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接触角测量仪应用实例:狗尾草3D接触角测量以及超疏水材料表面的异构性

由于材料本身确证存在的化学多样性、表面粗糙度以及异构性的存在,事实上,98%以上的材料均存在各个视角条件下的接触角左、右的非轴对称性。而此时,测试接触角的最为有效的方法包括两种:

1、测试各视角条件下的不同的接触角变化。我们称为3D接触角测量。这是表征材料如上性质影响的最好的方法。

2、测试基于前进、后退角情况下的修正表面粗糙度、化学多样性后的本征接触角值。提醒注意的是,我们此处提及的是多个影响的综合修正而非简单到输入一个表面粗糙度值即认为可以得到本征接触角值。

我们对狗尾草进行了不同角度条件下的3D接触角测量。结果如下所示:

1、在与镜头水平方向时狗尾草的接触角值情况如下所示:

超疏水材料接触角值:狗尾草

2、与镜头方向垂直时,狗尾草的接触角变化情况如下所示。可以明显地看到图像中狗尾草的表面的绒毛。

狗尾草的超疏水接触角图谱

从如上两组图片我们可以得出初步的结论,即狗尾草沿表面的纹路向观测时是超疏水角度值,而垂直与叶片纹路结构时是普通疏水角度值。

当然,如狗尾草和水稻、竹叶等有明显的经、纬区别的纹路的样品表面有时比较容易区别开方向,对于硅片、晶圆等材料有时很难以区别方向,因而此时的测值具有明显的偶发性,即某视角条件下极可能满足要求,而换个视角时,可以接触角值却是不满足要求的。因而,测试不同视角条件下的3D接触角是我们的必然,也是应有之选。

更进一步地,我们对于沿纹路方向(超疏水方向)的前进、后退角进行了进一步测量,滚动角的角度值为12度。基于化学多样性、粗糙度修正后的本征接触角值为143.3609度。相关图谱如下所示:

动态接触角:前进、后退角图谱

同一张图片的原图如下所示:

 

对于如上图片采用不同的测量算法,进行测值,结果对比如下:

1、Young-Laplace方程拟合:可以明显看到拟合的轮廓线与液滴边缘完全不重全。测值失败。

Young-Laplace方程拟合

2、椭圆拟合法:也可以非常明显看到无论是左侧还是右侧均没有实现轮廓线与拟合线的重合。

3、切线法:分析角度值分别为158.4和143.2度。与阿莎算法测得的167.36和138.27存在不小的差距。测值数据的可信度比较低。

综合而言,Young-Laplace方程拟合法由于其轴对称的假设与测试要求,因而,在具体的存在化学多样性、表面粗糙度和异构性的条件下时,通常而言测值结果的可靠性低于阿莎算法。

椭圆拟合和切线法等几何量角器的量角法,由于其缺乏界面化学科学性支撑,测值结果的可信度一般。在实际应用中也无法适用很多具体实际的应用场合。

而正是这样的对比测值很明显的体现了阿莎算法的优越性。在无法避免化学多样性、异构性以及表面精糙度的情况下,非轴对称的真实液滴条件下的ADSA-RealDrop算法(阿莎算法)才是真正全才性算法,依托界面化学的基础公式也是最核心的Young-Laplace方程,进行全面优化,进而测试3D接触角和本征接触角,为本征材料的接触角值以及物理化学性质提供了最强大的工具。

 

   
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