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Scientific Reports volume 12, numero articolo: 19389 (2022) Citare questo articolo

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Le misurazioni dell'angolo di contatto statico sono uno dei metodi più diffusi per analizzare il comportamento di bagnatura di materiali di qualsiasi tipo. Sebbene questo metodo sia facilmente applicabile senza la necessità di macchinari sofisticati, i risultati ottenuti per lo stesso materiale possono variare notevolmente. La sensibilità della misurazione rispetto alle condizioni ambientali, alla preparazione del campione e alla conduzione della misurazione è un fattore principale per risultati incoerenti. Poiché spesso non esistono protocolli di misurazione dettagliati insieme ai dati pubblicati, i valori dell'angolo di contatto e gli studi di bagnatura elaborati non consentono alcun confronto. Questo articolo mira quindi a discutere le possibili influenze sulle misurazioni dell'angolo di contatto statico e a dimostrare sperimentalmente l'entità di questi effetti. Vengono studiati in dettaglio le condizioni di conservazione dei campioni, le procedure di pulizia, il volume delle goccioline, il grado dell'acqua e l'applicazione delle goccioline, nonché l'influenza dell'evaporazione sull'angolo di contatto statico. Soprattutto la conservazione dei campioni ha portato a differenze nell'angolo di contatto fino al 60%. A seconda dello stato di bagnatura, l'evaporazione può ridurre l'angolo di contatto del 30–50% entro 10 minuti in atmosfere secche. Pertanto, questo articolo esamina un approccio esistente per una camera climatica e introduce una nuova configurazione di misurazione basata su questi risultati. Consente l'osservazione del comportamento di bagnatura per diversi minuti sopprimendo con successo l'evaporazione senza influenzare negativamente la superficie prima della misurazione mediante esposizione ad ambienti ad alta umidità.

Attualmente, la ricerca bibliografica per le "misure dell'angolo di contatto" fornisce più di quattro milioni di pubblicazioni. Di seguito, le misurazioni dell'angolo di contatto statico (SCA) sono il metodo più diffuso per analizzare la bagnabilità di una superficie: su metalli solidi1,2 o film sottili spruzzati3, superfici polimeriche4,5, grafene6,7 o persino campioni biologici8. Le SCA possono variare da un comportamento idrofilo (< 90°) a un comportamento idrofobo con una SCA superiore a 90°. Anche casi estremi di bagnatura come la superidrofilicità con una forte diffusione delle goccioline o la superidrofobicità con SCA intorno a 150° possono essere osservati mediante misurazioni SCA9. La loro implementazione non si limita alle superfici lisce, poiché vengono utilizzati anche per analizzare strutture topograficamente modificate, dove recentemente si è concentrata in particolare la bagnabilità delle superfici trattate con laser10,11,12,13. In questo caso, questo metodo consente anche di analizzare il comportamento di bagnatura anisotropo, che è particolarmente importante per le superfici modellate direzionalmente11,14. Per superfici idealmente lisce, la SCA può essere descritta dall'equazione di Young ed è considerata come un angolo di contatto termodinamico raggiunto mediante la minimizzazione dell'energia nel sistema di bagnatura trifase costituito da liquido, solido e vapore9,15. Le superfici reali sono caratterizzate da rugosità completamente bagnate nello stato bagnante Wenzel16 o da bagnatura parziale con inclusioni d'aria tra la gocciolina e le caratteristiche topografiche (stato Cassie-Baxter17), risultando in una superficie chimicamente eterogenea.

Già negli anni '80 i ricercatori erano consapevoli della forte dispersione degli angoli di contatto sulle superfici metalliche come il rame a causa della contaminazione del campione, dei detergenti e della procedura di pulizia18. Studi più recenti potrebbero dimostrare che soprattutto la contaminazione con idrocarburi gioca un ruolo importante nel comportamento di bagnatura dei materiali solidi19, poiché il loro adsorbimento può aumentare gli SCA su campioni piatti di rame da 45° a 100°2. I detergenti possono influenzare la composizione di questo strato di contaminazione presente nell'aria e quindi alterare i risultati della SCA19. Nel 2015 Long et al.20 hanno dimostrato che anche lo strato di adsorbimento dipende fortemente dalle condizioni di conservazione del campione. Apparentemente, diversi studi hanno mostrato le ragioni dell'ampia dispersione degli angoli di contatto in letteratura per lo stesso materiale e sono ben noti vari fattori indipendenti dalla superficie del campione come il volume delle goccioline, la temperatura o l'umidità21. Tuttavia, non esistono protocolli di misurazione fissi che includano tutte le possibili influenze indotte dal campione o dalla misurazione e si concentrino sulla dipendenza tra la contaminazione del campione e l'angolo di contatto risultante, che sembra essere un fattore chiave in qualsiasi analisi di bagnatura. Per la misurazione dinamica degli angoli di contatto in allontanamento e avanzamento, Huhtamäki et al.22 e Drelich23 forniscono un protocollo delle fasi di misurazione aumentando gradualmente e successivamente diminuendo il volume delle goccioline, comprese indicazioni sulle potenziali influenze della misurazione. Affermano che la misurazione SCA utilizzando il metodo della caduta sessile potrebbe rappresentare solo risultati metastabili poiché la caduta potrebbe trovarsi in qualsiasi minimo locale anziché globale. Ma diversi studi hanno dimostrato che anche le misurazioni dell'angolo di contatto dinamico sono spesso soggette a effetti di disturbo delle goccioline, ad esempio blocco della linea di base o vibrazioni trasferite dall'ago alla gocciolina nella configurazione sessile delle goccioline24 che impediscono alla gocciolina di raggiungere il minimo termodinamico globale. Spesso le vibrazioni naturali in laboratorio impediscono all'angolo di contatto di raggiungere i valori teorici25. Inoltre, vi è una mancanza di comprensione teorica dell'isteresi dell'angolo di contatto risultante24 mentre esistono modelli ben definiti per le misurazioni SCA basati sull'equazione di Young per superfici ideali e sui modelli Wenzel- e Cassie-Baxter per superfici reali che descrivono la rugosità15,16, 17.