Ảnh hưởng của độ nhám đến khả năng thấm hút của bề mặt vật liệu
Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt đến hành vi thấm ướt đã được biết đến rộng rãi và được Wenzel mô tả bằng một phương trình đơn giản trong lý thuyết của mình. Tuy nhiên, mức độ phù hợp của lý thuyết này khi áp dụng vào thực tế công nghiệp vẫn còn là câu hỏi cần được kiểm chứng. Để đánh giá, chúng tôi đã tạo các cấu trúc vi mô có độ chính xác cao trên wafer silicon bằng phương pháp ăn mòn ion phản ứng, đồng thời giữ nguyên cấu trúc hóa học bề mặt và không làm thay đổi năng lượng bề mặt tự do.
Hình thái vi cấu trúc của các bề mặt sau đó được xác định bằng kính hiển vi đồng tiêu nhằm thu thập các thông số cần thiết theo mô hình Wenzel. Kết quả đo góc tiếp xúc trên các mẫu có mức độ cấu trúc khác nhau lại cho thấy xu hướng trái ngược với dự đoán của lý thuyết.
Phát hiện này cho thấy rằng việc hiệu chỉnh dữ liệu góc tiếp xúc chỉ dựa trên giả định của Wenzel là không phù hợp. Tuy vậy, khi kết hợp đo độ nhám và góc tiếp xúc, trong thực tế có thể xây dựng được các mô hình thực nghiệm giúp phân tách và dự đoán riêng rẽ ảnh hưởng của độ nhám và năng lượng bề mặt lên khả năng thấm ướt.
Sự thấm ướt trên bề mặt có cấu trúc – trạng thái Cassie-Baxter và Wenzel
Bên cạnh thành phần hóa học, hình thái bề mặt cũng ảnh hưởng đáng kể đến hành vi thấm ướt. Có thể phân biệt hai trường hợp: nếu chất lỏng của giọt thấm vào các cấu trúc vi mô và thay thế phần không khí bên trong, trạng thái này được gọi là trạng thái Wenzel (Hình 1, bên trái). Nếu không khí vẫn còn bị giữ lại trong các cấu trúc, giọt ở trạng thái Cassie-Baxter (Hình 1, bên phải). [2]
Hình 1: Minh họa sơ đồ trạng thái Wenzel (trái) và Cassie-Baxter (phải) của giọt trên bề mặt có cấu trúc.
Trạng thái hình thành phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của cấu trúc, năng lượng bề mặt của vật liệu nền và sức căng bề mặt của chất lỏng.
Theo Wenzel, mối quan hệ giữa góc tiếp xúc Young θ trên bề mặt phẳng và góc tiếp xúc θ* trên bề mặt có cấu trúc của cùng vật liệu được mô tả như sau: [1]
Trong đó hệ số nhám r đặc trưng cho độ nhám bề mặt và được xác định bằng tỷ lệ giữa diện tích hình học thực tế và diện tích hình chiếu của các cấu trúc vi mô:
Do diện tích chiếu không thể lớn hơn diện tích thực, nên r luôn ≥ 1. Từ phương trình Wenzel có thể suy ra rằng khi bề mặt được tạo nhám, góc tiếp xúc sẽ giảm nếu θ < 90° và tăng nếu θ > 90°. Giá trị 90° cũng chính là ranh giới giữa bề mặt ưa nước và kỵ nước, vì vậy vật liệu ưa nước sẽ càng ưa nước hơn và vật liệu kỵ nước sẽ càng kỵ nước hơn sau khi tạo cấu trúc.
Về mặt lý thuyết, khi biết θ và r, việc dự đoán hành vi thấm ướt của bề mặt có cấu trúc trở nên khá đơn giản. Ngược lại, cũng có thể tách riêng ảnh hưởng của các quá trình kỹ thuật như phun cát hoặc hoạt hóa plasma lên độ nhám (r) và lên hóa học bề mặt (θ giả định trên bề mặt lý tưởng). Tuy nhiên, liệu phương trình Wenzel có thực sự cho phép hiệu chỉnh trực tiếp như vậy trong thực tế hay không chính là vấn đề được chúng tôi khảo sát trong báo cáo này.
Thí nghiệm thực tế trên bề mặt mẫu có độ nhám
Chuẩn bị mẫu
Các mẫu rắn được sử dụng là các chip silicon có cấu trúc khác nhau, được công ty 5microns GmbH (Ilmenau, Đức) cắt ra từ một wafer silicon. Các cấu trúc bề mặt được tạo theo hướng dị hướng bằng phương pháp ăn mòn ion phản ứng. Hình 2 trình bày sơ đồ minh họa các chip silicon có cấu trúc.
Các cấu trúc này là cấu trúc mở, khác với các cấu trúc đảo chiều dạng kín, cho phép không khí thoát ra ngoài khi bề mặt được làm ướt bởi chất lỏng. Chiều rộng rãnh A được thay đổi trong khoảng từ 5 đến 50 µm, kích thước cấu trúc B trong khoảng từ 10 đến 50 µm. Độ sâu mục tiêu của các cấu trúc đều là 5 µm. Bất kể hình dạng cấu trúc, tất cả các mẫu đều có cùng một cấu trúc hóa học bề mặt đồng nhất, là silicon dioxide.
Hệ số nhám r của các cấu trúc được sử dụng được tính theo công thức sau:
Phân tích cấu trúc bề mặt
Cấu trúc bề mặt của các chip silicon được đo bằng kính hiển vi đồng tiêu Twip Consigno. Thiết bị này sử dụng kỹ thuật vi thấu kính, cho phép thu được cường độ tín hiệu ánh sáng cao, nhờ đó có thể đo các mẫu rất tối màu hoặc thậm chí trong suốt với độ phân giải theo trục cao.
Các phương pháp phổ biến khác, chẳng hạn như phép đo tam giác hoặc chiếu ánh sáng vạch, bị hạn chế trong ứng dụng do nhiều yếu tố, ví dụ: phải giảm dải đo chiều cao để duy trì độ phân giải thấp, gặp khó khăn với các mẫu có khả năng phản xạ khác nhau, hoặc xuất hiện hiệu ứng “che bóng”, khiến một số cấu trúc bị khuất và không được ghi nhận.
Các phép đo được thực hiện với vật kính phóng đại 100×. Diện tích quét cho mỗi phép đo là 0,19 × 0,15 mm² với dải chiều cao 15 µm. Phần mềm “itom” được sử dụng cho quá trình đo và xử lý dữ liệu. Để xác định hệ số nhám r, bộ lọc cắt độ nhám 0,8 µm được áp dụng cho các ảnh thu được.
Đo góc tiếp xúc
Các phép đo góc tiếp xúc được thực hiện bằng thiết bị KRÜSS Drop Shape Analyzer – DSA100, sử dụng phần mềm ADVANCE. Trên mỗi chip silicon, năm giọt nước cất hai lần được đặt lên bề mặt bằng hệ thống định lượng kim được điều khiển bằng phần mềm, sau đó xác định góc tiếp xúc cân bằng (CA).
Thể tích mỗi giọt là 2 µL, tất cả các phép đo được tiến hành ở nhiệt độ 23 ± 0,5 °C. Kết quả được biểu diễn dưới dạng giá trị trung bình kèm theo độ lệch chuẩn cho mỗi mẫu.
Kết quả thực nghiệm
Hệ số nhám r tính toán và đo được
Hình 3 trình bày hình thái bề mặt của một mẫu có cấu trúc vi mô điển hình. Kích thước các cấu trúc quan sát được phù hợp tốt với các thông số do nhà sản xuất 5microns GmbH cung cấp.
Dựa trên các kích thước địa hình bề mặt đã đo được của các mẫu, phần mềm xác định hệ số nhám r dùng trong phương trình Wenzel. Hình 4 trình bày các giá trị r được xác định bằng thực nghiệm và các giá trị r được tính toán theo hình học thiết kế của cấu trúc đối với tất cả các mẫu được khảo sát. Các giá trị đo và giá trị lý thuyết cho thấy sự phù hợp tốt, với độ sai lệch lớn nhất nhỏ hơn 5% (mẫu 5-10).
Góc tiếp xúc
Để khảo sát liệu hành vi thấm ướt của các mẫu có cấu trúc có tuân theo dự đoán của mô hình Wenzel hay không, các phép đo góc tiếp xúc đã được thực hiện với nước làm chất lỏng thử (Hình 5). Đối với các cấu trúc có giá trị r thấp, cấu trúc vi mô vẫn có thể quan sát được một phần trong ảnh giọt đo được (xem Hình 5, phía dưới).
Sự sai lệch so với xu hướng được giả định theo Wenzel
Kết quả đo góc tiếp xúc được so sánh với các giá trị r tương ứng của các mẫu trong Hình 6. Đồng thời, đường xu hướng dự kiến theo phương trình Wenzel cũng được thể hiện, trong đó sử dụng giá trị góc tiếp xúc θ = 35,18° đo được trên chip silicon không có cấu trúc. Có thể thấy rõ rằng, trái với xu hướng được dự đoán dựa trên lý thuyết Wenzel, các giá trị góc tiếp xúc thu được lại thay đổi theo r theo chiều ngược lại. Cụ thể, một bề mặt ưa nước sau khi được tạo cấu trúc lại trở nên kỵ nước hơn, thay vì ưa nước hơn như dự đoán.
Sự không phù hợp giữa giá trị dự đoán và giá trị đo thực tế này có thể xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau; việc phân tích chi tiết các nguyên nhân đó sẽ vượt ra ngoài phạm vi của báo cáo này. Trong các tài liệu khoa học, đã có rất nhiều công bố nghiên cứu sâu về các điều kiện hình thành trạng thái Wenzel và Cassie–Baxter cũng như sự chuyển tiếp giữa hai trạng thái này. Người đọc quan tâm có thể tham khảo thêm công trình của Park và cộng sự [3].
Kết luận rõ ràng rút ra từ nghiên cứu của chúng tôi là: ngay cả với các cấu trúc bề mặt được kiểm soát rất chính xác và với nước là chất lỏng thử phổ biến nhất, việc dự đoán hành vi thấm ướt chỉ dựa trên phương trình Wenzel là không hề đơn giản. Mặc dù trong một số trường hợp, mối quan hệ Wenzel có thể cho phép dự đoán, nhưng trong thực tế, để thu được kết quả đáng tin cậy thì không thể thay thế các phép đo góc tiếp xúc kết hợp với việc đo đạc cấu trúc bề mặt bằng các phương pháp phù hợp như kính hiển vi confocal.
Phát triển mô hình thực nghiệm như một giải pháp thay thế khả thi
