Метод плененного пузыря

Метод невыпадающих пузырьков — это метод измерения угла контакта между жидкостью и твердым телом с использованием анализа формы капли. В этом методе пузырек воздуха впрыскивается под твердое тело, поверхность которого находится в жидкости , вместо размещения капли на твердом теле , как в случае с методом сидячей капли . Жидкость твердое и вещество заменяются с помощью анализа формы капли.

Этот метод особенно подходит для твердых тел с высокой поверхностной энергией, когда жидкости растекаются. Гидрогели , такие как те, которые входят в состав мягких контактных линз , недоступны для стандартной конструкции; поэтому в таких случаях также используется метод пленного пузыря. Контактный угол формируется на гладкой, периодически неоднородной твердой поверхности. Над твердой поверхностью капля жидкости погружена в жидкость. Измерение краевых углов обычно способствует измерению поверхностной энергии твердых тел в промышленности. В отличие от других методов измерения угла контакта, таких как метод сидячей капли, в системе, используемой в методе несвободного пузырька, пузырек жидкости прикреплен снизу к твердой поверхности, так что и пузырек жидкости, и твердое вещество взаимодействуют с жидкостью. .

Применение и значение

Поверхностная энергия твердых тел

Поскольку система образуется из твердой поверхности и капли жидкости, минимумы и максимумы энергии создаются свободной энергией системы. Когда твердая поверхность шероховатая или однородная, система (состоящая из твердого тела, жидкости и жидкости) может иметь несколько минимумов, возникающих из свободной энергии в разных точках минимума. Один из этих минимумов является глобальным минимумом. Глобальный минимум имеет наименьшую свободную энергию в системе и определяется как состояние устойчивого равновесия. Кроме того, другие минимумы иллюстрируют метастабильные состояния равновесия системы. Между этими минимумами находятся энергетические барьеры, которые препятствуют движению энергии между различными метастабильными состояниями в системе. На переход энергии между метастабильными состояниями влияет также наличие у системы внешней энергии, которая связана с объемом капли жидкости на поверхности твердого тела. Таким образом, объем жидкости может влиять на расположение точек минимума, что может влиять на углы контакта, создаваемые твердым телом и жидкостью. Углы смачивания напрямую связаны с тем, является ли поверхность твердого тела идеальной или, другими словами, является ли она гладкой неоднородной поверхностью.

Анализ поверхности обратноосмотической мембраны

Источник:

Измерение краевых углов методом плененного пузырька также может быть полезно при анализе поверхности мембраны обратного осмоса при изучении характеристик мембраны. Путем анализа углов смачивания можно определить такие свойства мембран, как шероховатость. Шероховатость мембран, которая указывает на эффективную площадь поверхности, может в дальнейшем привести к исследованию гидрофильных и гидрофобных свойств поверхности. Согласно исследованиям, более высокий угол смачивания может соответствовать более гидрофобной поверхности при мембранном анализе. При использовании метода плененных пузырьков при мембранном анализе на угол контакта могут влиять несколько факторов, включая объем пузырька, тип жидкости и напряжение.

Поверхностное натяжение поверхностно-активного материала легких

Источник:

По сравнению с использованием метода плененного пузырька при измерении краевых углов в других случаях контактный угол при исследовании монослоя легочного сурфактанта поддерживается на постоянном уровне 180 градусов, что обусловлено свойством гидратированного агарового геля на потолок пузыря. Система, применяемая при исследовании легочного сурфактанта, спроектирована как герметичная система, обеспечивающая независимость поверхностной пленки пузырьков от других материалов и веществ, таких как пластиковые стены, перегородки и выпускные отверстия. Вместо добавления дополнительных трубок или прокалывания границы раздела воздух-вода иглами эта закрытая система создается путем регулирования давления внутри закрытой камеры для проб путем добавления или удаления водной среды для регулирования размера пузырьков и поверхностного натяжения нерастворимых пленок в пузырьке. поверхность.

Поскольку объемы пузырьков контролируются путем изменения давления в камере для образца, площадь поверхности и поверхностное натяжение пленки поверхностно-активного вещества на поверхности пузырька уменьшаются по мере уменьшения объема пузырька.

Форма пузырьков при этом может варьироваться от сферической до овальной в зависимости от поверхностного натяжения, которое можно рассчитать путем измерения высоты и диаметра пузырьков. Помимо измерения поверхностного натяжения, образование пузырьков также можно использовать для измерения адсорбции легочных поверхностно-активных веществ, которая определяет, насколько быстро вещества накапливаются на границе раздела воздух-жидкость легочных поверхностно-активных веществ с образованием пленки.

Существует два метода измерения адсорбции с помощью пузырьков:

1. Один из методов формирования пузырьков для измерения адсорбции состоит в том, чтобы начать с небольшого пузырька диаметром 2–3 мм в камере диаметром 10 мм, а затем расширить или сжать его позже. Пузырь сначала вводится в камеру с помощью небольшой пластиковой трубки, прикрепленной к микрошприцу емкостью 50 мкл. Затем он расширяется за счет внезапного снижения давления внутри пузырька или увеличения объема камеры за счет перемещения поршня на конце стеклянного цилиндра. Чтобы рассчитать точную скорость адсорбции, необходимо принять во внимание начальное количество поверхностно-активного вещества на поверхности пузырька до изменения объема.
2. Другой метод измерения адсорбции заключается в создании пузырька фиксированного объема вместо заданного размера или диаметра с помощью иглы на нижнем входном отверстии пузырьковой камеры. Фиксированный объем для начала обычно составляет 200 мл, что составляет около 7 мм в диаметре. Как и в первом методе, для оценки точной скорости адсорбции необходимо рассчитать накопление материала на поверхности пузырька во время его образования.

Сравнение техники сидячих капель и метода плененных пузырьков

Метод лежащей капли — еще один популярный способ измерения углов контакта. Он осуществляется путем размещения двумерной капли на твердой поверхности и контроля объема жидкости в капле. Метод лежащей капли и метод плененного пузыря обычно взаимозаменяемы при проведении экспериментов, поскольку оба они основаны на свойствах симметрии. В частности, ось симметрии капли или пузырька делает линию контакта капли или пузыря с твердой поверхностью круглой. Это создает наблюдаемый угол контакта, соответствующий радиусу контакта капли или пузырька.

Однако, взаимодействуя с шероховатой однородной поверхностью при измерении углов смачивания, капля и пузырек ведут себя по-разному в процессе измерения, что связано с объемом жидкости и углами смачивания.

1. На шероховатой однородной поверхности наблюдаемый угол контакта может не отражать фактический угол контакта с местным уклоном, поскольку он может быть ненаблюдаем на шероховатой поверхности. Наблюдаемый контактный угол на шероховатой поверхности также называется кажущимся углом, который эквивалентен сумме собственного контактного угла и локального наклона поверхности по касательной к контактному наклону для капли или пузырька. При использовании метода сидячей капли наблюдаемый контактный угол обычно занижает собственный контактный угол, в то время как наблюдаемый контактный угол в методе несвободного пузырька переоценивает собственный контактный угол шероховатой поверхности.
2. Если построить график соответственно для измерений краевых углов с использованием метода лежащей капли и метода плененного пузырька, касающийся объема жидкости внутри капли или пузырька и измеренного угла контакта, геометрические соотношения иллюстрируют различные характеристики для каждого метода. Принимая во внимание взаимосвязь между углами смачивания и положением контакта для определенного объема в капле или пузыре, максимально возможный и наименьший возможные углы смачивания по объему в обоих методах по-разному зависят друг от друга.
3. Для амплитуды колебаний, показанной на графике, как капля, так и плененный пузырек имеют одинаковый порядок величины при относительно низком угле контакта. С другой стороны, на шероховатой поверхности с относительно большим углом смачивания показанная амплитуда капли больше, чем у плененного пузырька. Амплитуда колебаний минимального и максимального угла контакта демонстрирует разницу между методом капли и методом невыпадающего пузырька, при котором амплитуда графика метода невыпадающего пузырька сравнительно больше, чем амплитуда графика метода сидячей капли. .
4. Что касается длины волны графика, длина волны для обоих методов охватывает широкий диапазон объемов жидкости на твердой поверхности. Различия в поведении капли и пузырька варьируются от минимально возможных углов контакта до максимально возможных углов контакта.