ویژه های مهامکس

زاویه تماس چیست

تاریح انتشار:۷ اردیبهشت ۱۴۰۰
تعداد بازدید:

زاویه تماس چیست

زاویه تماس به زاویه‌ای گفته می‌شود که آخرین لبه یک مایع با سطح زیرین خود ایجاد می‌کند. اندازه این زاویه را معیاری برای ترشوندگی سطح در نظر می‌گیرند. به طور مثال، یک قطره آب روی برگ نیلوفر آبی، به صورت یک حجم کروی قرار می‌گیرد و زاویه بزرگی بین قطره و سطح ایجاد می‌شود.

هرچه این زاویه بزرگتر باشد، مایع و سطح نسبت هیدروفوبیک بیشتری دارند و احتمال ترشوندگی سطح کمتر می‌شود. در این مقاله، به بررسی زاویه تماس، پدیده آبدوستی و آبگریزی و کاربرد آنالیز زاویه تماس پرداخته شده است.
انجام آنالیز زاویه تماس

زاویه تماس

به طور کلی، منظور از زاویه تماس، زاویه‌ای است که آخرین لبه یک مایع با سطح زیرین خود ایجاد می‌کند. زاویه تماس یا زاویه تماس تعادلی که یک قطره آب با سطح ایجاد می‌کند، به تنش‌های بین سطحی جامد-مایع، گاز-مایع، و گاز-جامد بستگی دارد. تنش‌های بین سطحی در فصل مشترک سه فاز مایع، جامد و گاز تعریف می‌شود و در حالت ایستایی کامل قطره روی سطح، اندازه‌گیری می‌شود. زاویه تماس تعادلی یا زاویه تماس استاتیک فقط به خواص فیزیکی سطح بستگی دارد.

شماتیک زاویه تماس و تنش‌های بین سطحی

شکل ۱ – شماتیک زاویه تماس و تنش‌های بین سطحی در فصل مشترک سه فاز مایع، جامد و گاز، و رابطه ریاضی که با هم دارند.

البته به طور مشابه، در فصل مشترک سه فاز مایع، گاز و جامد، انرژی سطحی را هم بررسی می‌کنند. که برای بررسی آبدوستی یا آبگریزی مواد از روابط بین آن‌ها هم استفاده می‌کنند. در شکل ۲ شماتیکی از انرژی سطحی در فصل مشترک مواد را نشان داده شده است؛ همچنین به روابطی که بین آنها برقرار است هم اشاره شده است.

بررسی انرژی سطحی در فصل مشترک

شکل ۲ – بررسی انرژی سطحی در فصل مشترک سه فاز مایع، جامد و گاز و رابطه‌ای که بین شان وجود دارد.

زاویه تماس را به دو صورت استاتیک و دینامیک بررسی می‌کنند. زاویه تماسی که در حالت ایستایی قطره مایع روی سطح اندازه‌گیری می‌شود، زاویه تماس استاتیک نام دارد، و زاویه تماسی که در حین حرکت خط تماس اندازه‌گیری شود، زاویه تماس دینامیکی می‌نامند. زاویه تماس دینامیکی خلاف زاویه تماس استاتیک، تابع خاصیت فیزیکی و مادی نیست و به سرعت خط تماس بستگی دارد.

پدیده آبدوستی

پدیده آبدوستی، یک پدیده فیزیکی در مولکول‌ها است که به آب جذب شده توسط مولکول‌ها یا تمایل به حل شدن آن‌ها در آب، ارتباط دارد. به طور معمول، این پدیده در شیمی و زیست شناسی سلولی بررسی می‌شود. به طور مثال، بررسی این پدیده در غشای سلول‌ها جایگاه ویژه‌ای دارد.

مولکول‌های آبدوست (hydrophile molecules)، طبق قوانین ترمودینامیک، علاوه بر تمایل و قابلیت برای حل شدن در آب، در اکثر محلول قطبی دیگری هم می‌توانند حل شوند، زیرا به دلیل قطبی بودن و با ایجاد پیوندهای دوقطبی-دوقطبی مثل پیوندهای هیدروژنی، به آسانی در آب و سایر مولکول‌های قطبی برهمکنش دارند و فرایند انحلال را طی می‌کنند. این مولکول‌های آبدوست، از ترکیب با چربی، روغن و یا هر نوع مولکول آبگریز دیگری سر باز می‌زنند.

تصاویر قطره حاصل از آنالیز زاویه تماس

شکل ۳ – تصاویر قطره حاصل از آنالیز زاویه تماس برای (۱) سطوح ابرآبدوست و (۲) سطوح آبدوست.

از نظر آنالیز زاویه تماس، زاویه تماسی که روی سطح آبدوست ایجاد می‌شود، باید به گونه‌ای باشد که انرژی سطحی فصل مشترک جامد-مایع، کمتر از تفاضل انرژی سطحی فصل مشترک مایع-گاز از انرژی سطحی فصل مشترک جامد-گاز  باشد.

شماتیک یک سطح ابرآبدوست و رابطه بین انرژی سطحی

شکل ۴ – شماتیک یک سطح ابرآبدوست و رابطه بین انرژی سطحی فصل مشترک‌های جامد، مایع و گاز در این سطوح.

پدیده آبگریزی

پدیده آبگریزی مشابه پدیده آبدوستی، یک پدیده فیزیکی است به برهمکنش مولکول‌های آبگریز با آب ارتباط دارد. مولکول‌های آبگریز (hydrophobic molecules)، مولکول‌هایی ناقطبی هستند؛ بنابراین می‌توانند با مولکول‌های ناقطبی برهمکنش داشته باشند و در نتیجه در حلال‌های ناقطبی حل شوند.

اگر مولکول‌های آبگریز را درون حلال قطبی مثل آب ریخته شوند، این مولکول‌ها به منظور کاهش انرژی سطحی ساختارهای توده‌ای و کلوخه‌ای تشکیل می‌شوند. همچنین اگر محلول‌های ناقطبی مثل روغن یا نفت در یک حلال قطبی مثل آب ریخته شود، به صورت قطره درون حلال قرار می‌گیرند. به طور مشابه، رفتار حلال قطبی درون درون حلال ناقطبی هم همین خواهد بود. اگر حجم کمی از حلال قطبی مثل آب روی سطحی که آبگریز باشد، قرار بگیرد، حلال قطبی قطره‌ای کروی را روی سطح آبگریز تشکیل می‌دهد که زاویه تماس بزرگی با سطح ایجاد می‌کند. در شکل ۵ نمونه‌ای از تصاویر قطره روی سطوح آبگریز دیده می‌شود.

تصاویر قطره حاصل از آنالیز زاویه تماس

شکل ۵ – تصاویر قطره حاصل از آنالیز زاویه تماس برای (۱) سطوح آبگریز و (۲) سطوح ابرآبگریز.

از نظر آنالیز زاویه تماس، زاویه تماسی که روی سطح آبگریز ایجاد می‌شود، باید به گونه‌ای باشد که انرژی سطحی فصل مشترک جامد-مایع، بیشتر از مجموع انرژی سطحی فصل مشترک‌های جامد-گاز و مایع-گاز باشد.

شماتیک یک سطح ابرآبگریز و رابطه بین انرژی سطحی فصل مشترک‌های جامد، مایع و گاز در این سطوح

شکل ۶ – شماتیک یک سطح ابرآبگریز و رابطه بین انرژی سطحی فصل مشترک‌های جامد، مایع و گاز در این سطوح.

کاربرد آنالیز زاویه تماس

در بسیاری از مطالعات ثابت شده که خواص سطحی یک ماده روی ویژگی واکنش‌پذیری و برهمکنش آن ماده با محیط اطراف تاثیر زیادی دارد. خواص سطحی مواد، با تاثیر بر انرژی سطحی مواد، تعیین کننده چسبندگی مواد مختلف به سطح هم است. بنابراین تعیین خواص سطحیِ سطوح مختلف و در مواردی بسته به هدف مورد نظر، انجام اصلاح‌هایی روی سطح به منظور اصلاح برهمکنش سطح با آب، اهمیت زیادی دارد.

رفتار یک قطره در برهمکنش سطح تحت تاثیر میزان ترشوندگی سطح است. ترشوندگی یک سطح، از طریق اندازه‌گیری زاویه تماس مایع با سطح جامد اندازه‌گیری می‌شود. زاویه تماس به شدت به خواص سطحی ماده وابسته است؛ بنابراین در  آنالیز زاویه تماس، زاویه تماس را می‌توان به عنوان معیاری از رفتار سطح در برهمکنش با مایعاتی مانند آب به حساب آورد.

برای اصلاح زاویه تماس آب با سطح ماده، ممکن است از روش‌های مختلفی استفاده شود، ساده‌ترین روش‌های روش‌هایی است که به اصلاح سطح می‌پردازد. منظور از اصلاح سطح، نشاندن گروه‌های عاملی مختلف برای ایجاد ویژگی دلخواه روی سطح، یا تغییر در بار سطحی مواد، یا تغییر در زبری و نرمی سطح ماده و به طور کلی تغییر در میکروساختار سطح مواد (شکل ۷) می‌تواند تاثیر چشمگیری روی زاویه تماس بگذارد. از این منظر، اندازه‌گیری زاویه تماس روشی موثر برای بررسی برخی از ویژگی‌های سطح ماده باشد.

بررسی اثر تغییر زبری سطح بر روی زاویه تماس

شکل ۷ – بررسی اثر تغییر زبری سطح بر روی زاویه تماس؛ در این شماتیک تغییر زبری سطح از طریق ایجاد ساختارهای سلسله مراتبی روی سطح اتفاق افتاده است.