Metoda uwięzionej bańki

Metoda uwięzionych pęcherzyków to metoda pomiaru kąta zwilżania cieczy i ciała stałego za pomocą analizy kształtu kropli . W metodzie tej pęcherzyk powietrza wstrzykuje się pod ciało stałe, którego powierzchnia znajduje się w cieczy , zamiast umieszczać kroplę na ciele stałym , jak w technice siedzącej kropli .

Metoda jest szczególnie odpowiednia dla ciał stałych o wysokiej energii swobodnej powierzchni , na których rozlewają się ciecze. Hydrożele , takie jak na przykład miękkie soczewki kontaktowe , są również niedostępne dla standardowego układu; w takich przypadkach stosuje się również metodę baniek uwięzionych. Metoda uwięzionych pęcherzyków to naukowa metoda pomiaru kąta kontaktu między powierzchnią stałą a cieczą w płynie. Kąt zwilżania powstaje na gładkiej, okresowo niejednorodnej powierzchni ciała stałego. Powyżej powierzchni ciała stałego kropla cieczy zanurza się w cieczy. Pomiar kątów zwilżania zwykle przyczynia się do pomiaru energii powierzchniowej ciał stałych w przemyśle. W odróżnieniu od innych metod pomiaru kąta zwilżania, takich jak metoda siedzącej kropli , system wykorzystywany w metodzie uwięzionych pęcherzyków ma pęcherzyk płynu przymocowany od dołu do powierzchni ciała stałego, w którym zarówno pęcherzyk cieczy, jak i ciało stałe oddziałują z płynem .

Zastosowanie i jego znaczenie

Energia powierzchniowa ciał stałych

Gdy układ powstaje ze stałej powierzchni i kropli cieczy, minima i maksima energii są wytwarzane przez energię swobodną układu. Gdy powierzchnia ciała stałego jest szorstka lub jednorodna, układ, który składa się z ciała stałego, cieczy i płynu, może mieć wiele minimów wytwarzanych z energii swobodnej w różnych punktach minimów. Jedno z tych minimów nazywa się minimum globalnym. Globalne minimum ma najniższą energię swobodną w systemie i jest definiowane jako stabilny stan równowagi. Ponadto pozostałe minima ilustrują metastabilne stany równowagi układu. Pomiędzy tymi minimami znajdują się bariery energetyczne, które utrudniają ruch energii między różnymi stanami metastabilnymi w systemie. Na przejście energii między stanami metastabilnymi wpływa również dostępność energii zewnętrznej układu, która jest również związana z objętością kropli cieczy na powierzchni ciała stałego. Podobnie objętość cieczy może potencjalnie mieć wpływ na położenie punktów minimalnych, co może wpływać na kąty zwilżania tworzone przez ciało stałe i ciecz. Poza tym kąty zwilżania są bezpośrednio związane z tym, czy dana powierzchnia jest idealna, innymi słowy, czy jest to gładka, niejednorodna powierzchnia.

W metodzie uwięzionej bańki bąbelek wskazujący kroplę cieczy tworzy kąt z powierzchnią stałą, który nazywa się kątem zwilżania. Stabilność fazy ciekłej na ciele stałym mierzy się za pomocą wewnętrznego kąta zwilżania. Teoretycznie kąt zwilżania jest równy wartości lokalnego samoistnego kąta zwilżania przy założeniu pomijalnego wpływu naprężenia linii.

Analiza powierzchni membrany odwróconej osmozy

Pomiar kątów zwilżania metodą Captive Bubble może być również przydatny w analizie powierzchni membrany odwróconej osmozy do badania wydajności membrany. Poprzez analizę kątów zwilżania można określić właściwości membran, takie jak chropowatość. Chropowatość membran, która wskazuje efektywną powierzchnię, może dodatkowo prowadzić do badania właściwości hydrofilowych i hydrofobowych powierzchni. Dzięki badaniom wyższy kąt zwilżania może odpowiadać bardziej hydrofobowej powierzchni w analizie membranowej. Podczas wykonywania metody Captive Bubble w analizie membranowej kilka czynników może mieć wpływ na kąt zwilżania, w tym objętość pęcherzyka, rodzaje cieczy i napięcia.

W aparacie metody uwięzionych pęcherzyków w analizie membranowej próbka membrany jest przymocowana do kawałka szkła, podczas gdy igła w kształcie litery J jest wprowadzana od spodu szkła do cieczy w celu uwolnienia pęcherzyków powietrza. W tym przypadku kąt zwilżania między pęcherzykiem powietrza a powierzchnią szkła jest rejestrowany w funkcji czasu w celu zbadania wpływu czasu pomiaru.

Napięcia powierzchniowe materiału aktywnego powierzchniowo w płucach

W porównaniu z zastosowaniem metody uwięzionych pęcherzyków do pomiaru kątów zwilżania w innych przypadkach, kąt zwilżania w badaniu płucnej monowarstwy surfaktantu jest utrzymywany na stałym poziomie 180 stopni, co wynika z właściwości uwodnionego żelu agarowego o sufit bańki. System zastosowany w badaniu płucnego środka powierzchniowo czynnego ma być systemem szczelnym, zapewniającym niezależność warstwy powierzchniowej pęcherzyków od innych materiałów i substancji, takich jak plastikowe ściany, bariery i wyloty. Zamiast dodawać dodatkowe rurki lub przebijać igłą interfejs powietrze-woda pęcherzyków, ten zamknięty system jest tworzony poprzez regulację ciśnienia w zamkniętej komorze próbki poprzez dodawanie lub usuwanie mediów wodnych w celu regulacji wielkości pęcherzyków i napięcia powierzchniowego nierozpuszczalnych błon w pęcherzyku powierzchnia.

Ponieważ objętość pęcherzyków jest kontrolowana poprzez modyfikację ciśnienia w komorze próbki, pole powierzchni i napięcie powierzchniowe warstewki środka powierzchniowo czynnego na powierzchni pęcherzyka zmniejszają się wraz ze zmniejszaniem się objętości pęcherzyka.

Kształt pęcherzyków w tym przypadku może zmieniać się od kształtu kulistego do owalnego w zależności od napięcia powierzchniowego, które można obliczyć poprzez pomiar wysokości i średnicy pęcherzyków. Oprócz pomiaru napięcia powierzchniowego tworzenie się pęcherzyków można również wykorzystać do pomiaru adsorpcji płucnego środka powierzchniowo czynnego, co określa, jak szybko substancje gromadzą się na granicy faz powietrze-ciecz płucnych środków powierzchniowo czynnych, tworząc warstwę.

Istnieją dwie metody pomiaru adsorpcji za pomocą uwięzionych pęcherzyków:

1. Jedną z metod tworzenia pęcherzyków do pomiaru adsorpcji jest rozpoczęcie od małego pęcherzyka o średnicy 2–3 mm w komorze o średnicy 10 mm, a następnie jego rozprężenie lub ściśnięcie. Pęcherzyk najpierw wprowadza się do komory za pomocą małej plastikowej rurki przymocowanej do 50 µl mikrostrzykawki. Następnie jest rozprężany poprzez nagły spadek ciśnienia wewnątrz uwięzionej bańki lub zwiększenie objętości komory poprzez ruch tłoka na końcu szklanego cylindra. Aby obliczyć dokładną szybkość adsorpcji, należy wziąć pod uwagę początkową ilość środka powierzchniowo czynnego na powierzchni pęcherzyka przed modyfikacją objętości.
2. Inną metodą pomiaru adsorpcji jest rozpoczęcie pęcherzyka o stałej objętości zamiast określonego rozmiaru lub średnicy za pomocą igły na dolnym wlocie komory pęcherzykowej. Stała objętość na początek to zwykle 200 ml, czyli około 7 mm średnicy. Podobnie jak w przypadku pierwszej metody, w celu dokładnej oceny szybkości adsorpcji należy obliczyć gromadzenie się materiału na powierzchni pęcherzyka podczas tworzenia się pęcherzyka.

Porównania między metodą kropli siedzącej a metodą uwięzionych bąbelków

Metoda kropli siedzącej jest również jednym z popularnych sposobów pomiaru kątów zwilżania poprzez umieszczenie dwuwymiarowej kropli na stałej powierzchni i kontrolowanie objętości cieczy w kropli. Metoda siedzącej kropli i metoda uwięzionych bąbelków są zwykle wymienne w przeprowadzaniu eksperymentów, ponieważ mają wspólną właściwość symetrii. W szczególności oś symetrii kropli i bąbelka w obu metodach powoduje, że linia styku kropli cieczy z powierzchnią ciała stałego jest okrągła, co w związku z tym tworzy obserwowalny kąt zwilżania odpowiadający każdemu promieniowi zwilżania kropli i bąbelka.

Jednak w przypadku interakcji z chropowatą, jednorodną powierzchnią podczas pomiarów kątów zwilżania, kropla i bąbelek w obu metodach wykazują różne zachowania w procesie pomiarowym, które są związane z objętością cieczy i kątami zwilżania.

1. Na szorstkiej jednorodnej powierzchni obserwowany kąt zwilżania może nie odzwierciedlać rzeczywistego kąta zwilżania z lokalnym nachyleniem, ponieważ może nie być obserwowalny na szorstkiej powierzchni. Obserwowany kąt zwilżania na szorstkiej powierzchni jest również nazywany kątem pozornym, który jest równoważny sumie wewnętrznego kąta zwilżania i lokalnego nachylenia powierzchni przy stycznej nachylenia kontaktu dla kropli lub pęcherzyka. W przypadku metody siedzącej kropli obserwowany kąt zwilżania zwykle niedoszacowywał wewnętrznego kąta zwilżania, podczas gdy obserwowany kąt zwilżania w metodzie uwięzionego pęcherzyka przeszacowywał wewnętrzny kąt zwilżania szorstkiej powierzchni.
2. Jeżeli sporządzony zostanie wykres odpowiednio dla pomiarów kątów zwilżania metodą kropli siedzącej i metody uwięzionego pęcherzyka, dotyczący objętości cieczy w kropli lub pęcherzyku oraz zmierzonego kąta zwilżania, to zależności geometryczne ilustrują różne charakterystyki dla każdej metody. Biorąc pod uwagę związek między kątami zwilżania a pozycją styku dla określonej objętości kropli lub pęcherzyka, najwyższe i najniższe możliwe kąty zwilżania w stosunku do objętości zależą od siebie w różny sposób w obu metodach.
3. Dla amplitudy oscylacji pokazanej na wykresie zarówno kropla, jak i uwięziona bańka wykazują podobny rząd wielkości przy stosunkowo niskim kącie zwilżania. Z drugiej strony, na chropowatej powierzchni o stosunkowo dużym kącie zwilżania, pokazana amplituda kropli jest większa niż w przypadku uwięzionego pęcherzyka. Amplituda oscylacji najniższego, najwyższego możliwego kąta zwilżania pokazuje różnicę dla metody kropelkowej i metody uwięzionego pęcherzyka, w której amplituda wykresu metody uwięzionego pęcherzyka jest stosunkowo większa niż wykresu metody siedzącej kropli.
4. Jeśli chodzi o długość fali na wykresie, długość fali dla obu metod obejmuje duży zakres objętości cieczy na powierzchni ciała stałego. Różnice w zachowaniu kropli i bańki wahają się od najniższych możliwych kątów zwilżania do najwyższych możliwych kątów zwilżania.