So sánh hệ thống định lượng kim rắn truyền thống và kim lỏng khi đo góc tiếp xúc

Phương pháp kim rắn và kim lỏng trong phân tích góc tiếp xúc

Việc nhỏ giọt bằng kim rắn (needle-deposition of sessile drops) là một phương pháp đã được thiết lập vững chắc trong phân tích góc tiếp xúc. Tuy nhiên, khách hàng thường báo cáo rằng kết quả góc tiếp xúc phụ thuộc vào người thực hiện, đồng thời gặp khó khăn khi nhỏ giọt trên các bề mặt siêu kỵ nước, hoặc yêu cầu tốc độ nhỏ giọt cao hơn.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi giới thiệu một kỹ thuật mới dựa trên kim lỏng (Liquid Needle) thay vì kim rắn. Ngoài ra, các nhà khoa của Kruss nhấn mạnh các phát hiện chính của một nghiên cứu khoa học được công bố trên Journal of Colloid and Polymer Science (DOI 10.1007/s00396-015-3823-1), trong đó cả hai kỹ thuật được so sánh kỹ lưỡng trên 14 loại bề mặt mẫu khác nhau.

Kết quả cho thấy góc tiếp xúc của giọt chất lỏng được định lượng bằng hai phương pháp là tương đồng. Hơn nữa, các sai sót tiềm ẩn của phương pháp kim rắn – nếu không được thực hiện cẩn thận – đã được loại bỏ nhờ kỹ thuật kim lỏng thay thế.

Bối cảnh thí nghiệm

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

Cách thức cơ bản để nhỏ giọt chất lỏng lên bề mặt mẫu rắn hầu như không thay đổi kể từ khi phép đo góc tiếp xúc quang học được thiết lập: Một giọt chất lỏng được tạo ra ở đầu kim, sau đó được đưa tiếp xúc và chuyển sang bề mặt mẫu.

Tuy nhiên, phương pháp này gặp hạn chế khi áp dụng cho các bề mặt siêu kỵ nước hoặc khi cần tốc độ nhỏ giọt nhanh. Ngoài ra, nếu việc nhỏ giọt không được thực hiện cẩn thận, kết quả có thể sai lệch. Sự khác biệt trong góc tiếp xúc đo được giữa các người dùng khác nhau có thể xảy ra, trong khi mục tiêu quan trọng là làm cho thí nghiệm ít phụ thuộc vào người thực hiện nhất có thể.

Để tránh những sai sót tiềm ẩn này, chúng tôi đã phát triển và triển khai một kỹ thuật định lượng dựa trên áp suất thay thế, trong đó giọt chất lỏng được hình thành bằng một tia chất lỏng được xác định rõ ràng (gọi là kim lỏng) trực tiếp trên bề mặt mẫu (xem Hình 2). Kim lỏng được tối ưu hóa để nhỏ giọt một cách cẩn thận nhất có thể, trong khi các kỹ thuật không dùng kim khác được báo cáo trong tài liệu lại đưa vào giọt một lượng năng lượng động đáng kể, khiến giọt “bắn tung” lên bề mặt.

Do đó, các góc tiếp xúc thu được từ ví dụ như giọt rơi mô tả kết quả của quá trình khử thấm và thường nhỏ hơn đáng kể so với các góc tiếp xúc thu được từ hệ thống định lượng bằng kim.

Kim lỏng – Hệ thống định lượng áp suất

Liquid Needle (kim lỏng) là một tia chất lỏng cực kỳ mảnh được tạo ra thông qua vòi định lượng bằng áp suất. Động lực học của nó vừa đủ để hình thành một dòng chất lỏng liên tục trong quá trình định lượng, nhưng vẫn nhỏ đủ để không ảnh hưởng đến góc tiếp xúc.

Việc định lượng có thể được thực hiện nhanh hơn nhiều (< 0,1 giây) với kim lỏng so với kim rắn. Nhờ điều kiện định lượng được chuẩn hóa, động lực học và do đó độ tin cậy của phương pháp không phụ thuộc vào quyết định của người sử dụng. Ngoài ra, việc nhỏ giọt trên các mẫu có độ kỵ nước rất cao trở nên dễ dàng hơn vì giọt không phải tách ra từ một môi trường khác (kim rắn).

Tính hợp lệ của phương pháp kim lỏng so với kim rắn cổ điển đã được chứng minh trong một nghiên cứu khoa học kỹ lưỡng, trong đó góc tiếp xúc được đo trên nhiều loại mẫu khác nhau, cho kết quả góc tiếp xúc giống nhau cho cả hai phương pháp định lượng.

Tiến hành thí nghiệm

Các phép đo góc tiếp xúc tĩnh được thực hiện bằng thiết bị Drop Shape Analyzer – DSA100 và được đánh giá bằng phần mềm ADVANCE. Để đảm bảo việc nhỏ giọt lặp lại và không phụ thuộc vào người dùng, một quy trình tự động đã được định nghĩa trong phần mềm cho cả hai hệ thống định lượng.

Mỗi mẫu khác nhau đều được phân tích với cùng cài đặt ánh sáng và thuật toán fitting. Các phép đo được tiến hành trong điều kiện môi trường xung quanh.

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

• Bề mặt ưa nước: kính, màn hình điện thoại thông minh
• Bề mặt kỵ nước: giấy siêu kỵ nước P2i, polydimethylsiloxane (PDMS)
• Polyme kỹ thuật: polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyamide (PA6)
• Tấm silicon wafer: wafer 1, wafer 2
• Lớp đơn tự sắp xếp trên SiO₂: dichlorodimethylsilane (DDMS), aminopropyltrimethoxysilane (APTMS)
• Bề mặt thô: giấy nhám được silan hóa bằng DDMS với kích thước hạt 500, 1000 và 1500

Với các mẫu này, chúng tôi đã bao phủ một phạm vi rộng của góc tiếp xúc với nước, từ rất thấp (màn hình điện thoại thông minh) đến rất cao (giấy kỵ nước P2i), cũng như các mức độ đồng nhất bề mặt khác nhau (từ lớp SAM đồng nhất đến mẫu giấy nhám có độ nhám bề mặt vĩ mô).

Tất cả các mẫu đều được làm sạch và sấy khô trước khi đo. Mô tả chi tiết về thiết lập thí nghiệm và chuẩn bị mẫu có thể được tìm thấy trong tài liệu tham khảo [1].

Kết quả thí nghiệm

Kết quả đo góc tiếp xúc trên 14 mẫu được thể hiện trong Hình 3a và Hình 3b, với nước và diiodomethane được sử dụng làm chất lỏng thử nghiệm.

Liên quan đến ảnh hưởng của việc nhỏ giọt bằng kim lên góc tiếp xúc trên các bề mặt có độ trễ góc tiếp xúc cao như PDMS (xem Hình 1), có thể kết luận rằng kim lỏng (PDS) là cách nhỏ giọt cẩn thận hơn so với kim rắn (NDS), vì góc tiếp xúc thu được trên PDMS thậm chí còn cao hơn đối với PDS so với NDS [1].

Đối với diiodomethane – chất lỏng thử nghiệm thứ hai, không phân cực – chúng tôi cũng thu được các góc tiếp xúc tương đương cho cả hai loại định lượng (Hình 3b). Trên bề mặt kính, góc tiếp xúc của giọt 1 µL được định lượng bằng PDS nhỏ hơn đáng kể so với NDS. Điều này có thể được giải thích bởi mật độ cao hơn của diiodomethane so với nước, khiến giọt mang nhiều năng lượng động hơn [1].

Một cách đơn giản để loại bỏ ảnh hưởng của năng lượng động bổ sung này lên góc tiếp xúc là định lượng với thể tích giọt khuyến nghị từ 2 đến 2,5 µL thay vì 1 µL. Khi đó, năng lượng động của tia lỏng sẽ phân tán trên thể tích giọt lớn hơn và cả hai hệ thống định lượng đều cho kết quả góc tiếp xúc giống nhau (cột màu xanh đậm).

Trên các bề mặt siêu kỵ nước như giấy P2i, không thể chuyển giọt có thể tích nhỏ 3 µL lên bề mặt bằng NDS. Nguyên nhân là do năng lượng tự do bề mặt rất thấp (tương tác bám dính rất thấp) của mẫu này. Do đó, giọt có thể tích 6 µL phải được sử dụng cho NDS (Hình 3a, cột màu xanh lá). Ngược lại, với PDS có thể định lượng giọt gần như ở mọi thể tích trên các mẫu như vậy. Đây là một ưu điểm nổi bật của PDS.

Việc đo hoàn toàn tự động 20 giọt bằng NDS và PDS thường mất khoảng 220 giây và 54 giây tương ứng, cho thấy PDS là một kỹ thuật nhanh hơn nhiều để phân tích bề mặt.

Kết luận

Hãng Kruss Scientific giới thiệu một phương pháp định lượng mới gọi là kim lỏng, dựa trên tia chất lỏng hình thành giọt trực tiếp trên bề mặt rắn để đo góc tiếp xúc quang học tĩnh. Kỹ thuật mới này được so sánh với phương pháp cổ điển sử dụng kim rắn trong một nghiên cứu với hai loại chất lỏng thử nghiệm phổ biến trên 14 loại bề mặt rắn khác nhau.

Các góc tiếp xúc thu được về cơ bản là giống nhau đối với cả hai phương pháp nhỏ giọt, trong khi phương pháp kim lỏng mang lại một số ưu điểm so với phương pháp cổ điển: thí nghiệm nhanh hơn và việc nhỏ giọt trên các bề mặt siêu kỵ nước trở nên dễ dàng hơn.

Quan trọng nhất, mọi ảnh hưởng tiềm ẩn từ người thực hiện và các vấn đề liên quan đến khả năng tái lập kết quả hầu như được loại bỏ với kỹ thuật nhỏ giọt mới này. Điều này sẽ giúp tăng cường khả năng so sánh các góc tiếp xúc được đo bởi nhiều nhóm nghiên cứu khác nhau.

Kết luận, chúng tôi tin rằng việc sử dụng kim lỏng là có lợi cho nhiều nghiên cứu về góc tiếp xúc và có thể trở thành một phương pháp tiêu chuẩn mới trong đo góc tiếp xúc quang học.

Mô tả chi tiết về tất cả các điều kiện thí nghiệm và thảo luận kết quả có thể được tìm thấy trong bài báo được công bố trên Journal of Colloid and Polymer Science [1].

Để tìm hiểu về các thiết bị phân tích về góc tiếp xúc, vui lòng liên hệ với chúng tôi để được hỗ trợ tư vấn trực tiếp.

Tài liệu tham khảo:

• [1] M. Jin, R. Sanedrin, D. Frese, C. Scheithauer and T. Willers, “Replacing the solid needle by a liquid one when measuring static and advancing contact angles”, Colloid Polym. Sci. 294(4), 657-665, DOI 10.1007/s00396-015-3823-1 (2016).
• Báo cáo nghiên cứu “Replacing the solid needle by a liquid one when measuring static contact angles” của hãng Kruss Scientific