كشف غموض زاوية تماس الماء: قطرة صغيرة، عالم واسع

في حياتنا اليومية، كثيرًا ما نلاحظ مشاهد كهذه: قطرات الندى على أوراق اللوتس صافية كالبلور، كاللؤلؤ المتلألئ، بينما تنتشر قطرات الماء على سطح زجاجي كغشاء رقيق. يكمن وراء هذا مفهومٌ بالغ الأهمية في علم الأسطح، ألا وهو زاوية تلامس الماء (WCA). فهي ليست مجرد مظهر بديهي للتفاعل بين السائل والسطح الصلب، بل هي أيضًا مقياس أساسي لقياس قابلية سطح المادة للبلل.

 

ما هي زاوية تماس الماء؟

زاوية تماس الماء، كما يوحي اسمها، هي الزاوية عند نقطة تقاطع قطرة سائل (عادةً ماء) مع غاز ومادة صلبة على سطح صلب مستوٍ وموحد. وهي الزاوية بين خط المماس لسطح السائل-الغاز وسطح الصلب-السائل، ويُرمز لها عادةً بالحرف اليوناني θ.

هذه الزاوية البسيطة تحدد ما إذا كانت المادة "محبة للماء" أو "كارهة للماء":

θ < 90° سطح محب للماء. تميل قطرات الماء إلى الانتشار، مما يدل على قابلية جيدة للبلل مع السطح الصلب. أمثلة: الزجاج، الأسطح المعدنية النظيفة، القماش القطني.

محبة للماء إلى حد كبير: عندما تقترب θ من 0 درجة، تصبح القطرة مسطحة بشكل كامل تقريبًا، مما يشكل طبقة رقيقة من الماء.

θ > 90°: سطح كاره للماء**. تميل قطرات الماء إلى البقاء كروية الشكل وتتدحرج بسهولة. أمثلة: أوراق اللوتس، ورق الشمع، وطبقات المعاطف الواقية من المطر.

كاره للماء بشدة: θ > 150°، ويُشار إليه عادةً باسم سطح فائق الكره للماء. تُشكل قطرات الماء كرات شبه مثالية، وتتدحرج بسهولة بالغة، وتلتقط الأوساخ من السطح - وهذا ما يُعرف بـ"تأثير اللوتس" الشهير.

θ = 180°: حالة نظرية من عدم البلل المثالي، والتي لا توجد تقريبًا في الواقع أبدًا.

لماذا تعتبر زاوية الاتصال مهمة جدًا؟

 

زاوية التلامس هي أكثر من مجرد مفهوم نظري؛ فهي تلعب دورًا حيويًا في البحث العلمي والتطبيقات الصناعية.

1. نظافة الأسطح ومقاومة الأوساخ: تتميز الأسطح فائقة النفور من الماء (ذات زاوية التلامس العالية) بقدرتها على التنظيف الذاتي. فعندما تتساقط قطرات المطر، تمتص هذه الأسطح الغبار والملوثات وتحملها بعيدًا. يُطبّق هذا المبدأ في طلاءات المباني الخارجية، وزجاج ونوافذ السيارات، والمنسوجات، والملابس الخارجية.
2. صناعات الطلاء والطباعة: في عمليات الطباعة والرش والصباغة، يجب أن تُبلل الأحبار أو الطلاءات السطح جيدًا (بزاوية تلامس منخفضة) لضمان تجانس الطلاء وقوة التصاقه. يُساعد قياس زاوية التلامس على تحسين هذه العمليات.
3. الموائع الدقيقة والرقائق الحيوية: في قنوات الرقائق الميكرونية، يهيمن التوتر السطحي على تدفق السوائل بالكامل. من خلال التحكم الدقيق في زاوية التلامس (محبة للماء أو كارهة للماء) في مناطق مختلفة، يمكن للعلماء التحكم في اتجاه السائل وخلطه وفصله، تمامًا كما في تصميم الدوائر الكهربائية.
4. المواد الطبية والحيوية: تُعدّ قابلية ترطيب أسطح الأجهزة الطبية المزروعة في جسم الإنسان (مثل المفاصل الاصطناعية، ودعامات القلب والأوعية الدموية) أمرًا بالغ الأهمية. غالبًا ما تُعزز الأسطح المحبة للماء التصاق الخلايا ونمو الأنسجة، بينما قد تُقاوم بعض الأسطح الكارهة للماء امتصاص البروتين وتجلط الدم.
5. الطاقة الجديدة وأشباه الموصلات: في خلايا الوقود، تؤثر زاوية التلامس على سطح القطب على كفاءة إدارة المياه. في عملية الطباعة الحجرية لتصنيع أشباه الموصلات، تؤثر قابلية ترطيب المادة المقاومة للضوء على رقاقة السيليكون بشكل مباشر على دقة النمط.

كيف يتم قياس زاوية التلامس؟

الطريقة الأكثر شيوعًا وكلاسيكية للقياس هي طريقة السقوط الجالس.

1. يتم استخدام محقنة دقيقة للغاية لإنتاج قطرة صغيرة ومستقرة (عادةً ما تكون من 2 إلى 5 ميكرولتر) على سطح العينة.
2. يقوم جهاز قياس زاوية التلامس المزود بكاميرا عالية الدقة ومصدر ضوء بالتقاط صورة جانبية للقطرة.
3. يقوم البرنامج بتحليل الصورة، ويلائم بشكل تلقائي المماس عند النقطة الثلاثية الصلبة والسائلة والغازية، ويحسب قيمة الزاوية.

للحصول على معلومات أدق وأشمل، تُقاس أحيانًا زاوية التقدم وزاوية التراجع. يُسمى الفرق بينهما "زاوية التلامس الهستيريسيس"، وهو مرتبط ارتباطًا وثيقًا بخشونة السطح والتباين الكيميائي.

 

ما وراء الماء: تطبيقات أوسع

على الرغم من تسميتها "زاوية تلامس الماء"، إلا أن السائل المُقاس لا يقتصر على الماء فقط. فوفقًا للاستخدام، يمكن استخدام سوائل متنوعة (مثل الزيوت والدم والإلكتروليتات) لتقييم قابلية سطح ما للبلل مع سوائل محددة. وهذا مهم بنفس القدر في مجالات مثل مواد التشحيم ومستحضرات التجميل وصناعة الأغذية.

 

 

تفاصيل معلمات المعدات
معلمات المعدات الإجمالية
نموذج	ZL-2823A				ZL-2823C		ZL-2823B
يكتب	النوع الأساسي				النوع القياسي		نوع البحث العلمي
الحجم (الطول * العرض * الارتفاع)	425*150*415 مم				560*196*525 مم		760*200*640 مم
وزن	6 كجم				11كجم		21 كجم
مزود الطاقة
الجهد االكهربى	100~240 فولت تيار متردد
قوة	20 واط						50 واط
تكرار	50/60 هرتز
نظام منصة العينة
منصة التجارب	120*150 مم				120*150 مم		160*200 مم
حركة المنصة	يدوي						يدوي (يمكن ترقيته إلى تلقائي)
نطاق حركة المنصة	60*35*80 مم
الحد الأقصى للعينة	180 مم×∞×30 مم				250×∞×60 مم
إمالة المنصة	—–				منصة إمالة يدوية (اختياري)		منصة إمالة يدوية (اختياري)
ضبط مرحلة العينة	تعديل أمامي وخلفي يدوي، شوط 60 مم، دقة 0.1 مم الضبط الأيمن والأيسر: يدوي، الشوط 35 مم، الدقة 0.1 مم تعديل يدوي للأعلى والأسفل، مسافة الشوط 80 مم، دقة 0.1 مم
نظام الاستحواذ
آلة تصوير	U2.0						يو 3.0
نوع العدسة	عدسة مجهر عالية الدقة				عدسة مجهر عالية الدقة		عدسة مجهر عالية الدقة
تكبير العدسة	6.5 مرات				8 مرات		10 مرات
تكبير	—				—		±3 مم
أقصى سرعة للتصوير	25 إطارًا/ثانية				50 إطارًا/ثانية		المزيد من النماذج المتاحة
ضبط العدسات الأمامية والخلفية	10 ملم				30 ملم		30 ملم
ضبط إمالة العدسة	—				—		±10°
نظام الكاميرا
أكبر صورة		3000(أ)×2000(رأسي)			4000(أ)×3000(رأسي)			5000(أ)×4000(رأسي)
الحد الأقصى لمعدل الإطارات		70 إطارًا في الثانية			120 إطارًا في الثانية (يمكن ترقيتها إلى معدلات إطارات أعلى)			200 إطارًا في الثانية (يمكن ترقيتها إلى معدلات إطارات أعلى)
جهاز استشعار		سوني 1/1.8″
نطاق		اللون الأسود واللون الأبيض
عائد الاستثمار		تخصيص
إظهار عرض الخط		تخصيص
وقت التعرض		تخصيص
مزود الطاقة		واجهة USB 5 فولت تيار مستمر
الانتقال		رؤية USB3
نظام الحقن
إسقاط العينة			يدوي (يمكن ترقيته إلى تلقائي)	يدوي (يمكن ترقيته إلى تلقائي)		الشفط والحقن التلقائي
مبلل			يدوي	يدوي		يدوي (يمكن ترقيته إلى تلقائي)
تحديد ارتفاع التلامس الرطب			يدوي	يدوي		يدوي
دقة الإسقاط			0.2 ميكرولتر	0.1 ميكرولتر		نظام نانولتر قابل للترقية
طريقة نقل حقن السوائل			يدوي	يدوي		يدوي (يمكن ترقيته إلى تلقائي)
حركة حقن السائل			40*10 مم	50*50 مم		50*50 مم
التحكم في الحقن			نوع المقبض اليدوي	نوع المقبض اليدوي		رقمنة البرمجيات
محقنة			محقنة عالية الدقة محكمة الغلق ضد الغاز
سعة			1000 ميكرولتر			100 ميكرولتر/500 ميكرولتر/1000 ميكرولتر (معيار 500 ميكرولتر)
إبرة			إبرة فائقة الكراهية للماء مصنوعة بالكامل من الفولاذ المقاوم للصدأ بقطر 0.51 مم (تكوين قياسي)			إبرة فائقة الكراهية للماء مصنوعة بالكامل من الفولاذ المقاوم للصدأ بقطر 0.51 مم (تكوين قياسي)
نظام مصدر الضوء
مصدر الضوء	مربع LED				مصباح ليد دائري		التركيز على LED
الطول الموجي	450-480 نانومتر				450-480 نانومتر		450-480 نانومتر
حقل الضوء	40 مم×20 مم				Φ50 مم		φ50 مم
بقعة ضوء					تركيبة مكثفة تحتوي على 96 كبسولة
حياة	50000ساعة				50000ساعة		50000ساعة
برمجة
نطاق زاوية الاتصال			0～180 درجة
دقة			0.01 درجة
طريقة قياس زاوية التلامس			أوتوماتيكي بالكامل، نصف أوتوماتيكي، يدوي
طريقة التحليل			طريقة إيقاف التنقيط (الحالة 2/3)، طريقة التقاط الفقاعات، طريقة إسقاط المقعد
الطريقة التحليلية			التحليل الثابت، التحليل الديناميكي المتزايد والمتقلص للسوائل، التحليل الديناميكي للبلل، التحليل في الوقت الفعلي، التحليل الثنائي، تحليل زاوية التقدم والتراجع
طرق الاختبار			طريقة الدائرة، طريقة القطع الناقص/القطع الناقص المائل، طريقة الدائرة التفاضلية/القطع الناقص التفاضلي، طريقة يونغ-لابالاس، طريقة العرض والارتفاع، طريقة الظل، طريقة الفاصل الزمني
الطاقة الحرة السطحية
طرق الاختبار			زيسمان، أورك، دبليو يو، دبليو يو 2، فوكس، أنتونوف، بيرثيلوت، إي أو إس، أعمال الالتصاق، أعمال البلل، معامل الانتشار
معالجة البيانات
طريقة الإخراج			يتم إنشاؤه تلقائيًا، ويمكن تصدير/طباعة تنسيقات تقارير متعددة مثل EXCEL، وWord، وSpectra، وما إلى ذلك.

 

 

خاتمة

قطرة ماء صغيرة تبدو بسيطة، عند وضعها على سطح مادي، تُصبح نافذةً لنا على خصائص السطح المجهرية. زاوية التلامس، وهي معيار بسيط ولكنه فعّال، تربط بين البحث العلمي الأساسي وأحدث التقنيات. من "تأثير اللوتس" العجيب في الطبيعة إلى الرقائق النانوية عالية التقنية، تتجلى قيمتها في كل مكان. تُذكرنا هذه الزاوية بعمق بأن العديد من الاكتشافات العلمية العظيمة غالبًا ما تبدأ بملاحظة دقيقة وتفكير عميق في الظواهر العادية من حولنا.