رمزگشایی از زاویه تماس آب: یک قطره کوچک، یک دنیای وسیع
در زندگی روزمره، ما اغلب صحنه هایی مانند این را مشاهده می کنیم: شبنم روی برگ های نیلوفر آبی شفاف و درخشان است، مانند مرواریدهای در حال غلتیدن، در حالی که قطرات آب روی سطح شیشه به صورت یک لایه پخش می شوند. در پس این، یک مفهوم حیاتی در علم سطح نهفته است—زاویه تماس آب (WCA). این نه تنها یک تجلی شهودی از تعامل بین یک مایع و یک سطح جامد است، بلکه یک معیار اصلی برای اندازه گیری ترشوندگی سطح یک ماده نیز می باشد.
زاویه تماس آب چیست؟
زاویه تماس آب، همانطور که از نامش پیداست، زاویه ای است در نقطه ای که یک قطره مایع (معمولاً آب)، گاز و جامد در یک سطح جامد صاف و یکنواخت به هم می رسند. این زاویه بین خط مماس رابط مایع-گاز و رابط جامد-مایع است که معمولاً با حرف یونانی θ نشان داده می شود.
این زاویه ساده مشخص می کند که آیا یک ماده "آبدوست" یا "آبگریز" است:
θ < 90°: سطح آبدوست. قطرات آب تمایل به پخش شدن دارند که نشان دهنده ترشوندگی خوب با سطح جامد است. مثال ها: شیشه، سطوح فلزی تمیز، پارچه نخی.
بسیار آبدوست: θ به 0° نزدیک می شود، قطره تقریباً به طور کامل صاف می شود و یک لایه نازک آب تشکیل می دهد.
θ > 90°: سطح آبگریز**. قطرات آب تمایل دارند کروی باقی بمانند و به راحتی از سطح جدا شوند. مثال ها: برگ های نیلوفر آبی، کاغذ مومی، پوشش های بارانی.
بسیار آبگریز: θ > 150°، که اغلب به عنوان یک سطح فوق آبگریز شناخته می شود. قطرات آب تقریباً کره های کاملی را تشکیل می دهند، بسیار آسان از سطح جدا می شوند و کثیفی را از سطح جمع می کنند—این همان "اثر نیلوفر آبی" معروف است.
θ = 180°: یک حالت نظری از عدم ترشوندگی کامل، که تقریباً هرگز در واقعیت وجود ندارد.
چرا زاویه تماس اینقدر مهم است؟
زاویه تماس چیزی فراتر از یک مفهوم نظری است؛ نقش حیاتی در تحقیقات علمی و کاربردهای صنعتی دارد.
1. تمیزی سطح و ضد رسوب: سطوح فوق آبگریز (زاویه تماس بالا) خود تمیز شونده هستند. با غلتیدن قطرات باران، آنها گرد و غبار و آلاینده ها را جذب کرده و با خود می برند. این اصل در پوشش های بیرونی ساختمان، شیشه و پنجره های خودرو، منسوجات و لباس های بیرونی کاربرد دارد.
2. صنایع پوشش و چاپ: در فرآیندهای چاپ، اسپری و رنگرزی، جوهرها یا پوشش ها باید سطح زیرین را به خوبی تر کنند (زاویه تماس کم) تا از یکنواختی پوشش و چسبندگی اطمینان حاصل شود. اندازه گیری زاویه تماس به بهینه سازی این فرآیندها کمک می کند.
3. میکروفلوئیدیک و بیوچیپ ها: در کانال های تراشه در مقیاس میکرون، جریان مایع به طور کامل تحت تأثیر کشش سطحی است. با کنترل دقیق زاویه تماس (آبدوست یا آبگریز) در مناطق مختلف، دانشمندان می توانند جهت مایع، اختلاط و جداسازی را مانند طراحی مدارهای الکتریکی دستکاری کنند.
4. پزشکی و مواد زیستی: ترشوندگی سطح وسایل پزشکی که در بدن انسان کاشته می شوند (مانند مفاصل مصنوعی، استنت های قلبی عروقی) بسیار مهم است. سطوح آبدوست اغلب چسبندگی سلولی و رشد بافت را تقویت می کنند، در حالی که برخی از سطوح آبگریز ممکن است در برابر جذب پروتئین و لخته شدن خون مقاومت کنند.
5. انرژی نو و نیمه هادی ها: در پیل های سوختی، زاویه تماس روی سطح الکترود بر راندمان مدیریت آب تأثیر می گذارد. در فرآیند لیتوگرافی تولید نیمه هادی ها، ترشوندگی مقاومت نوری روی ویفر سیلیکونی مستقیماً بر دقت الگو تأثیر می گذارد.
زاویه تماس چگونه اندازه گیری می شود؟
متداول ترین و کلاسیک ترین روش اندازه گیری، روش قطره نشسته است.
1. از یک میکرو سرنگ دقیق برای تولید یک قطره کوچک و پایدار (معمولاً 2-5 میکرولیتر) روی سطح نمونه استفاده می شود.
2. یک زاویه سنج تماس مجهز به یک دوربین با وضوح بالا و منبع نور، یک تصویر جانبی از قطره را ثبت می کند.
3. نرم افزار تصویر را تجزیه و تحلیل می کند، به طور خودکار یک مماس را در نقطه سه گانه جامد-مایع-گاز قرار می دهد و مقدار زاویه را محاسبه می کند.
برای اطلاعات دقیق تر و جامع تر، گاهی اوقات زاویه پیشروی و زاویه پسروی اندازه گیری می شوند. تفاوت بین آنها، هیسترزیس زاویه تماس نامیده می شود که ارتباط نزدیکی با زبری سطح و ناهمگنی شیمیایی دارد.
فراتر از آب: کاربردهای گسترده تر
اگرچه به آن "زاویه تماس آب" می گویند، اما مایع اندازه گیری شده محدود به آب نیست. بسته به کاربرد، مایعات مختلف (مانند روغن ها، خون، الکترولیت ها) می توانند برای ارزیابی ترشوندگی یک سطح به مایعات خاص استفاده شوند. این امر برای زمینه هایی مانند روان کننده ها، لوازم آرایشی و بهداشتی و صنایع غذایی نیز به همان اندازه مهم است.
| جزئیات پارامترهای تجهیزات |
| پارامترهای کلی تجهیزات |
| مدل |
ZL-2823A |
ZL-2823C |
ZL-2823B |
| نوع |
نوع پایه |
نوع استاندارد |
نوع تحقیقات علمی |
| اندازه (طول*عرض*ارتفاع) |
425*150*415mm |
560*196*525mm |
760*200*640mm |
| وزن |
6KG |
11KG |
21KG |
| منبع تغذیه |
| ولتاژ |
100～240VAC |
| توان |
20W |
50W |
| فرکانس |
50/60HZ |
| سیستم پلتفرم نمونه |
| پلتفرم آزمایش |
120*150mm |
120*150mm |
160*200mm |
| حرکت پلتفرم |
دستی |
دستی (قابل ارتقا به اتوماتیک) |
| محدوده حرکت پلتفرم |
60*35*80mm |
| حداکثر نمونه |
180mm×∞×30mm |
250×∞×60mm |
| شیب پلتفرم |
----- |
پلتفرم شیب دستی (اختیاری) |
پلتفرم شیب دستی (اختیاری) |
| تنظیم استیج نمونه |
تنظیم دستی جلو و عقب، کورس 60 میلی متر، دقت 0.1 میلی متر
تنظیم چپ و راست: دستی، کورس 35 میلی متر، دقت 0.1 میلی متر
تنظیم بالا و پایین دستی، کورس 80 میلی متر، دقت 0.1 میلی متر
|
| سیستم اکتساب |
| دوربین |
U2.0 |
U3.0 |
| نوع لنز |
لنز میکروسکوپ HD |
لنز میکروسکوپ HD |
لنز میکروسکوپ با کیفیت بالا |
| بزرگنمایی لنز |
6.5times |
8times |
10times |
| زوم |
-- |
-- |
±3mm |
| حداکثر سرعت تصویربرداری |
25 فریم بر ثانیه |
50 فریم بر ثانیه |
مدل های بیشتر در دسترس است |
| تنظیم جلو و عقب لنز |
10mm |
30mm |
30mm |
| تنظیم شیب لنز |
-- |
-- |
±10° |
| سیستم دوربین |
| بزرگترین تصویر |
3000(H)×2000(V) |
4000(H)×3000(V) |
5000(H)×4000(V) |
| حداکثر نرخ فریم |
70fps |
120fps (قابل ارتقا به نرخ فریم بالاتر) |
200fps (قابل ارتقا به نرخ فریم بالاتر) |
| سنسور |
SONY 1/1.8" |
| طیف |
رنگ سیاه و سفید |
| ROI |
سفارشی سازی |
| نمایش عرض خط |
سفارشی سازی |
| زمان نوردهی |
سفارشی سازی |
| منبع تغذیه |
رابط USB 5 VDC |
| انتقال |
USB3 Vision |
| سیستم تزریق |
| نمونه قطره ای |
دستی (قابل ارتقا به اتوماتیک) |
دستی (قابل ارتقا به اتوماتیک) |
آسپیراسیون و تزریق اتوماتیک |
| تر شده |
دستی |
دستی |
دستی (قابل ارتقا به اتوماتیک) |
| شناسایی ارتفاع تماس مرطوب |
دستی |
دستی |
دستی |
| دقت قطره |
0.2 μL |
0.1μL |
سیستم نانولیتر قابل ارتقا |
| روش حرکت تزریق مایع |
دستی |
دستی |
دستی (قابل ارتقا به اتوماتیک) |
| کورس حرکت تزریق مایع |
40*10mm |
50*50mm |
50*50mm |
| کنترل تزریق |
نوع دکمه دستی |
نوع دکمه دستی |
رقومی سازی نرم افزار |
| سرنگ |
سرنگ گازبند با دقت بالا |
| ظرفیت |
1000μl |
100μl/500μl/1000μl (500μl استاندارد) |
| سوزن |
سوزن فوق آبگریز تمام استیل ضد زنگ 0.51 میلی متری (پیکربندی استاندارد) |
سوزن فوق آبگریز تمام استیل ضد زنگ 0.51 میلی متری (پیکربندی استاندارد) |
| سیستم منبع نور |
| منبع نور |
LED مربع |
LED گرد |
تمرکز بر LED |
| طول موج |
450-480nm |
450-480nm |
450-480nm |
| میدان نور |
40mm×20mm |
Φ50mm |
φ50mm |
| نقطه نور |
|
فرمول فشرده 96 کپسولی |
| عمر |
50000Hour |
50000Hour |
50000Hour |
| نرم افزار |
| محدوده زاویه تماس |
0～180° |
| وضوح |
0.01° |
| روش اندازه گیری زاویه تماس |
کاملاً اتوماتیک، نیمه اتوماتیک، دستی |
| روش تجزیه و تحلیل |
روش قطره ای توقف (حالت 2/3)، روش گرفتن حباب، روش قطره نشسته |
| روش تحلیلی |
تجزیه و تحلیل استاتیک، تجزیه و تحلیل دینامیکی افزایش و انقباض مایع، تجزیه و تحلیل دینامیکی ترشوندگی، تجزیه و تحلیل در زمان واقعی، تجزیه و تحلیل دو طرفه، تجزیه و تحلیل زاویه پیشروی و پسروی |
| روش های تست |
روش دایره، روش بیضی/بیضی مایل، روش دایره دیفرانسیل/روش بیضی دیفرانسیل، Young-lapalace، روش عرض و ارتفاع، روش مماس، روش فاصله |
| انرژی آزاد سطح |
| روش های تست |
Zisman, OWRK, WU, WU 2, Fowkes, Antonow, Berthelot, EOS, کار چسبندگی، کار ترشوندگی، ضریب پخش |
| پردازش داده |
| روش خروجی |
به طور خودکار تولید می شود، می تواند فرمت های گزارش متعدد مانند EXCEL، Word، طیف ها و غیره را صادر/چاپ کند. |
نتیجه
یک قطره آب کوچک که به ظاهر ساده است، هنگامی که روی سطح یک ماده قرار می گیرد، به پنجره ای برای ما تبدیل می شود تا به خواص میکروسکوپی سطح پی ببریم. زاویه تماس، یک پارامتر ساده اما قدرتمند، تحقیقات پایه و فناوری پیشرفته را به هم متصل می کند. از "اثر نیلوفر آبی" معجزه آسا در طبیعت تا تراشه های نانو پیشرفته، ارزش آن همه جا حاضر است. این عمیقاً به ما یادآوری می کند که بسیاری از اکتشافات علمی بزرگ اغلب با مشاهده دقیق و تفکر عمیق در مورد پدیده های معمولی اطراف ما آغاز می شوند.
پیام شما باید بین 20 تا 3000 کاراکتر باشد!
