Xóa ra góc tiếp xúc của nước: Một giọt nhỏ, một thế giới rộng lớn

Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta thường quan sát những cảnh như thế này: giọt sương trên lá sen trong suốt như đá tinh thể, giống như ngọc trai lăn, trong khi giọt nước trải ra thành một lớp phim trên bề mặt thủy tinh.Đằng sau điều này là một khái niệm quan trọng trong khoa học bề mặt - góc tiếp xúc nước (WCA)Nó không chỉ là một biểu hiện trực quan của sự tương tác giữa một bề mặt lỏng và một bề mặt rắn mà còn là một thước đo cốt lõi để đo lường khả năng ướt của bề mặt vật liệu.

Góc tiếp xúc với nước là bao nhiêu?

Góc tiếp xúc nước, như tên gọi cho thấy, là góc ở điểm mà một giọt chất lỏng (thường là nước), khí và chất rắn giao nhau trên bề mặt rắn phẳng, đồng đều.Đó là góc giữa đường tiếp xúc của giao diện khí lỏng và giao diện chất rắn-lỏng, thường được biểu thị bằng chữ cái Hy Lạp θ.

Góc đơn giản này xác định liệu một vật liệu có "hydrophilic" hay "hydrophobic":

θ < 90° Bề mặt thích nước. Các giọt nước có xu hướng lan rộng, cho thấy khả năng ướt tốt với bề mặt rắn. Ví dụ: thủy tinh, bề mặt kim loại sạch, vải bông.

Rất thích nước: θ tiếp cận 0 °, giọt gần như hoàn toàn phẳng, tạo thành một màng nước mỏng.

θ > 90 °: bề mặt chống nước**. Các giọt nước có xu hướng giữ hình cầu và lăn ra dễ dàng. Ví dụ: lá sen, giấy sáp, lớp phủ áo mưa.

cực kỳ nhựa: θ > 150 °, thường được gọi là bề mặt siêu nhựa. giọt nước hình thành các hình cầu gần như hoàn hảo, lăn ra cực kỳ dễ dàng,và nhặt bụi bẩn từ bề mặt. Đây là "Hiệu ứng Lótus" nổi tiếng.. "

θ = 180 °: Một trạng thái lý thuyết của hoàn hảo không ướt, mà hầu như không bao giờ tồn tại trong thực tế.

Tại sao góc tiếp xúc lại quan trọng?

Góc tiếp xúc là nhiều hơn một khái niệm lý thuyết; nó đóng một vai trò quan trọng trong nghiên cứu khoa học và các ứng dụng công nghiệp.

1. Độ sạch bề mặt và chống bẩn: bề mặt siêu hydrophobic ( góc tiếp xúc cao) tự làm sạch. Khi giọt mưa lăn ra, chúng hấp thụ và mang theo bụi và chất gây ô nhiễm.Nguyên tắc này được áp dụng trong xây dựng lớp phủ bên ngoài, kính và cửa sổ ô tô, dệt may và quần áo ngoài trời.

2Các ngành công nghiệp sơn và in ấn: Trong quá trình in, phun và nhuộm, mực hoặc sơn phải làm ướt nền tốt ( góc tiếp xúc thấp) để đảm bảo đồng nhất và dính lớp phủ.Đo góc tiếp xúc giúp tối ưu hóa các quy trình này.

3Microfluidics và Biochips: Trong các kênh chip quy mô micron, dòng chảy chất lỏng hoàn toàn bị chi phối bởi độ căng bề mặt.Bằng cách kiểm soát chính xác góc tiếp xúc (hydrophilic hoặc hydrophobic) trong các khu vực khác nhau, các nhà khoa học có thể điều khiển hướng, trộn và tách chất lỏng giống như thiết kế mạch điện.

4Các vật liệu y tế và sinh học: Sự ướt bề mặt của các thiết bị y tế cấy ghép trong cơ thể con người (ví dụ như khớp nhân tạo, stent tim mạch) là rất quan trọng.Các bề mặt thích nước thường thúc đẩy sự dính của tế bào và tăng trưởng mô, trong khi một số bề mặt sợ nước có thể chống lại sự hấp thụ protein và đông máu.

5Năng lượng mới và bán dẫn: Trong pin nhiên liệu, góc tiếp xúc trên bề mặt điện cực ảnh hưởng đến hiệu quả quản lý nước.độ ẩm của photoresist trên wafer silic trực tiếp ảnh hưởng đến độ chính xác mô hình.

Làm thế nào để đo góc tiếp xúc?

Phương pháp đo phổ biến và cổ điển nhất là Phương pháp thả Sessile.

1Một ống tiêm nhỏ chính xác được sử dụng để tạo ra một giọt nhỏ, ổn định (thường là 2-5 microliter) trên bề mặt mẫu.

2Một Goniometer góc tiếp xúc được trang bị một camera độ phân giải cao và nguồn ánh sáng chụp một hình ảnh bên của giọt nước.

3Phần mềm phân tích hình ảnh, tự động phù hợp với một tiếp xúc ở điểm ba chất rắn-đua-đua, và tính toán giá trị góc.

Để có thông tin chính xác và toàn diện hơn, góc tiến và góc lùi đôi khi được đo. Sự khác biệt giữa chúng được gọi là Hysteresis góc tiếp xúc,có liên quan chặt chẽ đến độ thô bề mặt và sự dị biệt hóa học.

Ngoài nước: Các ứng dụng rộng hơn

Mặc dù nó được gọi là "đường tiếp xúc nước", chất lỏng được đo không giới hạn ở nước.điện giải) có thể được sử dụng để đánh giá khả năng ẩm của bề mặt đối với các chất lỏng cụ thểĐiều này cũng quan trọng đối với các lĩnh vực như dầu bôi trơn, mỹ phẩm và ngành công nghiệp thực phẩm.

Kết luận

Một giọt nước nhỏ đơn giản, khi nằm trên bề mặt vật liệu, trở thành một cửa sổ cho chúng ta để nhìn sâu vào các đặc tính bề mặt vi mô.kết nối nghiên cứu cơ bản và công nghệ tiên tiếnTừ "Hiệu ứng Lótus" kỳ diệu trong tự nhiên đến các chip nano công nghệ cao, giá trị của nó ở khắp mọi nơi.Nó nhắc nhở chúng ta rằng nhiều khám phá khoa học vĩ đại thường bắt đầu bằng sự quan sát cẩn thận và suy nghĩ sâu sắc về các hiện tượng bình thường xung quanh chúng ta.