierzy się kąt przesuwania i kąt cofania.który jest ściśle związany z grubością powierzchni i heterogennością chemiczną.

Poza wodą: szersze zastosowania

W zależności od zastosowania, różne płyny (np. oleje, krew,Elektrolity) można wykorzystać do oceny wilgotności powierzchni do określonych płynówJest to równie ważne dla takich dziedzin jak smary, kosmetyki i przemysł spożywczy.

Wniosek

Mała kropla wody, spoczywająca na powierzchni materiału, staje się dla nas oknem do wglądu w właściwości powierzchni.łączy badania podstawowe i najnowocześniejsze technologieOd cudownego "efektu lotosu" w przyrodzie po zaawansowane technologicznie nanoczipy, jego wartość jest wszechobecna.Przypomina nam, że wiele wielkich odkryć naukowych zaczyna się od uważnej obserwacji i głębokiego przemyślenia zwykłych zjawisk wokół nas..