Giới thiệu

Đo góc tiếp xúc được sử dụng rộng rãi như một kỹ thuật cơ bản để nghiên cứu và mô tả các hiện tượng bề mặt. Trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, các phép đo như vậy được thực hiện để tối ưu hóa độ bám dính của lớp phủ và hiểu được sự thấm ướt của chất lỏng trên chất nền rắn hoặc như một phần của quy trình kiểm soát chất lượng để kiểm tra hoạt hóa bề mặt cũng như các bước làm sạch bề mặt.

Cách cơ bản để các giọt chất lỏng được lắng đọng trên bề mặt mẫu rắn vẫn không thay đổi kể từ khi các phép đo góc tiếp xúc quang học được thiết lập: Một giọt chất lỏng được tạo ra ở đầu kim, sau đó được tiếp xúc cẩn thận và sau đó được chuyển lên bề mặt mẫu.

Cách lắng đọng này gặp phải những hạn chế khi bề mặt siêu kỵ nước hoặc tốc độ lắng đọng nhanh là một vấn đề. Ngoài ra, có thể thu được kết quả sai nếu quá trình lắng đọng giọt không được thực hiện rất cẩn thận. Có thể xảy ra sự thay đổi trong các góc tiếp xúc được đo giữa những người dùng khác nhau (xem Hình 1), trong khi việc thực hiện thí nghiệm càng độc lập với người dùng càng tốt là rất quan trọng.

Để tránh những thách thức tiềm ẩn này, Kruss đã phát triển và triển khai một kỹ thuật lắng  dựa trên áp suất thay thế, tạo ra giọt bằng tia chất lỏng được xác định rõ (được gọi là kim phun chất lỏng) trực tiếp trên chất nền (xem Hình 2). kim phun chất lỏng được tối ưu hóa để lắng đọng một giọt một cách cẩn thận nhất có thể, trong khi các kỹ thuật không có kim khác được báo cáo trong tài liệu đưa một lượng động năng đáng kể vào giọt, khiến giọt văng lên lên bề mặt. Do đó, góc tiếp xúc thu được từ ví dụ như giọt rơi mô tả kết quả của quá trình thấm ướt và thường nhỏ hơn đáng kể so với góc tiếp xúc thu được từ hệ thống định lượng kim.

Thử nghiệm

Các phép đo góc tiếp xúc tĩnh được thực hiện bằng Máy đo góc thấm ướt – DSA100 và được đánh giá bằng phần mềm ADVANCE. Để đảm bảo quá trình lắng đọng giọt có thể lặp lại và không phụ thuộc vào người dùng, một quy trình tự động đã được xác định trong phần mềm cho cả hai hệ thống lắng đọng.

Mỗi mẫu khác nhau được phân tích với cùng cài đặt ánh sáng và thuật toán lắp đặt. Các phép đo được thực hiện trong điều kiện môi trường xung quanh.

Các phép đo góc tiếp xúc đã được thực hiện trên 14 mẫu rất khác nhau:

• Hydrophilic surfaces (glass, smartphone display)
• Hydrophobic surfaces (P2i super-hydrophobic paper, polydimethylsiloxane PDMS)
• Technical polymers (polyethylene PE, polypropylene PP, polyamide PA6)
• Silicon wafers (wafer 1, wafer 2)
• Self-assembled monolayers on SiO₂ (dichloro­dimethylsilane DDMS, aminopropyl­tri­methoxy­silane APTMS)
• Rough surfaces (DDMS-silanized sand papers of grain sizes 500, 1000, and 1500)

Với các mẫu, Kruss đã bao phủ một phạm vi rộng các góc tiếp xúc với nước từ rất thấp (smartphone display) đến rất cao (P2i hydrophobic paper) và cả các mức độ đồng nhất bề mặt khác nhau (từ homogeneous SAMs đến các mẫu sand paper có độ nhám bề mặt vĩ mô ).

Tất cả các mẫu đều được làm sạch và sấy khô trước khi đo.

Kết quả

Kết quả đo góc tiếp xúc trên 14 mẫu được thể hiện ở Hình 3a và Hình 3b, với nước và diiodomethane lần lượt là chất lỏng thử nghiệm.

Đối với tất cả các mẫu, cả hai cách định lượng đều cho góc tiếp xúc tương đương và độ lệch chuẩn nhỏ.

Về tác động của quá trình lắng đọng kim lên góc tiếp xúc trên các bề mặt có độ trễ góc tiếp xúc cao như PDMS (xem hình 1), người ta có thể kết luận rằng kỹ thuật kim phun chất lỏng là cách lắng đọng giọt thậm chí còn cẩn thận hơn so với kim rắn, vì góc tiếp xúc thu được trên PDMS thậm chí còn cao hơn đối với PDS so với NDS [1].

Đối với diiodomethane là chất lỏng thử nghiệm thứ hai không phân cực, Kruss cũng thu được các góc tiếp xúc tương đương nhau cho cả hai loại liều lượng (Hình 3b). Đối với thủy tinh, góc tiếp xúc của các giọt 1 µL được định lượng bằng PDS nhỏ hơn đáng kể so với các giọt được định lượng bằng NDS. Điều này có thể được giải thích là do mật độ diiodomethane cao hơn so với nước, mang lại nhiều động năng hơn vào giọt. Một cách đơn giản để loại trừ ảnh hưởng của động năng bổ sung này đến các góc tiếp xúc là định lượng một thể tích giọt được khuyến nghị là 2 đến 2,5 µL thay vì 1 µL. Sau đó, động năng của tia chất lỏng tiêu tan trên một thể tích giọt lớn hơn và cả hai hệ thống định lượng đều tạo ra các góc tiếp xúc giống hệt nhau (các cột màu xanh lam đậm).

Trên các bề mặt siêu kỵ nước như P2i paper, không thể chuyển các giọt có thể tích nhỏ tới 3 µL lên bề mặt bằng NDS. Điều này là do năng lượng tự do bề mặt rất thấp (tương tác kết dính rất thấp) của mẫu này. Do đó, phải sử dụng các giọt 6 µL cho NDS (Hình 3a, thanh màu xanh lá cây). Ngược lại, các giọt có thể tích hầu như bất kỳ có thể được định lượng trên các mẫu như vậy bằng PDS. Đây là điều mà chúng tôi coi là điểm mạnh của PDS.

Việc đo hoàn toàn tự động 20 giọt bằng NDS và PDS thường mất khoảng 220 giây và 54 giây, khiến PDS trở thành kỹ thuật phân tích bề mặt nhanh hơn nhiều.

Tóm tắt

Kruss trình bày một phương pháp định lượng mới gọi là kim phun chất lỏng (Liquid Needle) dựa trên tia chất lỏng tạo thành giọt trên một chất nền rắn để đo góc tiếp xúc quang học tĩnh . Kỹ thuật mới này được so sánh với kỹ thuật cổ điển sử dụng kim phun chất rắn để định lượng trong một nghiên cứu về hai chất lỏng thử nghiệm phổ biến trên 14 chất nền rắn rất khác nhau.

Góc tiếp xúc thu được về cơ bản là giống hệt nhau đối với cả hai phương pháp lắng đọng giọt, trong khi phương pháp Kim phun chất lỏng có một số ưu điểm so với phương pháp cổ điển: các thí nghiệm nhanh hơn nhiều và có thể dễ dàng lắng đọng giọt trên bề mặt siêu kỵ nước.

Quan trọng nhất là, bất kỳ ảnh hưởng nào có thể xảy ra do người dùng và các vấn đề phát sinh với khả năng tái tạo kết quả đều hầu như bị loại trừ đối với kỹ thuật lắng đọng giọt mới này. Điều này sẽ giúp tăng thêm khả năng so sánh các góc tiếp xúc được đo bởi nhiều nhóm khác nhau. Tóm lại, Kruss tin rằng việc sử dụng Kim phun chất lỏng có lợi cho nhiều nghiên cứu về góc tiếp xúc và có thể trở thành một phương pháp tiêu chuẩn khác trong các phép đo góc tiếp xúc quang học .

Nguồn: