Kontaktní úhel - úhel smáčivosti

Kontaktní úhel - úhel smáčivostiKontaktní úhel materiálu úzce souvisí s jeho další vlastností - smáčivosti. V podstatě je kontaktní úhel měřitelnou veličinou, která určuje nakolik je daný povrch dobře smáčivý. Tento článek se snaží přiblížit kontaktní úhel hlavně i z chemického hlediska a poodhaluje zákonitosti, podle kterých se určuje výsledná smáčivost.

 

Kontaktní úhel nám vypovídá o schopnosti povrchu kontaktní čočky rozprostírat slzy po svém povrchu. Je-li kontaktní úhel 180° jedná se o nesmáčivý povrch, kontaktní úhel 0° pak vypovídá o dokonalé smáčivosti. Ve světě kontaktních čoček je materiál s kontaktním úhlem o velikosti 30° považován za dobře smáčivý. V brýlové optice je vhodné nanášet materiály, které dělají povrch naopak nesmáčivý. V tomto případě je kontaktní úhel žádoucí okolo hodnoty 120° a vyšší. Materiály s kontaktním úhlem okolo 150° jsou označovány jako superhydrofóbní. Na Obr. 1 je vyfocena kapka s kontaktním úhlem 147°.

Kapka na nesmáčivém povrchu

Obr. 1: Kapka s kontaktním úhlem 147°. (Zdroj: anglická Wikipedia)

Pro fyzikální popis je nutné zmínit několik základních pojmů, které souvisí s problematikou smáčivosti a kontaktního úhlu. Základním pojmem je fáze. Pod tímto pojmem uvažujeme prostředí o stejných fyzikálních a chemických vlastnostech. Fáze je prostředí, které je odděleno ostrým rozhraním, tzv. fázovým rozhraním. Jako vhodný příklad je roztok pro kontaktní čočky v láhvi. Samotný roztok je jedná fáze, vzduch v láhvi je druhá fáze. Hladina roztoku tvoří ostrý předěl mezi fázemi a jedná se tedy o fázové rozhraní (Obr. 2).

Znázornění fázového rozhraní

Obr. 2: Schématické znázornění působení sil uvnitř a na povrchu fáze.

Fázové rozhraní se rozlišuje podle skupenství fáze. Například u slzy na kontaktní čočce jde o kontakt tekuté fáze s fázi pevnou. Kontakt slzného filmu se vzduchem je kontakt fáze plynné s fázi tekutou. Rozdělení skupenství je významné pro určení sil, které je pro dané skupenství typické. Například kapka slzy při teplotě těla je v tekutém skupenství a vyznačuje se povrchovým napětím - typická charakteristická vlastnost pro tekutiny. Takovou vlastnost kontaktní čočka, která je pevného skupenství, nemá.

Každá fáze je složena z molekul, které se navzájem ovlivňují. Je potřeba odlišit, zda se jedná o molekuly uvnitř fáze (tzv. objemová fáze), nebo o molekuly na kraji fáze - ve fázovém rozhraní.  Molekuly v objemové fázi jsou ovlivněny jinými silami, než molekuly ve fázovém prostředí. Důležitou charakteristikou je rozdílná velikost sil, kdy síly v objemové fázi jsou menší než síly ve fázovém prostředí. Jednoduše to znamená, že molekuly uprostřed láhve roztoku pro kontaktní čočky jsou obklopeny silami menšími, než jsou síly působící na molekuly na hladině. Pokud by se molekula ze středu láhve chtěla dostat na hladinu, musí vykonat určitou práci - musí vzrůst její potencionální energie. Z interakce příslušných sil vyplývá, že molekula ve fázovém rozhraní je vtahována dovnitř fáze a vytváří se povrch, pro jehož překonání je potřeba určité síly. Vzniká povrchové napětí, které je typické pro každou tekutou fázi.

Dobrým příkladem je kapka vody, na kterou sedne hmyz. Váha hmyzu není natolik velká, aby překonala celkové působení sil molekul na povrchu, a hmyz se na kapce může klidně pohybovat. Pokud by byla kapka tvořena vodou s mýdlem, povrchové napětí by se výrazně oslabilo. Na takovou kapku by se hmyz již neposadil, protože by se jednoduše ponořil do kapky - váha hmyzu snadno překonala povrchové napětí kapky vody a saponátu.

Povrchové napětí kapaliny se označuje g. Čím je povrchové napětí gvětší, tím větší musí být vynaložena síla na překonání fázového rozhraní. U kapaliny se fázové rozhraní chová jako pružná blána a má snahu zabírat co nejmenší plochu. Obecně je povrchové napětí u pevných látek (v našem případě kontaktních čoček) těžko měřitelné. Jedná z nejvíce spolehlivých metod je právě měření kontaktního úhlu, který vypovídá o vlastnostech povrchu pevného materiálu vyplývající z interakce s tekutinou na jejím povrchu.

Kapka na pevném povrchu se rozprostře za podmínek, kdy povrchové napětí kapaliny a pevné látky je nižší než povrchové napětí plynné fáze. 

Tyto fáze jsou označovány dle písmene od svého anglického ekvivalentu:

gSL solid-liquid (pevné - tekuté)

gSG solid-gas (pevné - plynné)

gLG liquid-gas (tekuté - plynné)

Jsou-li síly v rovnováze, jedná se o dokonalé smáčení (Obr. 3): gSG = gSL + gLG

Povrchové napětí v rovnováze

Obr. 3: Fázové síly jsou v rovnováze. G znamená plynou fázi (gas), L tekutou fázi (liquid) a S pevnou fázi (solid).

Pokud naopak povrchové napětí gLG agLS jsou menší než gSG, tekutina se na pevném povrchu vytvaruje do útvaru s co nejmenší plochou - jedná se o rovnovážný stav tekutiny, morfologicky se jedná o kapku. Tato kapka zaujímá s pevným povrchem kontaktní úhel, který je tvořen tečnou povrchu kapky s pevným rozhraním v bodě linie smáčení. Velikost kontaktního úhlu vyjadřuje Youngova rovnice:

Youngova rovnice

S ohledem na velikost úhlu smáčení rozslišujeme na vlastnost tuhého povrchu:

a) smáčivého, kdy je ostrý úhel smáčení, 0 < Q < 90° (SG > LS) - Obr. 4:

Demonstrace smáčivého úhlu

Obr. 4: Poměr sil u smáčivého povrchu.

b) nesmáčivého, kdy je tupý úhel smáčení, 90°< Q < 180° (SG < LS) - Obr. 5:

Demonstrace nesmáčivého úhlu

Obr. 5: Poměr sil u nesmáčivého povrchu.

Je nasnadě, že v oblasti kontaktních čoček je žádoucí stav blížícímu se dokonalému smáčení. Jedná se o situaci, kdy chceme mít povrch kontaktních čoček dokonale pokrýté vrstvou slz. Naopak v oblasti brýlových čoček preferujeme kontaktní úhly vysoké - nesmáčivé. Zde je naopak žádoucí vlastnost brýlových čoček co nejvíce odpuzovat nečistoty z povrchu pro zachování její čistoty. Ideální stav by byla ideální nesmáčivost, kdy by byl kontaktní úhel rovný 180°. Důležité je, že kontaktní úhel není v čase stejný. Může například docházet k bobtnání tuhé látky, na které je tekutina kápnuta a pozvolná se mění jednotlivé charakteristiky fázového rozhraní, čímž se samozřejmě mění i kontaktní úhel. Nezanedbatelný reálný faktor je drsnost povrchu. Ten naštěstí u kontaktních čoček nehraje zásadní roli.

Povrch dobře smáčený kapalinami se nazývá lyofilní (z řeckého lyos - kapalina; filos - milovat), kdy se pro dobře smáčivý povrch používá termín hydrofilní (hydro - voda). Povrchy nesmáčivé kapalinami je označován jako lyofóbní (fobo - nenávidím). V případě odpuzování vody se analogicky jedná o hydrofóbní povrch.

Kontaktní úhel se měří několika způsoby. Většinou se pracuje s fyziologickým roztokem, který je svým složením blízký slzám.

Kontaktní úhel můžeme měřit staticky nebo dynamicky. Statická metoda se užívá u měření pevných látek za použití videosystému a goniometru (úhloměru). Dynamická metody zjišťuje údaje za postupného noření preparátu do pokusné kapaliny.

a) Metoda puštěné kapky (Sessile drop method)

Kapková metoda má dvě varianty – statickou (static sessile drop method) a dynamickou (dynamic sessile drop method). Statická metoda dosedající kapky spočívá v kápnutí roztoku na hladký a čistý pevný povrch a sleduje se, jak se kapka rozprostře po povrchu látky. V oblasti optometrie by jednalo o kápnutí fyziologického roztoku na povrch kontaktní čočky. Vyhodnocení úhlu závisí na kvalitě použitého videosystému a podléhá určité subjektivizaci. U dynamické kapkové metody se postupně objem dosedlé kapky zvětšuje a sleduje se zvětšující se úhel, mluvíme o postupujícím úhlu (advancing angle). Při zmenšování objemu se naopak hledá nejmenší kontaktní úhel, který nastává při ústupu – ustupující úhel (receding angle). Rozdíl mezi postupujícím a ustupujícím úhlem dává úhel hysterezní, který určuje průměrnou hodnotu kontaktního úhlu a lépe vypovídá o vlastnostech povrchu.

Metoda puštěné kapkyMetoda puštěné kapkyMetoda puštěné kapky

Obr. 6: Metoda puštěné kapky - statická metoda. (Zdroj: www.biofinity.cz)

b) Metoda zadržené kapky (Captive bubble method)

Tato metoda je postavena na řízeném vytvoření kapky z kapiláry, ale pouze v takovém množství, aby volně visela a nespadla dolů. S volně visící kapkou z kapiláry lze vysledovat dva odlišné přístupy měření.

Jeden způsob je měření povrchové napětí samotné tekutiny, z které je tvořená kapka. Vytvoří se série snímku a ze znalosti různých chemických vlastností a tvaru se odvodí povrchové napětí kapky. Zde se zkoumá samotná tekutina, ze které je kapka tvořená.

Druhý způsob je pro praxi optometrie mnohem přínosnější. Držená kapka kapilárou se pozvolna přibližuje ke zkoumanému povrchu až do momentu, kdy dojde k fyzickému kontaktu. Kapka s povrchem se hned nespojí. Rozdílným povrchovým napětím vzniká mezi drženou kapkou a pevným povrchem kontaktní úhel. Pokračuje-li se přibližovaním kapky k povrchu dojde nakonec ke splynutí s pevným povrchem. V tomto momentě se kapka s kapilárou začne naopak oddalovat a sleduje se naopak ustupující úhel, který svírá kapka s pevným povrchem.

Postupující a ustupující úhel

c) Wilhelmyho destička

Tato metoda se v praxi používá již od 80. let. Problém této metody je při použití pórovitých nebo vysoce bobtnavých materiálů. Princip měření spočívá v postupném noření vzorku ve tvaru plátu do tekutiny. Stejně jako v případě kapkové metody se měří postupující a ustupující úhel smáčení, který vzniká na vnořeném vzorku. Velké nároky jsou kladené na přípravu vzorku, který musí být velmi přesně vyroben a vzorek musí mít na obou stranách stejné vlastnosti. Z uvedených metod se na této metodě cení dynamický proces měření, který se nejvíce přibližuje reálné situaci na oku.

 

Ponoření Wilhelmyho destičky

Hystereze kontaktního úhlu u Wilhelmyho destičky:

 

Hystereze kontaktního úhlu

 

Použité zdroje


[1] SYNEK S: Kontaktní čočky, staženo z: http://is.muni.cz/do/1499/el/estud/lf/ps09/cocky/web/doc/kontaktni_cocky.pdf

[2] BIOFINITY - oficiální stránky: Dostupné na: http://www.biofinity.cz

[3] KRÁSNÝ I: Měření kontaktních úhlů smáčení a určování povrchové energie plastů. Diplomová práce na Univerzitě Tomáše Bati ve Zlíně (fakulta technologická), 2010.

[4] Encyklopedie VŠCHT, výraz: úhel smáčení. Dostupné na: http://vydavatelstvi.vscht.cz/knihy/uid_es-001/hesla/uhel_smaceni.html

[5] Wikipedia.com; anglická verze. Použité výrazy: contact angle, hysteresis, sessile drop technique

[6] GASSON A, MORRIS JA: The Contact Lens Manual - 4th ed. Elsevier, 2010.

 

Joomla SEF URLs by Artio