В

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 19389 (2022) Цитировать эту статью

1042 доступа

Подробности о метриках

Статические измерения угла контакта — один из самых популярных методов анализа смачивания материалов любого типа. Хотя этот метод легко применим и не требует сложного оборудования, результаты, полученные для одного и того же материала, могут сильно различаться. Чувствительность измерения к условиям окружающей среды, подготовке проб и проведению измерений является основным фактором противоречивых результатов. Поскольку зачастую наряду с опубликованными данными не существует подробных протоколов измерений, значения угла контакта, а также подробные исследования смачивания не позволяют проводить какое-либо сравнение. Поэтому целью данной статьи является обсуждение возможных влияний на статические измерения угла контакта и экспериментальная демонстрация степени этих эффектов. Подробно исследуются условия хранения образцов, процедуры очистки, объем капель, уровень воды и нанесение капель, а также влияние испарения на статический угол смачивания. Особенно хранение образцов приводило к различиям в угле смачивания до 60%. В зависимости от состояния смачивания испарение может уменьшить угол смачивания на 30–50% в течение 10 минут в сухой атмосфере. Поэтому в этой статье рассматривается существующий подход к климатической камере и на основе этих результатов представлена ​​новая измерительная установка. Он позволяет наблюдать за поведением смачивания в течение нескольких минут, успешно подавляя испарение без негативного воздействия на поверхность перед измерением в результате воздействия окружающей среды с высокой влажностью.

В настоящее время литературные исследования по «измерениям угла контакта» опубликованы более чем четырьмя миллионами публикаций. При этом измерения статического угла контакта (SCA) являются наиболее популярным методом анализа смачиваемости поверхности - твердых металлов1,2 или напыленных тонких пленок3, полимерных поверхностей4,5, графена6,7 или даже биологических образцов8. SCA могут варьироваться от гидрофильных (<90°) до гидрофобных с SCA выше 90°. Также при измерениях SCA можно наблюдать случаи экстремального смачивания, такие как супергидрофильность с сильным растеканием капель или супергидрофобность с SCA около 150°9. Их применение не ограничивается гладкими поверхностями, поскольку они также используются для анализа топографически измененных структур, где в последнее время особое внимание уделяется смачиваемости обработанных лазером поверхностей10,11,12,13. Здесь этот метод также позволяет анализировать анизотропное поведение смачивания, что особенно важно для поверхностей с направленным рисунком11,14. Для идеально гладких поверхностей SCA можно описать уравнением Юнга и рассматривать как термодинамический угол смачивания, достигаемый за счет минимизации энергии в трехфазной смачивающей системе, состоящей из жидкости, твердого тела и пара9,15. Реальные поверхности характеризуются шероховатостью либо полностью смоченной в состоянии смачивания Венцеля16, либо частичным смачиванием включениями воздуха между каплей и топографическими элементами (состояние Кэсси-Бакстера17), что приводит к химически неоднородной поверхности.

Уже в 1980-х годах исследователи знали о сильном разбросе краевых углов на металлических поверхностях, таких как медь, из-за загрязнения образца, чистящих средств и процедуры очистки18. Более поздние исследования могут доказать, что именно загрязнение углеводородами играет важную роль в смачивании твердых материалов19, поскольку их адсорбция может увеличить SCA на плоских образцах меди с 45° до 100°2. Чистящие средства могут влиять на состав этого слоя загрязнения, переносимого по воздуху, и тем самым изменять результаты SCA19. В 2015 году Лонг и др.20 показали, что адсорбционный слой также сильно зависит от условий хранения образца. По-видимому, различные исследования показали причины широкого разброса углов смачивания в литературе для одного и того же материала, и хорошо известны различные факторы, не зависящие от поверхности образца, такие как объем капли, температура или влажность21. Однако не существует фиксированных протоколов измерений, включающих все возможные воздействия, вызванные образцом или измерением, и фокусирующихся на зависимости между загрязнением образца и результирующим углом контакта, который, по-видимому, является ключевым фактором в любом анализе смачивания. Для динамического измерения углов смачивания отступающих и наступающих Хухтамяки и др.22, а также Дрелих23 предоставляют протокол этапов измерения путем постепенного увеличения, а затем уменьшения объема капель, включая указания на потенциальное влияние измерения. Они утверждают, что измерение SCA с использованием метода сидячей капли может отображать только метастабильные результаты, поскольку падение может находиться в любом локальном, а не глобальном минимуме. Но различные исследования показали, что динамические измерения угла контакта часто подвергаются возмущающим воздействиям на каплю, например, закреплению базовой линии или вибрациям, передаваемым от иглы к капле в установке с сидячей каплей24, не позволяющей капле достичь глобального термодинамического минимума. Часто собственные вибрации в лаборатории не позволяют углу контакта достичь теоретических значений25. Более того, отсутствует теоретическое понимание результирующего гистерезиса угла контакта24, в то время как существуют четко определенные модели для измерений SCA, основанные на уравнении Юнга для идеальных поверхностей и на моделях Венцеля и Кэсси-Бакстера для реальных поверхностей, изображающих шероховатость15,16. 17.