Разоблачение угла контакта с водой: маленькая капля, огромный мир

В повседневной жизни мы часто наблюдаем подобные картины: капли росы на листьях лотоса кристально прозрачны, словно перекатывающиеся жемчужины, а капли воды растекаются плёнкой по стеклянной поверхности. За этим стоит важнейшее понятие в науке о поверхности — краевой угол смачивания водой (WCA). Это не только интуитивное проявление взаимодействия жидкости с твёрдой поверхностью, но и ключевой показатель для измерения смачиваемости поверхности материала.

Что такое угол контакта с водой?

Краевой угол смачивания водой, как следует из названия, — это угол в точке пересечения капли жидкости (обычно воды), газа и твёрдого тела на плоской однородной твёрдой поверхности. Это угол между касательной к границе раздела жидкость-газ и поверхностью раздела твёрдое тело-жидкость, обычно обозначаемый греческой буквой θ.

Этот простой угол определяет, является ли материал «гидрофильным» или «гидрофобным»:

θ < 90°. Гидрофильная поверхность. Капли воды имеют тенденцию растекаться, что указывает на хорошую смачиваемость твёрдой поверхностью. Примеры: стекло, чистые металлические поверхности, хлопчатобумажная ткань.

Чрезвычайно гидрофильна: θ приближается к 0°, капля почти полностью сплющивается, образуя тонкую водную пленку.

θ > 90°: Гидрофобная поверхность**. Капли воды, как правило, сохраняют сферическую форму и легко скатываются. Примеры: листья лотоса, вощёная бумага, плащевые покрытия.

Чрезвычайно гидрофобная: θ > 150°, часто называемая супергидрофобной поверхностью. Капли воды образуют почти идеальные сферы, легко скатываются и собирают грязь с поверхности — это знаменитый «эффект лотоса».

θ = 180°: Теоретическое состояние идеального несмачивания, которое почти никогда не существует в реальности.

Почему угол смачивания так важен?

Контактный угол — это гораздо больше, чем просто теоретическое понятие; он играет важнейшую роль в научных исследованиях и промышленных применениях.

1. Чистота поверхности и защита от обрастания: Супергидрофобные поверхности (с высоким контактным углом) обладают способностью к самоочищению. Капли дождя, скатываясь с них, адсорбируют и уносят пыль и загрязнения. Этот принцип применяется в наружных покрытиях зданий, автомобильных стеклах и окнах, текстиле и одежде для активного отдыха.
2. Нанесение покрытий и полиграфия: В процессах печати, распыления и крашения чернила или покрытия должны хорошо смачивать подложку (иметь малый контактный угол), чтобы обеспечить равномерность покрытия и адгезию. Измерение контактного угла помогает оптимизировать эти процессы.
3. Микрофлюидика и биочипы: В микронных каналах чипов течение жидкости полностью определяется поверхностным натяжением. Точно контролируя контактный угол (гидрофильный или гидрофобный) в различных областях, учёные могут управлять направлением потока жидкости, её смешиванием и разделением, подобно проектированию электрических цепей.
4. Медицинские и биоматериалы: Смачиваемость поверхности медицинских устройств, имплантируемых в организм человека (например, искусственных суставов, сердечно-сосудистых стентов), имеет решающее значение. Гидрофильные поверхности часто способствуют адгезии клеток и росту тканей, в то время как некоторые гидрофобные поверхности могут препятствовать адсорбции белков и свертыванию крови.
5. Новая энергетика и полупроводники: В топливных элементах контактный угол на поверхности электрода влияет на эффективность водоотведения. В процессе литографии при производстве полупроводников смачиваемость фоторезиста на кремниевой пластине напрямую влияет на точность печати.

Как измеряется контактный угол?

Наиболее распространенным и классическим методом измерения является метод лежащей капли.

1. Для нанесения крошечной стабильной капли (обычно 2–5 микролитров) на поверхность образца используется прецизионный микрошприц.
2. Контактный гониометр, оснащенный камерой высокого разрешения и источником света, получает боковое изображение капли.
3. Программное обеспечение анализирует изображение, автоматически проводит касательную в тройной точке твердое тело-жидкость-газ и рассчитывает значение угла.

Для получения более точной и полной информации иногда измеряют угол наступления и угол отступления. Разница между ними называется гистерезисом контактного угла, который тесно связан с шероховатостью поверхности и химической гетерогенностью.

За пределами воды: более широкие возможности применения

Хотя это называется «краевым углом смачивания водой», измеряемая жидкость не ограничивается водой. В зависимости от области применения, для оценки смачиваемости поверхности различными жидкостями (например, маслами, кровью, электролитами) можно использовать различные жидкости. Это также важно для таких областей, как смазочные материалы, косметика и пищевая промышленность.

Заключение

Казалось бы, простая капля воды, покоящаяся на поверхности материала, становится для нас окном в мир микроскопических свойств поверхности. Контактный угол – простой, но важный параметр, связывающий фундаментальные исследования и передовые технологии. От чудесного «эффекта лотоса» в природе до высокотехнологичных наночипов – его значение повсеместно. Он служит нам глубоким напоминанием о том, что многие великие научные открытия часто начинаются с тщательного наблюдения и глубокого осмысления обычных явлений вокруг нас.