Физики разработали схему надежного измерения краевых углов при смачивании водой поверхностей с разным типом микрорельефа и степенью гидрофобности. Оказалось, что лучше всего для точного определения углов смачивания использовать сидячую каплю, объем которой сначала медленно увеличивается, а потом уменьшается обратно. При этом, если правильно проводить эксперимент, то время одного полного измерения составит до 2 часов, пишут ученые в Nature Protocols.

Один из основных параметров, характеризующих смачивание поверхностей жидкостью — это краевой угол, то есть угол, который образуется на стыке твердой, жидкой и газовой фаз между твердой поверхностью и касательной к поверхности жидкости. Для идеальной (гладкой и химически однородной) поверхности этот угол определяется соотношением Юнга, связывающим поверхностные энергии на трех межфазных границах (жидкость-твердое, жидкость-газ и твердое-газ). В случае смачивания поверхностей водой, если этот угол меньше 90 градусов, то поверхность называют гидрофильной, если больше — гидрофобной.

Угол смачивания — угол между касательной к поверхности капли в точке контакта и самой поверхностью. Слева направо угол смачивания уменьшается. Wikimedia Commons

Казалось бы, измерение этого угла — довольно простая процедура: нужно просто поместить на поверхность каплю жидкости, сфотографировать ее и измерить угол между двумя лучами на фотографии. Однако для реальных поверхностей эта задача оказывается не так проста, как кажется на первый взгляд. Во-первых, из-за неоднородности рельефа и химического состава поверхности этот угол для каждой поверхности может принимать не единственное значение, а множество значений в определенном диапазоне. Это явление называет гистерезисом краевого угла, а минимальный и максимальный краевые углы в этом диапазоне — соответственно, углами оттекания (receding angle) и натекания (advancing angle). Во-вторых, внутри этого диапазона между максимальным и минимальным значениями возможно существование нескольких дополнительных метастабильных состояний. Выбрать из них нужное, соответствующее глобальному минимуму энергии обычно бывает очень непросто, что приводит к систематическим ошибкам, как при измерении краевого угла в наиболее устойчивом состоянии, так и при определении углов натекания и оттекания.

Схема зависимости свободной энергии Гиббса от значения краевого угла для идеальной поверхности (слева) — с единственным минимумом, и для реальной шероховатой поверхности (справа) — с большим количеством локальных минимумов. T. Huhtamäki et al./ Nature Protocols, 2018

Физики из Финляндии и Китая под руководством Робина Раса (Robin H. A. Ras) из Университета Аалто проанализировали все известные способы определения краевых углов и разработали общую схему проведения наиболее надежных измерений. Самым точным способом оказался метод сидячей капли, при котором капля помещается на исследуемую поверхность. Внутрь капли при этом помещается иголка шприцевого насоса, через которую можно закачивать и откачивать жидкость. После этого объем капли сначала медленно увеличивают, а потом — уменьшают обратно. Такой цикл повторяется многократно и контролируя все стадии процесса и измеряя динамику изменения краевого угла, можно получить необходимые значения.

Схема последовательных состояний капли во время измерения. T. Huhtamäki et al./ Nature Protocols, 2018

Этот метод оказался более надежным по сравнению с другими популярными способами измерения гистерезиса краевого угла — например, постепенным наклоном поверхности до того момента, как капля начнет с нее соскальзывать, или вытягиванием пластинки из объема жидкости.

В результате ученые нашли оптимальную скорость увеличения объема (от 0,05 до 2 микролитров в секунду в зависимости от стадии процесса), а также определили наиболее подходящий объем капли, который позволяет точно измерить углы оттекания и натекания на разных поверхностях. Оказалось, что для разных соотношений измеряемых углов этот объем может меняться почти на порядок — от 20 до 150 микролитров.

Оптимальный объем капли для измерения различных значений краевых углов оттекания и натекания. T. Huhtamäki et al./ Nature Protocols, 2018

Кроме того, ученые сформулировали рекомендации для настроек параметров съемки: увеличения, контрастности изображения и скорости записи, — а также описали возможные проблемы, которые могут возникать при измерении краевых углов на различных типах поверхности и предложили способы их решения.

Полное измерение параметров смачивания по предложенной схеме составит от одного до двух часов, а однократное определение углов оттекания и натекания — около 15 минут. Ученые отмечают, что пока предложенный метод был отработан только для смачивания однородных поверхностей водой, однако он может использоваться и для других жидкостей.

Стоит отметить, что из-за неоднородностей исследуемых поверхностей часто и значения краевых углов распределены по ним очень неравномерно. Чтобы определить, как параметры, определяющие смачивание поверхностей распределены по поверхности, физики разработали специальный микроскоп, чувствительным зондом которого служит капля жидкости.

Автор: *Александр Дубов**