זווית מגע של טיפת מים על משטח עמיד למים DWR Coated Surfaceעריכה
זווית המגע בשרך כלל מוגדרת כזווית הנמדדת בין משטח נוזל/גז לבין משטח מוצק. זה מכמת את יכולת הרטיבות של משטח מוצק על ידי נוזלים דרך משוואת יאנג. במערכת מסוימת של מוצקים, נוזל, והאדים בטמפרטורה ולחץ נתון יש זווית מגע שיווי משקל ייחודית.היסטרזה של זווית מגע נמצאת בתווך בין ז"מ לנוזל המתקדם על המוצק לבין ז"מ לנוזל הנסוג על המוצק. זווית המגע בשיווי המשקל נמצאת בין ערכים אלה, וניתנת בעזרתם לחישוב. זווית מגע בשיווי המשקל משקפת את יחסי הכוחות של האינטראקציה בין המולקולרית בנוזל, מוצק, והאדים.
מדידה, הבנת תופעה והסברת שווי משקל של זווית הרטבה מצד אחד נראה מאוד פשוט אבל בעצם יכול להיות די מבלבל ומסובך. הערך הזה בא בנסיון להסביר את התופעה הקיימת. ראשית נדון בטרמינלוגיה של תופעה הקיימת. ואז, נדון בקצרה בתאוריה של קשר שיווי משקל וזוויות מגע על משטחים חלקים, מחוספסים, או הטרוגניים. ובסוף נדון ביישומים פרקטיים של הטאוריה במדידת זווית מגע.
מערכות הכוללות מוצקים ונוזלים נמצאות בכל מקום, למשל קרקע ומים, מזון אבקה מים, עיניים ודמעות, נייר ודיו, מייסבים ושמן, קיר וצבע, ועוד רבים. תהליך של הבאת נוזל כדי ליצור קשר עם משטח מוצק, המכונה הרטבה, משך תשומת הלב מדעית על פני יותר ממאתיים שנה. הרטבה מתרחשת בדרך כלל בסביבה שיכולה להיות מורכבת מגז או מנוזל כלשהו שלא ניתן לערבוב (immiscible) לכל אחד מהם ניתן לקרוא נוזל. מערכת הרטבה מאופיינת בזווית מגע (ז"מ), אשר מוגדרת כזווית משיקה בין משטח נוזל-נוזל ומשיק למשטח מוצק בזווית מגע בין מצב תלת פאזי. ז"מ נמדדת בדרך כלל על הצד הנוזלי (כאשר מערכת מורכבת משני נוזלים, הזווית נמדדת על צד נוזל צפוף יותר). זווית מגע נמוכה פירושו שהמוצק רטוב היטב על ידי נוזל (משטח מוצק הידרופילי). בזמן שזווית מגע גבוהה מעידה על העדפה ליצירת קשר מוצק נוזל (משטח מוצק הידרופובי). כאשר התהליך הוא סטטי אנו נדון בזווית מגע סטטית בשיווי משקל (זמ"ס). כאשר מדובר בתהליך איטי (קוואזיסטטי) ניתן להגיד בקירוב שמדובר בתהליך שנמצא בשווי משקל ונמדוד זמ"ס.כאשר נדון בתהליכים דינמיים למשל ציפוי מתכת נגדיר זווית מגע דינמית (זמ"ד).
למרות שהגדרה כללית של ז"מ הוזכרה במבוא יש להגדיר תתי-הגדרות נוספות שנשתמש בהם בנסיבות שונות. סעיף זה מתאר אותם בצורה תמציתית, על מנת לשמש כנקודת ייחוס ולאפשר השוואה מהירה.
???? תמונה????
a מתאר ז"מ גאומטרי בצורות שונות לאותו גודל טיפה.
b ז"מ בפועל (actual).
c ז"מ נראת לעין (apparent).
ז"מ גאומטרי - הוא אחד שמחושב באמצעות שיקולים גיאומטריים בלבד, ללא קשר אם המערכת היא בשיווי המשקל. היא משמשת כמשתנה בלתי תלוי לחישוב כל מצבי האנרגיה של גיבס האפשריים של המערכת. לדוגמא, עבור טיפה כדורית אקסיסימטרית (בהעדר גרויטציה), הקשר מתמטי
מיוצג כיחס של בסיס טיפה (rb) והנפח שלה (V).
זווית מגה אידאלית – זה שווי משקל שהנוזל עושה עם משטח מוצק אידיאלי. משטח אידאלי מוגדר כחלק, קשה,הומוגני כימי, לא מסיס ולא מגיב.
ז"מ בפועל - הוא ז"מ בשיווי המשקל המקומי בנקודה על פני השטח מוצק שעשוי להיות מחוספס או כימי הטרוגנית.
ז"מ נראת לעין (apparent) - היא ז"מ בשיווי משקל הנמדד בעזרת מיקרוסקופ על משטח מוצק שעשויה להיות מחוספס או
כימי הטרוגנית. הטופוגרפיה מפורטת של משטח מוצק מחוספס לא ניתנת לצפיה עם אמצעים אופטיים
רגילים, לכן ז"מ מוגדרת בין משיק למשטח נוזל-נוזל ומשטח מוצק.
ז"מ לנוזל המתקדם על המוצק - היא ז"מ הגבוהה ביותר האפשרי שניתן להשיג למערכת הרטבה נתונה. בדרך כלל זה מתממש על ידי הגדלת היקף טיפה.
ז"מ לנוזל הנסוג על המוצק - היא ז"מ הנמוכה ביותר האפשרי שניתן להשיג למערכת הרטבה נתונה. בדרך כלל זה מתממש על ידי הקטנת היקף טיפה.
ז"מ דינמי – היא ז"מ הנמדדת כשיש תנועה היחסית בין נוזל ומוצק במהירויות ידועות. הערך שלו תלוי במהירות קו מגע.
מצב שיווי משקל של מערכת הרטבה בלחץ וטמפרטורה קבועים מושג כאשר אנרגית גיבס היא מינימאלית. אנרגית גיבס (G) של מערכת הרטבה במשטח אידאלי מתוארת על ידי נוסחא הבאה :
כאשר - Alf שטח נוזל-גז, Asl - שטח נוזל-מוצק ,Asf – שטח מוצק-גז ו- Atotal זה שטח כולל של משטח מגע מוצק.
constant = Atotal = Asl + Asf
זווית המגע ייחודית לכל שילוב חומרים, עם זאת, ישנם מקרים בהם ניתן להעריך את גודלה א-פריורית.
זווית המגע והגדלים המשפיעים על ערכה מקושרים במשוואת יאנג המוצגת בהמשך.
הנחת היסוד של הניתוח התרמודינמי היא שיווי משקל בין שלוש הפאזות: המוצקה של פני השטח (תסומן כ S), הנוזלית של הטיפה (L) והגזית של הסביבה (V). בשיווי משקל הפוטנציאל הכימי של שלוש הפאזות שווה. הניתוח הנוח מבחינה תרמודינמית מסתמך על אנרגיות פני שטח:
אנרגיית פני השטח מוצק-גז תסומן כ γSV. אנרגיית פני השטח מוצק-נוזל תסומן כ γSL. אנרגיית פני השטח נוזל-גז תסומן כ γ. משוואת יאנג קובעת:
בהינתן אנרגיות פני שטח אחרות, ניתן להעריך מזווית המגע את אנרגיית הממשק המבוקשת. וזאת ע"פ משוואת יאנג דופרה:
כאשר היא אנרגיית האדהזיה בין המוצק (S) ובין הנוזל (L) בסביבת הגז (V), מנורמלת ליחידת שטח.
אם אנחנו נוסיף כמות מים קטנה לטיפת מים נתונה נפה בתופעה הבאה הטיפה תשאר במקום אבל זווית מגע תתחיל לגדול. באותו אופן אם נחסיר מים מטיפת מים היא תשאר במקום אבל ז"מ תקטן. מתוצאות של תופעה זו ניתן להסיק שלטיפת מים יש ספקטרום של זוויות מגע שנע בין ז"מ לנוזל המתקדם על המוצק מקסימלי () לבין ז"מ של נוזל הניסוג ממוצק מינימלית (). ז"מ בש"מ של יאנג נמצאת בטווח הזה והיסטרזה של זווית מגע מוגדרת כהפרש בין ז"מ לנוזל המתקדם על המוצק מקסימלי פחות ז"מ של נוזל הניסוג ממוצק מינימלית.
???נוסחה????
כאשר היא זווית המגע בשיווי משקל. עם זאת לא בכל תנאי ניתן לשתמש במשוואת יאנג, משום שהיא מניחה פני שטח חלקים למהדרין, בעוד במציאות ישנם חיספוסים ואי ניקיונות. בכדי לחשב את זווית המגע בדיוק רב יותר יש להתחשב בזווית המגע הגבוהה ביותר (שתוסמן באות A) ובנמוכה ביותר, שתסומן באות (R):[1]
כאשר:
ו:
על משטח בעל חיספוס או זיהום תהיה גם תופעת היסטרזה בזווית מגע אבל עכשיו זווית מגע בש"מ של אינג הופכת להיות מקומית בלבד ותשתנה בין נקודה לנקודה במשטח. ע"פ משוואת יאנג דופרה אנרגית אדהזיה משתנה מנקודה לנקודה וטיפת מים במצב זה תצטרך לעבור מחסום אנרגטי מסויים כדי להרטיב משטח. אחד התוצאות של המחסום האנרגטי הזה מתבטא בהיסטרזה של ז"מ, היקף הרטבה, וכמובן ז"מ הניתנת למדידה (במקרים האילו הופכת להיות חישוב של ממוצע לאורך קו מגע) המדידה תלויה גם האם זווית ניסוגה או מתקדמת.
נוזל תמיד מתקדם על משטח שהיה לפני יבש וניסוג ממשטח שהיה רטוב, לכן ניתן למדוד היסטרזה של ז"מ על ידי חשיפה של משטח לפני מדידה למגע עם נוזל כלשהו (על ידי ריאקציה כימית, ספיגה וכו'). בנוסף לכך אם נוכל לבקר על תהליכים אילו נוכל לקבל זויות מגע שניתנות למדידה כתלות בזמן.
זווית מגע רגישות במיוחד לזיהומים מכל סוג, ערכים לשחזור טובים יותר מאשר כמה מעלות מתקבלים בדרך כלל רק בתנאי מעבדה עם נוזלים מזוקקים ומשטחים מאוד נקיים ללא שום זיהום. אם מולקולות של הנוזל נמשכות מאוד למולקולות משטח מוצק אז טיפת הנוזל תתפזר לחלוטין על המשטח המוצק, מצב זה מתאים לזווית מגע של 0 °. תופעה זו קורה לעתים קרובות לטיפות מים על מתכת חשופה או משטחי קרמיקה, למרות הנוכחות של שכבת תחמוצת או זיהומים, משטח מוצק יכול להגדיל באופן משמעותי את זווית המגע. באופן כללי, אם זווית מגע של טיפת מים היא קטן יותר מאשר 90 °, משטח המוצק נחשב הידרופילי ואם זווית מגע של טיפת מים היא גדולה יותר מאשר 90 °, המשטח המוצק נחשב הידרופובי. פולימרים רבים נחשבים בעלי משטחים הידרופוביים. משטחים הידרופוביים במיוחד הם בעלי אנרגיית שטח נמוכה (למשל: פלואור), יכולים להיות חומרים בעלי זוויות מגע של טיפת מים גבוהות ככל ~ 120 °. חומרים מסוימים עם משטחים מחוספס מאוד יכולים להיות בעלי זווית מגע של טיפת מים גדולה עוד יותר מאשר 150 °, בשל נוכחותם של כיסי אוויר מתחת לטיפת הנוזל. אלה נקראים משטחים (superhydrophobic).
אם זווית המגע נמדדת באמצעות הגז במקום בנוזל, אז זה צריך להיות מוחלף על ידי 180 ° מינוס מהערך הנתון שלהם. זוויות מגע קיימות גם על המשטים של שני נוזלים, למרות שהם נפוצים יותר במוצרים מוצקים כגון מחבתות טפלון ובדים עמיד למים.
הדרך הפשוטה ביותר למדוד זווית מגע היא טפטוף טיפת נוזל על פני משטח מפולס ומדידת הזווית הנוצרת בין הטיפה לבין המשטח.המדידה נעשית באמצעות סוג מיוחד של מד זווית המכונה "גוניומטר". הגוניומטר מכיל גם אמצעי הגדלה וצילום אופטיים לצורך המדידה.
מדידה סטטית - בשיטה זו מטפטפטים טיפה על פני השטח, ממתינים להתייצבות המערכות, ואז מודדים את זווית המגע. נהוג לחזור על מדידה זו בשלושה מקומות שונים על פני השטח ולחשב תוחלת וסטיית תקן. ערך התוחלת יהיה זווית המגע בין הנוזל למוצק, וסטיית התקן מאפשרת לכמת עד כמה פני השטח אחידים. ככל שסטיית התקן קטנה יותר הדבר מראה על אחידות גבוהה יותר.
מדידה דינמית - בשיטה זו מטפטפטים טיפה על פני השטח, ממתינים להתייצבות המערכות, ואז מודדים את זווית המגע. אחר כך מגדילים את נפח הטיפה ומודדים זווית מגע, כך חמש פעמים. אחר כך גורעים נפח מהטיפה ומודדים את זווית המגע, כך חמש פעמים. בשלב זה מחשבים תוחלת וסטיית תקן למדידות שנעשו תוך הגדלת נפח הטיפה, וכן למדידות שנעשו תוך כדי גריעת נפח הטיפה. ההפרש בין התוחלות מכונה "חשל" (היסטרזיס), וגודל זה אינדיקטיבי לאחידות פני השטח. כאשר חשל הקטן מעשר מעלות מראה על פני שטח אחידים. התוחלת היא זווית המגע בין הנוזל למוצק.
אחת התכונות החשובות של פני שטח הן הידרופוביות והידרופיליות.
כאשר פני שטח המושכים מים מכונים "הידרופיליים", ופני שטח הדוחים מים מכונים "הידרופוביים".
הדרך המקובלת להערכת ההידרופוביות או ההידרופיליות של פני השטח היא מדידת זווית המגע בין פני השטח לבין המים.
^Rafael Tadmor (2004). "Line energy and the relation between advancing, receding and Young contact angles". Langmuir, 20, 7659-7664, (2004). ISBN 0743-7463.
![{\displaystyle r_{\mathrm {A} }={\sqrt[{3}]{\frac {\sin ^{3}{\theta _{\mathrm {A} }}}{2-3\cos {\theta _{\mathrm {A} }}+\cos ^{3}{\theta _{\mathrm {A} }}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/303036425a985464f69c89b243cbf97a058dce90)
![{\displaystyle r_{\mathrm {R} }={\sqrt[{3}]{\frac {\sin ^{3}{\theta _{\mathrm {R} }}}{2-3\cos {\theta _{\mathrm {R} }}+\cos ^{3}{\theta _{\mathrm {R} }}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e862e78db98a2ab3c608e4cfecbcbe182e2a169b)
