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Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 19389 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

As medições estáticas do ângulo de contato são um dos métodos mais populares para analisar o comportamento de umedecimento de materiais de qualquer tipo. Embora este método seja facilmente aplicável sem a necessidade de maquinário sofisticado, os resultados obtidos para o mesmo material podem variar bastante. A sensibilidade da medição contra as condições ambientais, preparação da amostra e condução da medição é um fator principal para resultados inconsistentes. Como muitas vezes não existem protocolos de medição detalhados ao lado dos dados publicados, os valores do ângulo de contato, bem como estudos elaborados de umedecimento, não permitem nenhuma comparação. Este trabalho, portanto, visa discutir possíveis influências nas medidas de ângulo de contato estático e demonstrar experimentalmente a extensão desses efeitos. As condições de armazenamento da amostra, procedimentos de limpeza, volume de gotas, grau de água e aplicação de gotas, bem como a influência da evaporação no ângulo de contato estático são investigados em detalhes. Especialmente o armazenamento da amostra levou a diferenças no ângulo de contato de até 60%. Dependendo do estado úmido, a evaporação pode reduzir o ângulo de contato em 30-50% em 10 minutos em atmosferas secas. Portanto, este artigo revisa uma abordagem existente para uma câmara climática e apresenta uma nova configuração de medição com base nesses resultados. Ele permite a observação do comportamento de umedecimento por vários minutos suprimindo com sucesso a evaporação sem afetar negativamente a superfície antes da medição por exposição a ambientes de alta umidade.

Atualmente, a pesquisa de literatura para "medidas de ângulo de contato" fornece mais de quatro milhões de publicações. Abaixo, as medições do ângulo de contato estático (SCA) são o método mais popular para analisar a molhabilidade de uma superfície - em metais sólidos1,2 ou filmes finos pulverizados3, superfícies poliméricas4,5, grafeno6,7 ou mesmo amostras biológicas8. Os SCAs podem variar de hidrofílicos (< 90°) a um comportamento hidrofóbico com um SCA acima de 90°. Também casos extremos de umidade, como superhidrofilicidade com forte espalhamento de gotículas ou superhidrofobicidade com SCAs em torno de 150°, podem ser observados por medições de SCA9. A sua implementação não se limita a superfícies lisas, sendo também utilizadas para analisar estruturas topograficamente modificadas, onde recentemente se tem focado em particular a molhabilidade de superfícies tratadas com laser10,11,12,13. Aqui, este método também permite analisar o comportamento de molhamento anisotrópico, o que é especialmente importante para superfícies com padrão direcional11,14. Para superfícies idealmente lisas, o SCA pode ser descrito pela equação de Young e é considerado como um ângulo de contato termodinâmico alcançado pela minimização de energia no sistema molhante trifásico composto por líquido, sólido e vapor9,15. Superfícies reais são caracterizadas por rugosidade totalmente molhada no estado de Wenzel16 ou por umedecimento parcial com inclusões de ar entre a gota e as características topográficas (estado de Cassie-Baxter17), resultando em uma superfície quimicamente heterogênea.

Já na década de 1980, os pesquisadores estavam cientes da forte dispersão dos ângulos de contato em superfícies metálicas como o cobre devido à contaminação da amostra, agentes de limpeza e procedimento de limpeza18. Estudos mais recentes poderiam provar que especialmente uma contaminação com hidrocarbonetos desempenha um papel importante no comportamento de molhagem de materiais sólidos19, pois sua adsorção pode aumentar SCAs em amostras planas de cobre de 45° a 100°2. Agentes de limpeza podem influenciar a composição dessa camada de contaminação do ar e com isso alterar os resultados da SCA19. Em 2015, Long et al.20 mostraram que a camada de adsorção também é altamente dependente das condições de armazenamento da amostra. Aparentemente, diferentes estudos têm mostrado razões para a ampla dispersão de ângulos de contato na literatura para o mesmo material e vários fatores independentes da superfície da amostra como volume de gota, temperatura ou umidade são bem conhecidos21. No entanto, não existem protocolos de medição fixos, incluindo todas as possíveis influências induzidas pela amostra ou medição e focando na dependência entre a contaminação da amostra e o ângulo de contato resultante, o que parece ser um fator chave em qualquer análise de molhagem. Para a medição dinâmica dos ângulos de contato recuando e avançando, Huhtamäki et al.22, bem como Drelich23, fornecem um protocolo das etapas de medição aumentando gradualmente e depois diminuindo o volume da gota, incluindo indicações de possíveis influências na medição. Eles afirmam que a medição SCA usando o método de gota séssil pode representar apenas resultados metaestáveis, pois a queda pode estar em qualquer local em vez do mínimo global. Mas diferentes estudos mostraram que também as medições dinâmicas do ângulo de contato são frequentemente sujeitas a efeitos perturbadores de gotículas, por exemplo, fixação da linha de base ou vibrações transferidas da agulha para a gota na configuração de gota séssil24, impedindo que a gota atinja o mínimo termodinâmico global. Muitas vezes, vibrações naturais no laboratório impedem que o ângulo de contato atinja valores teóricos25. Além disso, há uma falta de compreensão teórica da histerese do ângulo de contato resultante24, enquanto existem modelos bem definidos para medições de SCA com base na equação de Young para superfícies ideais e nos modelos de Wenzel e Cassie-Baxter para superfícies reais representando rugosidade15,16, 17.