זווית מגע

זווית מגע היא מאפיין של מערכות הרטבה, והיא מוגדרת כזווית בין המשיק לממשק נוזל-גז והמשיק למממשק מוצק-נוזל בנקודת החיתוך שלהם, היכן שקיים מגע בין שלוש פאזות. מערכות הכוללות מוצקים ונוזלים נמצאות בכל מקום, למשל קרקע ומים, מזון אבקה ומים, עיניים ודמעות, נייר ודיו, מייסבים ושמן, קיר וצבע, ועוד רבים. תהליך של הבאת נוזל כדי ליצור קשר עם משטח מוצק, המכונה הרטבה, משך תשומת לב מדעית במשך יותר ממאתיים שנה. הרטבה מתרחשת בדרך כלל בסביבה שיכולה להיות מורכבת מגז ונוזל או משני נוזלים שאינם ניתנים לערבוב (immiscible). זווית המגע מכמתת את יכולת ההרטבה של משטח מוצק על ידי נוזל באמצעות משוואת יאנג. היא משקפת את החוזק היחסי של כוחות האינטראקציה הבין-מולקולרית בנוזל, במוצק, ובגז. זווית מגע קטנה מ-90° פירושה שהמוצק מורטב היטב על ידי הנוזל (אם הנוזל הוא מים, אז משטח המוצק הוא הידרופילי). בעוד שזווית מגע גבוהה מ-90° מעידה על העדפה ליצירת קשרי נוזל-נוזל על פני קשרי נוזל-מוצק (אם הנוזל הוא מים, אז משטח המוצק הוא הידרופובי). למערכת מוצק, נוזל, וגז (או אדים) בטמפרטורה ולחץ נתונים יש בשיווי משקל זווית מגע ייחודית. עם זאת, קיימת, מעשית, תופעה דינמית הקרויה היסטרזה של זווית מגע, בין זווית המגע של נוזל המתקדם על גבי מוצק בכיוון אחד, לבין זו כשהנוזל נע על המוצק בכיוון ההפוך. זווית המגע בשיווי המשקל נמצאת בין שני ערכים אלה, וניתנת לחישוב בעזרתם. כאשר התהליך הוא סטטי דנים בזווית מגע סטטית בשיווי משקל (זמ"ס). כאשר מדובר בתהליך איטי (קוואזיסטטי) ניתן להגיד בקירוב שמדובר בתהליך שנמצא בשווי משקל ונמדוד זמ"ס. כאשר דנים בתהליכים דינמיים, למשל ציפוי מתכת מגדירים זווית מגע דינמית (זמ"ד). ז"מ גאומטרי - ז"מ שמחושב באמצעות שיקולים גאומטריים בלבד, ללא קשר אם המערכת היא בשיווי המשקל. היא משמשת כמשתנה בלתי תלוי לחישוב כל מצבי אנרגיית גיבס האפשריים של המערכת. לדוגמה, עבור טיפה כדורית אקסיסימטרית (בהיעדר גרביטציה), הקשר מתמטי מיוצג כיחס של בסיס טיפה (rb)  והנפח שלה (V). זווית מגה אידיאלית – ז"מ מוגדרת כשווי משקל שהנוזל עושה עם משטח מוצק אידיאלי. משטח אידיאלי מוגדר כחלק, קשה, הומוגני כימי, לא מסיס ולא מגיב. ז"מ בפועל - היא ז"מ בשיווי המשקל המקומי בנקודה על פני השטח מוצק שעשוי להיות מחוספס או הטרוגני כימי. ז"מ נראית לעין (apparent) - היא ז"מ בשיווי משקל הנמדד בעזרת מיקרוסקופ על משטח מוצק שעשוי להיות מחוספס או הטרוגני כימי. הטופוגרפיה מפורטת של משטח מוצק מחוספס לא ניתנת לצפייה עם אמצעים אופטיים רגילים, לכן ז"מ מוגדרת בין משיק למשטח נוזל-נוזל ומשטח מוצק. ז"מ לנוזל המתקדם על המוצק - היא ז"מ הגבוהה ביותר האפשרית שניתן להשיג במערכת הרטבה נתונה. בדרך כלל זה מתממש על ידי הגדלת היקף טיפה. ז"מ לנוזל הנסוג על המוצק - היא ז"מ הנמוכה ביותר האפשרי שניתן להשיג למערכת הרטבה נתונה. בדרך כלל זה מתממש על ידי הקטנת היקף טיפה. ז"מ דינמי – היא ז"מ הנמדדת כשיש תנועה היחסית בין נוזל ומוצק במהירויות ידועות. הערך שלה תלוי במהירות קו מגע.  הדרך הפשוטה ביותר למדוד זווית מגע היא טפטוף טיפת נוזל על פני משטח מפולס ומדידת הזווית הנוצרת בין הטיפה לבין המשטח. המדידה נעשית באמצעות סוג מיוחד של מד זווית המכונה "גוניומטר". הגוניומטר מכיל גם אמצעי הגדלה וצילום אופטיים לצורך המדידה. זווית המגע ייחודית לכל שילוב חומרים, עם זאת, ישנם מקרים בהם ניתן להעריך את גודלה א-פריורית. זווית המגע והגדלים המשפיעים על ערכה מקושרים במשוואת יאנג המוצגת בהמשך. אחת התכונות החשובות של פני שטח הן הידרופוביות והידרופיליות. כאשר פני שטח המושכים מים מכונים "הידרופיליים", ופני שטח הדוחים מים מכונים "הידרופוביים". הדרך המקובלת להערכת ההידרופוביות או ההידרופיליות של פני השטח היא מדידת זווית המגע בין פני השטח לבין המים. זוויות מגע רגישות במיוחד לזיהומים מכל סוג, ערכים לשחזור טובים יותר מאשר כמה מעלות מתקבלים בדרך כלל רק בתנאי מעבדה עם נוזלים מזוקקים ומשטחים מאוד נקיים ללא שום זיהום. אם מולקולות של הנוזל נמשכות מאוד למולקולות משטח מוצק אז טיפת הנוזל תתפזר לחלוטין על המשטח המוצק, מצב זה מתאים לזווית מגע של 0° . תופעה זו קורה לעיתים קרובות לטיפות מים על מתכת חשופה או משטחי קרמיקה, למרות הנוכחות של שכבת תחמוצת או זיהומים, משטח מוצק יכול להגדיל באופן משמעותי את זווית המגע. באופן כללי, אם זווית מגע של טיפת מים היא קטן יותר מאשר 90°, משטח המוצק נחשב הידרופילי ואם זווית מגע של טיפת מים היא גדולה יותר מאשר 90°, המשטח המוצק נחשב הידרופובי. פולימרים רבים נחשבים בעלי משטחים הידרופוביים. משטחים הידרופוביים במיוחד הם בעלי אנרגיית שטח נמוכה (למשל: פלואור), יכולים להיות חומרים בעלי זוויות מגע של טיפת מים גבוהות ככל ~ 120° . חומרים מסוימים עם משטחים מחוספס מאוד יכולים להיות בעלי זווית מגע של טיפת מים גדולה עוד יותר מאשר 150°, בשל נוכחותם של כיסי אוויר מתחת לטיפת הנוזל. אלה נקראים משטחים (superhydrophobic). אם זווית המגע נמדדת באמצעות הגז במקום בנוזל, אז זה צריך להיות מוחלף על ידי 180° מינוס מהערך הנתון שלהם. זוויות מגע קיימות גם על המשטים של שני נוזלים, למרות שהם נפוצים יותר במוצרים מוצקים כגון מחבתות טפלון ובדים עמיד למים. מצב שיווי משקל של מערכת הרטבה בלחץ וטמפרטורה קבועים מושג כאשר אנרגיית גיבס היא מינימלית. אנרגיית גיבס (G) של מערכת הרטבה במשטח אידיאלי מוגדרת כ: G = γlf * Alf + γsl * Asl + γsf*Asf = γlf*Alf+(γsl– γsf)*Asl + γsf*Atotal constant = Atotal  = Asl  + Asf זווית המגע ייחודית לכל שילוב חומרים, עם זאת, ישנם מקרים בהם ניתן להעריך את גודלה א-פריורית. זווית המגע והגדלים המשפיעים על ערכה מקושרים במשוואת יאנג. הנחת היסוד של הניתוח התרמודינמי היא שיווי משקל בין שלוש הפאזות: המוצקה של פני השטח (תסומן ב-S), הנוזלית של הטיפה (L) והגזית של הסביבה (G). בשיווי משקל הפוטנציאל הכימי של שלוש הפאזות שווה. הניתוח הנוח מבחינה תרמודינמית מסתמך על אנרגיות פני שטח: אנרגיית פני השטח מוצק-גז תסומן כ-γSG. אנרגיית פני השטח מוצק-נוזל תסומן כ-γSL. אנרגיית פני השטח נוזל-גז תסומן כ-γ (γLG). משוואת יאנג קובעת: 0 = γ S G − γ S L − γ cos ⁡ θ C {\displaystyle 0=\gamma _{\mathrm {SG} }-\gamma _{\mathrm {SL} }-\gamma \cos \theta _{\mathrm {C} }\,} כאשר θ C {\displaystyle \theta _{\mathrm {C} }} היא זווית המגע בשיווי משקל. בהינתן אנרגיות פני שטח אחרות, ניתן להעריך מזווית המגע את אנרגיית הממשק המבוקשת. וזאת ע"פ משוואת יאנג דופרה: γ ( 1 + cos ⁡ θ C ) = Δ W S L V {\displaystyle \gamma (1+\cos \theta _{\mathrm {C} })=\Delta W_{\mathrm {SLV} }\,} כאשר Δ W S L V {\displaystyle \Delta W_{\mathrm {SLV} }} היא אנרגיית האדהזיה בין המוצק (S) ובין הנוזל (L) בסביבת הגז (G), מנורמלת ליחידת שטח. אם נוסיף כמות מים קטנה לטיפת מים על משטח מסוים נצפה בתופעה הבאה, הטיפה תישאר במקום אבל זווית מגע תתחיל לגדול. באותו אופן אם נחסיר מים מטיפת מים היא תישאר במקום אבל ז"מ תקטן. מתוצאות של תופעה זו ניתן להסיק שלטיפת מים יש ספקטרום של זוויות מגע שנע בין ז"מ מקסימלי לנוזל המתקדם על המוצק לבין ז"מ מינימלית של נוזל הניסוג ממוצק. ז"מ בש"מ של יאנג נמצאת בטווח הזה והיסטרזה של זווית מגע מוגדרת כהפרש בין ז"מ מקסימלית לנוזל המתקדם על המוצק פחות ז"מ מינימלית של נוזל הניסוג ממוצק. עם זאת לא בכל תנאי ניתן לשתמש במשוואת יאנג, משום שהיא מניחה פני שטח חלקים למהדרין, בעוד במציאות ישנם חספוסים וזיהומים. כדי לחשב את זווית המגע בדיוק רב יותר יש להתחשב בזווית המגע הגבוהה ביותר (שתוסמן באות A) ובנמוכה ביותר, שתסומן באות (R): θ C = arccos ⁡ r A cos ⁡ θ A + r R cos ⁡ θ R r A + r R {\displaystyle \theta _{\mathrm {C} }=\arccos {\frac {r_{\mathrm {A} }\cos {\theta _{\mathrm {A} }}+r_{\mathrm {R} }\cos {\theta _{\mathrm {R} }}}{r_{\mathrm {A} }+r_{\mathrm {R} }}}} כאשר: r A = sin 3 ⁡ θ A 2 − 3 cos ⁡ θ A + cos 3 ⁡ θ A 3 {\displaystyle r_{\mathrm {A} }={\sqrt[{3}]{\frac {\sin ^{3}{\theta _{\mathrm {A} }}}{2-3\cos {\theta _{\mathrm {A} }}+\cos ^{3}{\theta _{\mathrm {A} }}}}}} ו: r R = sin 3 ⁡ θ R 2 − 3 cos ⁡ θ R + cos 3 ⁡ θ R 3 {\displaystyle r_{\mathrm {R} }={\sqrt[{3}]{\frac {\sin ^{3}{\theta _{\mathrm {R} }}}{2-3\cos {\theta _{\mathrm {R} }}+\cos ^{3}{\theta _{\mathrm {R} }}}}}} על משטח בעל חיספוס או זיהום תהיה גם תופעת היסטרזה בזווית מגע אבל עכשיו זווית מגע בש"מ של אינג הופכת להיות מקומית בלבד ותשתנה בין נקודה לנקודה במשטח. ע"פ משוואת יאנג דופרה אנרגיית אדהזיה משתנה מנקודה לנקודה וטיפת מים במצב זה תצטרך לעבור מחסום אנרגטי מסוים כדי להרטיב משטח. אחד התוצאות של המחסום האנרגטי הזה מתבטא בהיסטרזה של ז"מ, היקף הרטבה, וכמובן ז"מ הניתנת למדידה (במקרים האילו הופכת להיות חישוב של ממוצע לאורך קו מגע) המדידה תלויה גם האם זווית נסוגה או מתקדמת. נוזל תמיד מתקדם על משטח שהיה לפני יבש וניסוג ממשטח שהיה רטוב, לכן ניתן למדוד היסטרזה של ז"מ על ידי חשיפה של משטח לפני מדידה למגע עם נוזל כלשהו (על ידי ריאקציה כימית, ספיגה וכו'). בנוסף לכך אם נוכל לבקר על תהליכים אילו נוכל לקבל זוויות מגע שניתנות למדידה כתלות בזמן. הדרך הפשוטה ביותר למדוד זווית מגע היא טפטוף טיפת נוזל על פני משטח מפולס ומדידת הזווית הנוצרת בין הטיפה לבין המשטח. המדידה נעשית באמצעות סוג מיוחד של מד זווית המכונה "גוניומטר". הגוניומטר מכיל גם אמצעי הגדלה וצילום אופטיים לצורך המדידה. מערכות ישנות יותר השתמשו במערכת בעלת מיקרוסקופ עם אור אחורי. מערכות דור הנוכחי בעלות מצלמות ברזולוציה גבוהות ותוכנה מתקדמת המאפשרות ללכוד ולנתח את זווית המגע. מדידה סטטית - בשיטה זו משתמשים בגוניומטר במהלך מדידה אנו מצלמים פרופיל של טיפה נייחת על משטח מוצק, הזווית שנוצרת בין טיפה לבין משטח היא בעצם ז"מ. בשיטה זו מטפטפים טיפה על פני השטח, ממתינים להתייצבות המערכות, ואז מודדים את זווית המגע. נהוג לחזור על מדידה זו בשלושה מקומות שונים על פני השטח ולחשב תוחלת וסטיית תקן. ערך התוחלת יהיה זווית המגע בין הנוזל למוצק, וסטיית התקן מאפשרת לכמת עד כמה פני השטח אחידים. ככל שסטיית התקן קטנה יותר הדבר מראה על אחידות גבוהה יותר. מדידה דינמית - בשיטה דינמית בהשוואה לשיטה סטטית נשנה את נפח של טיפה על ידי הוספה ושאיבה של מים. בשיטה זו מטפטפים טיפה על פני השטח, ממתינים להתייצבות המערכות, ואז מודדים את זווית המגע. אחר כך מגדילים את נפח הטיפה ומודדים זווית מגע, כך חמש פעמים. אחר כך גורעים נפח מהטיפה ומודדים את זווית המגע, כך חמש פעמים. בשלב זה מחשבים תוחלת וסטיית תקן למדידות שנעשו תוך הגדלת נפח הטיפה, וכן למדידות שנעשו תוך כדי גריעת נפח הטיפה. ההפרש בין התוחלות מכונה "חשל" (היסטרזיס), וגודל זה אינדיקטיבי לאחידות פני השטח. כאשר חשל הקטן מעשר מעלות מראה על פני שטח אחידים. התוחלת היא זווית המגע בין הנוזל למוצק. מדידה דינמית שיטת Wilhelmy- שיטה לחישוב ממוצע קידום ונסוג זוויות מגע במוצקים בעלי גאומטריה אחידה. שני צדי משטח מוצק חייבים להיות זהים לחלוטין. כוח הרטבה על משטח מוצק נמדד בעזרת ניסוי שבשלב ראשון טובלים משטח לאמבטיה המכילה בתוכה נוזל עם מתח פנים ידוע, בשלב שני מוציאים את המשטח מאמבטיה, ניסוי משמש לנו למדידת משטח שיווי משקל או מתח בין משטחי, ממשק אוויר/נוזל או ממשק נוזל/נוזל.בשיטה זו, הפלטה מכוונת בניצב לממשק, והכוח המופעל עליו הוא נמדד. תוך שימוש במשוואת Wilhelmy נוכל לקבל את זווית מגע. γ = F l ⋅ cos ⁡ θ {\displaystyle \gamma ={\frac {F}{l\cdot \cos \theta }}} שיטת Wilhelmy-  מיושמת על סיבים בודדים למדוד את קידום ונסוג זוויות ליצירת קשר. בדיקת נוזל חודר תוצא לוטוס מדיה וקבצים בנושא זווית מגע בוויקישיתוף זווית מגע - באתר פיזיקה פלוס. מדידת זווית מגע משוואת יאנג לפלס היסטרזיס שיטת פלטת Wilhelmy זווית מגע, באתר MathWorld (באנגלית) Rafael Tadmor (2004). "Line energy and the relation between advancing, receding and Young contact angles". Langmuir, 20, 7659-7664, (2004). ISBN 0743-7463.