Фізики навчилися правильно вимірювати кути змочування

Фізики розробили схему надійного вимірювання крайових кутів при змочуванні водою поверхонь з різним типом мікрорельєфу і ступенем гідрофобності. Виявилося, що найкраще для точного визначення кутів змочування використовувати сидячу краплю, обсяг якої спочатку повільно збільшується, а потім зменшується назад. При цьому, якщо правильно проводити експеримент, то час одного повного виміру складе до 2 годин, пишуть вчені в.

Один з основних параметрів, що характеризують змочування поверхонь рідиною - це крайовий кут, тобто кут, який утворюється на стику твердої, рідкої та газової фаз між твердою поверхнею і дотичною до поверхні рідини. Для ідеальної (гладкої і хімічно однорідної) поверхні цей кут визначається співвідношенням Юнга, що зв'язує поверхневі енергії на трьох міжфазних кордонах (рідина-тверде, рідина-газ і тверде-газ). У разі змочування поверхонь водою, якщо цей кут менше 90 градусів, то поверхню називають гідрофільною, якщо більше - гідрофобною.

Здавалося б, вимір цього кута - досить проста процедура: потрібно просто помістити на поверхню краплю рідини, сфотографувати її і виміряти кут між двома променями на фотографії. Однак для реальних поверхонь це завдання виявляється не таким простим, як здається на перший погляд. По-перше, через неоднорідність рельєфу і хімічного складу поверхні цей кут для кожної поверхні може приймати не єдине значення, а безліч значень у певному діапазоні. Це явище називає гістерезисом крайового кута, а мінімальний і максимальний крайові кути в цьому діапазоні - відповідно, кутами відтікання (receding an^) і натікання (advancing an^). По-друге, всередині цього діапазону між максимальним і мінімальним значеннями можливе існування декількох додаткових метастабільних станів. Вибрати з них потрібне, відповідне глобальному мінімуму енергії зазвичай буває дуже непросто, що призводить до систематичних помилок, як при вимірюванні крайового кута в найбільш стійкому стані, так і при визначенні кутів натікання і відтікання.

Фізики з Фінляндії та Китаю під керівництвом Робіна Раса (Robin H. A. Ras) з Університету Аалто проаналізували всі відомі способи визначення крайових кутів і розробили загальну схему проведення найбільш надійних вимірювань. Найточнішим способом виявився метод сидячої краплі, при якому крапля поміщається на досліджувану поверхню. Всередину краплі при цьому поміщається голка шприцевого насоса, через яку можна закачувати і відкачувати рідину. Після цього обсяг краплі спочатку повільно збільшують, а потім - зменшують назад. Такий цикл повторюється багаторазово і контролюючи всі стадії процесу і вимірюючи динаміку зміни крайового кута, можна отримати необхідні значення.

Цей метод виявився більш надійним порівняно з іншими популярними способами вимірювання гістерезису крайового кута - наприклад, поступовим нахилом поверхні до того моменту, як крапля почне з неї зісковзувати, або витягуванням платівки з об'єму рідини.

У результаті вчені знайшли оптимальну швидкість збільшення обсягу (від 0,05 до 2 мікролітрів на секунду залежно від стадії процесу), а також визначили найбільш відповідний обсяг краплі, який дозволяє точно виміряти кути відтікання і натікання на різних поверхнях. Виявилося, що для різних співвідношень вимірюваних кутів цей об'єм може змінюватися майже на порядок - від 20 до 150 мікролітрів.

Крім того, вчені сформулювали рекомендації для налаштувань параметрів зйомки: збільшення, контрастності зображення і швидкості запису, - а також описали можливі проблеми, які можуть виникати при вимірюванні крайових кутів на різних типах поверхні і запропонували способи їх вирішення.

Повний вимір параметрів змочування за запропонованою схемою складе від однієї до двох годин, а одноразове визначення кутів відтікання і натікання - близько 15 хвилин. Вчені відзначають, що поки запропонований метод був відпрацьований тільки для змочування однорідних поверхонь водою, проте він може використовуватися і для інших рідин.

Варто зазначити, що через неоднорідності досліджуваних поверхонь часто і значення крайових кутів розподілені по них дуже нерівномірно. Щоб визначити, як параметри, що визначають змочування поверхонь розподілені по поверхні, фізики розробили спеціальний мікроскоп, чутливим зондом якого служить крапля рідини.