Wpływ objętości kropli na kąt zwilżania

 

Dla większości z mierzących kąty zwilżania, pojawia się pytanie, jaką objętość kropli powinienem użyć. Zazwyczaj rozmiar kropli używany w pomiarach kąta zwilżania wynosi od 1 do 10 mikrolitrów. Istnieją jednak sytuacje, w których potrzebne są mniejsze lub czasami większe objętości kropli. Mniejsze objętości kropli są używane, gdy obszar pomiaru jest tak mały, że krople mikrolitrowe nie zmieściłyby się w nim. Większe krople są czasami potrzebne, gdy dynamiczne kąty zwilżania są mierzone przez przechylanie próbki. Ale czy rozmiar kropli wpływa na wartości kąta zwilżania?

 

Typowe objętości kropli używane do pomiaru kąta zwilżania

Typowy rozmiar kropli do pomiarów kąta zwilżania wynosi od 1 do 10 μl. Jednak w ostatnich latach wzrosło zainteresowanie kroplami pikolitrowymi ze względu na potrzebę pomiaru małych obszarów mikrowzorzystych lub innych małych obiektów. Średnica podstawy kropli mikrolitrowych jest zwykle większa niż 1 mm, podczas gdy w przypadku kropli pikolitrowych średnica podstawy może wynosić zaledwie 100 mikrometrów. Jednocześnie, gdy dynamiczne kąty zwilzania są mierzone metodą przechylania, typowy jest rozmiar kropli 10 ul. Duże objętości kropli są potrzebne zwłaszcza w przypadku powierzchni o dużej histerezie kąta zwilżania, ponieważ małe krople mogą się nie poruszać, nawet jeśli zostanie wykonane przechylenie do 90 stopni.

 

Wpływ wielkości kropli w zakresie mikrolitrów

Wpływ wielkości kropli w zakresie mikrolitrów był szeroko badany. Drelich [1] dokonał przeglądu tych badań i doszedł do wniosku, że objętość kropli nie ma znaczącego wpływu na kąt zwilżania w przypadku powierzchni zbliżonych do idealnych, takich jak czyste płytki kwarcowe. Idealną powierzchnię uważa się za gładką, sztywną, chemicznie jednorodną, ​​nierozpuszczalną i niereaktywną. Jednak im większa jest histereza kąta zwilżania, tym większy wpływ objętości kropli na kąt zwilżania. Różnica między podłożem, a idealnymi powierzchniami, taka jak niejednorodność chemiczna i chropowatość powierzchni, powoduje histerezę kąta zwilżania. Histerezę kąta zwilżania można określić ilościowo za pomocą dynamicznego pomiaru kąta zwilżania, w którym zdefiniowano kąty natarcia (największy) i odchylenia (najmniejszy). Wykazano, że kąt natarcia jest mniej zależny od objętości kropli niż kąt odchylenia, którego średnica podstawy jest mniejsza niż 5 mm [2].

 

Dyskusja na temat wpływu wielkości kropli na kąt zwilżania została rozszerzona o porównanie kropel mikrolitrowych z kroplami pikolitrowymi. Wpływ grawitacji na kroplę i szybkość zmniejszania się wielkości kropli w wyniku parowania to dwie główne różnice między kroplami pikolitrowymi i mikrolitrowymi [3].

 

Berson i in. [4] wykazali, że wartość kąta zwilżania ma znaczący wpływ na zachowanie parowania kropel wody o wielkości pikolitrowej. Wykazano, że masa kropli zmniejsza się liniowo, gdy początkowy kąt zwilżania jest mały, podczas gdy spadek nie jest liniowy przy większych kątach zwilżania. Niektóre badania wykazały już porównanie kropel pikolitrowych i mikrolitrowych: Taylor i in. [3] wykazali, że objętość kropel wody pikolitrowych była porównywalna z objętością kropel wody mikrolitrowych uzyskaną na grupie powszechnie stosowanych gładkich powierzchni polimerowych. Badali zachowanie kąta zwilżania w funkcji czasu przy użyciu szybkoobrazowej kamery . W przypadku kropel mikrolitrowych kąty zwilżania były stabilne w czasie, z wyłączeniem ruchomej powierzchni polimeru hydrożelowego, z którą woda reagowała chemicznie. W przypadku kropel pikolitrowych kąt zwilżania zmniejszał się w czasie w dwóch etapach; szybkie parowanie i rozprzestrzenianie się w ciągu pierwszych 0,5 s, a następnie wolniejszy etap, aż do osiągnięcia wartości ustępującej. Tak więc krzywa kąta zwilżania w funkcji czasu wskazuje również na histerezę podłoża z kroplami pikolitrowymi. Początkowa wartość kąta zwilżania kropel pikolitrowych dobrze korelowała z wartościami kąta zwilżania kropel mikrolitrowych i była również bliska wartościom literaturowym.

 

Taylor i in. [3] wykazali również, że w przypadku większych kropel i większego wpływu grawitacji model dopasowania profilu kropli należy dobrać ostrożnie. W przypadku kropelek pikolitrowych można stosować zarówno dopasowanie Younga-Laplace'a, jak i dopasowanie kołowe, ponieważ energia swobodna układu w stanie równowagi jest minimalizowana dla kształtu kulistego [3]. W przypadku większych kropelek (>1ul) dopasowanie kołowe stało się niedokładne, a model Younga-Laplace'a wykazał stałą wartość jako funkcję objętości kropli.

 

Yang i in. [5] porównali kąty zwilżania kropelek wody piko- i mikrolitrowych na rowkowanych powierzchniach polimetakrylanu metylu (PMMA) pokrytych polimerami plazmowymi jako pierwsze badanie mające na celu zbadanie anizotropowego zachowania zwilżania kropelek pikolitrowych. Stwierdzili znaczące różnice w kątach zwilżania wody przy zmianie kąta zwilżania z mikrolitrów na pikolitry, a zatem podkreślili znaczenie pokazywania wielkości kropli obok wyników kąta zwilżania.

 

Zgodnie z poprzednimi badaniami wykazano, że objętość kropli zmieniająca się w skali od mikrolitrów do pikolitrów ma znaczący wpływ na zachowanie zwilżania i suszenia kropelek wody na nieporowatych podłożach. Niejednorodność chemiczna i topograficzna podkreśla znaczenie objętości kropli na wyniki kąta zwilżania.

 

[1] J. Drelich, „Wpływ wielkości kropli (pęcherzyka) na kąt zwilżania na powierzchniach stałych”, J. Adhesion, 63, 31 (1997). [2] A. Marmur, „Miękki kontakt: pomiar i interpretacja kątów kontaktu”, Soft Matter 2 (2006), 12-17.

[3] M. Taylor, A.J. Urguhart, M. Zelzer, M.C. Davies i M.R. Alexander, „Pomiar kąta kontaktu kropli wody pikolitrowej na polimerach”, Langmuir 23,6875 (2007).

[4] A. Berson, E.L. Talbot, P.S. Brown i C.D. Bain, Eksperymentalne badanie wpływu, rozprzestrzeniania się i suszenia kropelek pikolitrowych na podłoża o szerokim zakresie zwilżalności, NIP27, 27. Międzynarodowa Konferencja na temat technologii druku cyfrowego, Minneapolis, USA, 2–6 października 2011 r.

[5] J. Yang, F.R.A.J.Rose, N. Gadegaard i M.R. Alexander, „Wpływ objętości kropli siedzącej na anizotropię zwilżania obserwowaną na powierzchniach rowkowanych”, Langmuir 25, 2567 (2009).

na podstawie tekstu Susanny Laurén