Угол контакта

Угол контакта (также краевой угол смачивания) — это угол, образуемый поверхностью твёрдого тела и касательной к поверхности жидкости, проведённой в точке соприкосновения трёх фаз (твёрдого тела, жидкости и газа/пара). Является количественной мерой смачивания: чем меньше угол, тем лучше жидкость растекается по поверхности (смачивает её), чем больше — тем сильнее она стремится собраться в каплю.

Физическая сущность и определение

Угол контакта (обозначается греческой буквой θ, «тета») возникает на границе раздела трёх фаз: твёрдой (S — solid), жидкой (L — liquid) и газообразной (G — gas, обычно воздух или пар жидкости). В точке тройного контакта действуют три силы поверхностного натяжения, направленные вдоль соответствующих поверхностей раздела фаз:

γ_{SG} — на границе твёрдое тело — газ;
γ_{SL} — на границе твёрдое тело — жидкость;
γ_{LG} — на границе жидкость — газ (поверхностное натяжение жидкости).

Равновесие этих сил описывается уравнением Юнга (1805 год):

\[ \gamma_{SG} = \gamma_{SL} + \gamma_{LG} \cdot \cos\theta \]

Отсюда:

\[ \cos\theta = \frac{\gamma_{SG} - \gamma_{SL}}{\gamma_{LG}} \]

Уравнение Юнга является фундаментальным для физики смачивания. Оно справедливо для идеально гладкой, однородной и химически инертной поверхности. На реальных поверхностях угол контакта может отличаться от равновесного значения из-за шероховатости, химической неоднородности и адсорбционных явлений.

Классификация по величине угла контакта

Величина угла контакта позволяет классифицировать характер взаимодействия жидкости с твёрдой поверхностью:

Полное смачивание (θ = 0°). Жидкость растекается по поверхности тонким слоем. Капля не образуется. Пример: вода на чистом стекле (в отсутствие загрязнений).
Хорошее смачивание (0° < θ < 90°). Жидкость смачивает поверхность. Капля имеет пологую форму. Пример: вода на многих металлах и полимерах (например, полиэтилентерефталат).
Плохое смачивание (90° < θ < 180°). Жидкость плохо смачивает поверхность, стремится собраться в каплю. Пример: вода на парафине, воске, тефлоне (политетрафторэтилен).
Полное несмачивание (θ = 180°). Гипотетический случай, когда жидкость не контактирует с твёрдой поверхностью. В реальности достигается, например, для капли ртути на некоторых поверхностях, но обычно угол не превышает 150–160°.

Поверхности, на которых угол контакта с водой превышает 150°, называются супергидрофобными. Примером служит лист лотоса (эффект лотоса), где вода скатывается, не смачивая поверхность.

Виды углов контакта: статический и динамический

На практике различают несколько значений угла контакта, зависящих от того, находится ли граница трёх фаз в покое или движении.

Статический угол контакта

Измеряется на неподвижной капле, находящейся в равновесии. Является равновесным значением, описываемым уравнением Юнга. Однако на реальных шероховатых поверхностях статический угол может принимать одно из множества метастабильных значений в диапазоне между наступающим и отступающим углами.

Динамические углы контакта: гистерезис

Гистерезис смачивания — это различие между углами контакта, измеренными при увеличении (наступающий угол, θ_A) и уменьшении (отступающий угол, θ_R) объёма капли.

Наступающий угол (θ_A) — угол, образующийся при растекании жидкости по сухой поверхности. Он обычно больше равновесного.
Отступающий угол (θ_R) — угол, образующийся при стягивании жидкости с уже смоченной поверхности. Он обычно меньше равновесного.

Гистерезис (Δθ = θ_A - θ_R) возникает из-за шероховатости, химической неоднородности поверхности, адсорбции примесей и деформации капли. Чем больше гистерезис, тем сильнее капля «закреплена» на поверхности и тем труднее ей двигаться. На супергидрофобных поверхностях гистерезис минимален, что обеспечивает лёгкое скатывание капель.

Методы измерения

Наиболее распространённые методы измерения угла контакта:

Метод сидячей капли. На поверхность помещается капля жидкости известного объёма. Её профиль фотографируется, и по изображению с помощью программного обеспечения определяется угол между касательной к поверхности капли и основанием.
Метод висячей капли. Капля формируется на конце иглы шприца. Угол измеряется по её профилю. Этот метод часто используется для измерения поверхностного натяжения жидкости.
Метод Вильгельми. Пластина из исследуемого материала частично погружается в жидкость. Измеряется сила, действующая на пластину, и по ней рассчитывается угол контакта.
Метод капиллярного поднятия. Измеряется высота поднятия жидкости в капилляре, изготовленном из исследуемого материала. Угол контакта рассчитывается по формуле Жюрена.

Факторы, влияющие на угол контакта

На величину угла контакта влияют:

Химическая природа поверхности. Полярные поверхности (с гидроксильными, карбоксильными группами) обычно хорошо смачиваются водой (гидрофильны). Неполярные поверхности (углеводороды, фторполимеры) — плохо (гидрофобны).
Шероховатость поверхности. Согласно моделям Венцеля и Кэсси — Бакстера, шероховатость может как усиливать смачивание (для гидрофильных материалов), так и усиливать несмачивание (для гидрофобных). В первом случае капля проникает в неровности, во втором — остаётся на выступах, что приводит к супергидрофобности.
Температура. С повышением температуры поверхностное натяжение жидкости обычно уменьшается, что может приводить к уменьшению угла контакта.
Наличие примесей. Даже следовые количества поверхностно-активных веществ (ПАВ) могут резко уменьшить угол контакта, улучшая смачивание.
Электрический потенциал. При приложении напряжения к поверхности (электросмачивание) угол контакта может значительно уменьшаться.

Применение

Измерение и контроль угла контакта имеют широкое практическое значение:

Материаловедение и нанотехнологии. Оценка качества очистки поверхностей, создание супергидрофобных и самоочищающихся покрытий (аналоги листа лотоса), разработка антиобледенительных покрытий.
Нефтяная и горная промышленность. Оптимизация процессов добычи нефти (управление смачиваемостью породы для повышения нефтеотдачи), флотация руд (разделение минералов по смачиваемости).
Медицина и биология. Оценка биосовместимости имплантатов (клетки лучше прикрепляются к гидрофильным поверхностям), разработка контактных линз, изучение смачиваемости тканей и биологических жидкостей.
Микрофлюидика. Управление движением капель в микроканалах (цифровая микрофлюидика), создание «лабораторий на чипе».
Печать и нанесение покрытий. Контроль растекания краски, чернил, клеев, лаков по поверхности.
Сельское хозяйство. Разработка составов для обработки листьев (пестициды, удобрения), которые должны хорошо смачивать поверхность растений.
Текстильная промышленность. Создание водоотталкивающих (гидрофобных) и грязеотталкивающих тканей.

Критика и ограничения

Уравнение Юнга и классическая теория смачивания имеют ряд ограничений. Они не учитывают:

Линию трёхфазного контакта. В реальности силы действуют не в точке, а вдоль линии, и её свойства (линейное натяжение) могут влиять на угол контакта, особенно для капель малого размера.
Динамические эффекты. При быстром движении капли или при её испарении равновесное значение угла может не достигаться.
Химическую неоднородность. На реальных поверхностях, как правило, присутствуют участки с разной химической природой, что приводит к сложной картине смачивания.
Влияние адсорбции. Адсорбция молекул из газа или жидкости может изменять поверхностную энергию твёрдого тела и, следовательно, угол контакта.

Несмотря на эти ограничения, концепция угла контакта остаётся ключевым инструментом для понимания и количественного описания смачивания в широком диапазоне практических задач.

Источники

Адамсон А. Физическая химия поверхностей. — М.: Мир, 1979.
Дерягин Б. В., Чураев Н. В., Муллер В. М. Поверхностные силы. — М.: Наука, 1985.
Зимон А. Д. Адгезия жидкости и смачивание. — М.: Химия, 1974.
Сумм Б. Д., Горюнов Ю. В. Физико-химические основы смачивания и растекания. — М.: Химия, 1976.
de Gennes P. G., Brochard-Wyart F., Quéré D. Capillarity and Wetting Phenomena: Drops, Bubbles, Pearls, Waves. — Springer, 2004.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →