ไขความลับมุมสัมผัสของน้ำ: หยดน้ำเล็กๆ โลกกว้างใหญ่

ในชีวิตประจำวัน เรามักจะสังเกตเห็นฉากต่างๆ เช่น หยาดน้ำค้างบนใบบัวที่ใสสะอาดเหมือนไข่มุกกลิ้งไปมา ในขณะที่หยดน้ำแผ่กระจายออกเป็นแผ่นฟิล์มบนพื้นผิวกระจก เบื้องหลังสิ่งนี้คือแนวคิดสำคัญในวิทยาศาสตร์พื้นผิว—มุมสัมผัสของน้ำ (WCA) ไม่เพียงแต่เป็นการแสดงออกที่เข้าใจง่ายของการโต้ตอบระหว่างของเหลวกับพื้นผิวของแข็งเท่านั้น แต่ยังเป็นตัวชี้วัดหลักในการวัดความสามารถในการเปียกของพื้นผิววัสดุอีกด้วย

มุมสัมผัสของน้ำคืออะไร?

มุมสัมผัสของน้ำ ตามชื่อที่แนะนำ คือมุม ณ จุดที่หยดของเหลว (โดยปกติคือน้ำ) ก๊าซ และของแข็งตัดกันบนพื้นผิวของแข็งที่เรียบและสม่ำเสมอ เป็นมุมระหว่างเส้นสัมผัสของรอยต่อของเหลว-ก๊าซและรอยต่อของแข็ง-ของเหลว โดยปกติจะแสดงด้วยตัวอักษรกรีก θ.

มุมง่ายๆ นี้กำหนดว่าวัสดุนั้น "ชอบน้ำ" หรือ "ไม่ชอบน้ำ":

θ < 90°: พื้นผิวชอบน้ำ หยดน้ำมีแนวโน้มที่จะแผ่กระจายออกไป ซึ่งบ่งบอกถึงความสามารถในการเปียกที่ดีกับพื้นผิวของแข็ง ตัวอย่าง: กระจก, พื้นผิวโลหะที่สะอาด, ผ้าฝ้าย

ชอบน้ำมาก: θ เข้าใกล้ 0° หยดน้ำเกือบจะแบนราบสนิท ก่อตัวเป็นฟิล์มน้ำบางๆ

θ > 90°: พื้นผิวไม่ชอบน้ำ** หยดน้ำมีแนวโน้มที่จะยังคงเป็นทรงกลมและกลิ้งออกไปได้ง่าย ตัวอย่าง: ใบบัว, กระดาษไข, สารเคลือบเสื้อกันฝน

ไม่ชอบน้ำมาก: θ > 150° มักเรียกว่าพื้นผิว Superhydrophobic หยดน้ำก่อตัวเป็นทรงกลมเกือบสมบูรณ์แบบ กลิ้งออกไปได้ง่ายมาก และดึงสิ่งสกปรกออกจากพื้นผิว—นี่คือ "Lotus Effect" ที่มีชื่อเสียง

θ = 180°: สภาวะทางทฤษฎีของการไม่เปียกที่สมบูรณ์ ซึ่งแทบจะไม่เคยมีอยู่จริง

ทำไมมุมสัมผัสจึงสำคัญมาก?

มุมสัมผัสเป็นมากกว่าแนวคิดทางทฤษฎี มันมีบทบาทสำคัญในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม

1. ความสะอาดของพื้นผิวและการป้องกันการเปรอะเปื้อน: พื้นผิว Superhydrophobic (มุมสัมผัสสูง) ทำความสะอาดตัวเองได้ เมื่อหยดน้ำฝนกลิ้งออกไป พวกมันจะดูดซับและพัดพาฝุ่นและสิ่งปนเปื้อนออกไป หลักการนี้ถูกนำไปใช้ในการเคลือบภายนอกอาคาร กระจกรถยนต์และหน้าต่าง สิ่งทอ และเครื่องแต่งกายกลางแจ้ง

2. อุตสาหกรรมการเคลือบและการพิมพ์: ในกระบวนการพิมพ์ พ่น และย้อม หมึกหรือสารเคลือบต้องเปียกพื้นผิวได้ดี (มุมสัมผัสต่ำ) เพื่อให้แน่ใจว่าการเคลือบมีความสม่ำเสมอและการยึดเกาะ การวัดมุมสัมผัสช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการเหล่านี้

3. ไมโครฟลูอิดิกส์และไบโอชิป: ในช่องชิปขนาดไมครอน การไหลของของเหลวถูกครอบงำโดยแรงตึงผิวทั้งหมด ด้วยการควบคุมมุมสัมผัสอย่างแม่นยำ (ชอบน้ำหรือไม่ชอบน้ำ) ในพื้นที่ต่างๆ นักวิทยาศาสตร์สามารถจัดการทิศทางของของเหลว การผสม และการแยกเหมือนการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์

4. การแพทย์และวัสดุชีวภาพ: ความสามารถในการเปียกของพื้นผิวของอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ฝังในร่างกายมนุษย์ (เช่น ข้อต่อเทียม, ขดลวดหลอดเลือดหัวใจ) เป็นสิ่งสำคัญ พื้นผิวชอบน้ำมักจะส่งเสริมการยึดเกาะของเซลล์และการเจริญเติบโตของเนื้อเยื่อ ในขณะที่พื้นผิวที่ไม่ชอบน้ำบางชนิดอาจต้านทานการดูดซับโปรตีนและการแข็งตัวของเลือด

5. พลังงานใหม่และสารกึ่งตัวนำ: ในเซลล์เชื้อเพลิง มุมสัมผัสบนพื้นผิวอิเล็กโทรดส่งผลต่อประสิทธิภาพการจัดการน้ำ ในกระบวนการพิมพ์หินของการผลิตสารกึ่งตัวนำ ความสามารถในการเปียกของโฟโตรีซิสต์บนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนส่งผลกระทบโดยตรงต่อความแม่นยำของรูปแบบ

วัดมุมสัมผัสอย่างไร?

วิธีวัดที่พบมากที่สุดและคลาสสิกที่สุดคือวิธี Sessile Drop

1. ใช้ไมโครไซรินจ์ที่มีความแม่นยำในการผลิตหยดเล็กๆ ที่เสถียร (โดยทั่วไป 2-5 ไมโครลิตร) บนพื้นผิวตัวอย่าง

2. Contact Angle Goniometer ที่ติดตั้งกล้องความละเอียดสูงและแหล่งกำเนิดแสงจะจับภาพด้านข้างของหยดน้ำ

3. ซอฟต์แวร์วิเคราะห์ภาพ โดยอัตโนมัติจะพอดีกับเส้นสัมผัสที่จุดสามจุดของแข็ง-ของเหลว-ก๊าซ และคำนวณค่ามุม

สำหรับข้อมูลที่ถูกต้องและครอบคลุมมากขึ้น บางครั้งจะมีการวัดมุม Advancing Angle และ Receding Angle ความแตกต่างระหว่างทั้งสองเรียกว่า Contact Angle Hysteresis ซึ่งมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับความขรุขระของพื้นผิวและความไม่เป็นเนื้อเดียวกันทางเคมี

นอกเหนือจากน้ำ: การใช้งานที่กว้างขึ้น

แม้ว่าจะเรียกว่า "มุมสัมผัสของน้ำ" แต่ของเหลวที่วัดได้ไม่ได้จำกัดอยู่แค่น้ำเท่านั้น ขึ้นอยู่กับการใช้งาน สามารถใช้ของเหลวต่างๆ (เช่น น้ำมัน เลือด อิเล็กโทรไลต์) เพื่อประเมินความสามารถในการเปียกของพื้นผิวกับของเหลวเฉพาะได้ สิ่งนี้มีความสำคัญเท่าเทียมกันสำหรับสาขาต่างๆ เช่น สารหล่อลื่น เครื่องสำอาง และอุตสาหกรรมอาหาร