Góc tiếp xúc (Contact Angle)

Góc tiếp xúc là góc được tạo bởi đường giao nhau giữa bề mặt chất lỏng và bề mặt chất rắn, được đo xuyên qua chất lỏng. Nói một cách khác, nó là góc được hình thành tại điểm mà ranh giới pha chất lỏng-khí gặp ranh giới pha rắn-lỏng. Góc tiếp xúc cho biết mức độ chất lỏng “ưa thích” hay “kỵ” bề mặt chất rắn, do đó cung cấp thông tin về tính thấm ướt của bề mặt.

Ý nghĩa:

Góc tiếp xúc < 90°: Chất lỏng “ưa thích” bề mặt chất rắn (ưa nước hoặc ưa dầu, tùy thuộc vào chất lỏng). Bề mặt được xem là thấm ướt bởi chất lỏng. Chất lỏng có xu hướng lan rộng trên bề mặt rắn.
Góc tiếp xúc > 90°: Chất lỏng “kỵ” bề mặt chất rắn (kỵ nước hoặc kỵ dầu). Bề mặt được xem là không thấm ướt bởi chất lỏng. Chất lỏng có xu hướng co lại thành giọt trên bề mặt rắn.
Góc tiếp xúc = 0°: Hoàn toàn thấm ướt. Chất lỏng lan rộng hoàn toàn trên bề mặt.

Các yếu tố ảnh hưởng đến góc tiếp xúc

Các yếu tố sau đây có thể ảnh hưởng đến góc tiếp xúc:

Năng lượng bề mặt của chất rắn và chất lỏng: Năng lượng bề mặt càng cao, chất lỏng càng dễ lan rộng. Sự chênh lệch năng lượng bề mặt giữa chất rắn, chất lỏng và khí quyển quyết định góc tiếp xúc.
Kết cấu bề mặt: Bề mặt nhám có thể làm tăng hoặc giảm góc tiếp xúc, tùy thuộc vào bản chất của chất lỏng và chất rắn. Hiệu ứng này được mô tả bằng phương trình Wenzel (cho bề mặt đồng nhất về mặt hóa học nhưng có độ nhám) và phương trình Cassie-Baxter (cho bề mặt không đồng nhất về mặt hóa học).
Nhiệt độ: Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến năng lượng bề mặt và do đó ảnh hưởng đến góc tiếp xúc.
Độ tinh khiết của bề mặt: Sự hiện diện của các chất bẩn có thể thay đổi đáng kể góc tiếp xúc. Ngay cả một lớp phân tử mỏng cũng có thể ảnh hưởng lớn.
Thành phần của chất lỏng: Ví dụ, nước muối sẽ có góc tiếp xúc khác với nước tinh khiết. Sự có mặt của các chất hoạt động bề mặt cũng làm thay đổi sức căng bề mặt và do đó ảnh hưởng đến góc tiếp xúc.

Phương pháp đo

Góc tiếp xúc thường được đo bằng phương pháp đặt giọt (sessile drop method), trong đó một giọt chất lỏng được đặt lên bề mặt chất rắn và góc tiếp xúc được đo bằng goniometer (máy đo góc tiếp xúc). Các phương pháp khác bao gồm phương pháp giọt nghiêng (tilting drop method), trong đó bề mặt được nghiêng cho đến khi giọt bắt đầu di chuyển, và phương pháp Wilhemy plate, trong đó một tấm chất rắn được nhúng vào hoặc rút ra khỏi chất lỏng.

Ứng dụng

Góc tiếp xúc có nhiều ứng dụng trong khoa học và công nghệ, bao gồm:

Đánh giá tính thấm ướt của bề mặt: Quan trọng trong in ấn, sơn, chất kết dính và các ứng dụng phủ bề mặt khác. Tính thấm ướt tốt là cần thiết cho sự bám dính tốt.
Đặc trưng hóa vật liệu: Cung cấp thông tin về năng lượng bề mặt và tính chất bề mặt của vật liệu.
Thiết kế bề mặt tự làm sạch: Bề mặt siêu kỵ nước với góc tiếp xúc lớn hơn 150° được sử dụng để tạo ra các vật liệu tự làm sạch, thường được gọi là hiệu ứng lá sen.
Khoa học giao diện: Nghiên cứu các tương tác giữa chất lỏng và chất rắn ở mức độ phân tử.
Vi lỏng: Điều khiển dòng chảy của chất lỏng trong các kênh vi mô, ví dụ trong các thiết bị xét nghiệm tại chỗ (point-of-care diagnostics).

Phương trình Young

Phương trình Young liên hệ năng lượng bề mặt của ba pha: rắn, lỏng và khí.

$ \gamma{SG} = \gamma{SL} + \gamma_{LG} \cos \theta $

trong đó:

$\gamma_{SG}$: Năng lượng bề mặt ranh giới rắn-khí
$\gamma_{SL}$: Năng lượng bề mặt ranh giới rắn-lỏng
$\gamma_{LG}$: Năng lượng bề mặt ranh giới lỏng-khí (sức căng bề mặt)
$\theta$: Góc tiếp xúc

Phương trình Young chỉ áp dụng cho bề mặt lý tưởng, đồng nhất và trơn nhẵn. Trên thực tế, bề mặt thường không đồng nhất và nhám, dẫn đến góc tiếp xúc khác với giá trị dự đoán bởi phương trình Young.

Các mô hình nâng cao cho bề mặt không lý tưởng

Như đã đề cập, phương trình Young chỉ đúng với bề mặt lý tưởng. Trong thực tế, bề mặt thường không đồng nhất và nhám, ảnh hưởng đáng kể đến góc tiếp xúc. Hai mô hình phổ biến được sử dụng để mô tả hiện tượng này là:

Mô hình Wenzel: Áp dụng cho bề mặt nhám đồng nhất về mặt hóa học, mô hình Wenzel giả định chất lỏng hoàn toàn lấp đầy các chỗ lõm trên bề mặt. Góc tiếp xúc hiệu dụng, $ \theta^* $, được liên hệ với góc tiếp xúc Young, $ \theta $, bởi phương trình: $ \cos \theta^* = r \cos \theta $ , trong đó $r$ là hệ số nhám, được định nghĩa là tỷ số giữa diện tích bề mặt thực tế và diện tích bề mặt hình học chiếu. ($r > 1$).
Mô hình Cassie-Baxter: Áp dụng cho bề mặt không đồng nhất về mặt hóa học, mô hình này giả định chất lỏng chỉ tiếp xúc với một phần bề mặt rắn, phần còn lại bị chiếm bởi không khí. Góc tiếp xúc hiệu dụng được tính theo: $ \cos \theta^* = f_s \cos \theta – f_v $, trong đó $f_s$ là phần diện tích bề mặt rắn tiếp xúc với chất lỏng, và $f_v$ là phần diện tích bề mặt rắn tiếp xúc với không khí. ($f_s + f_v = 1$).

Hiện tượng trễ góc tiếp xúc (Contact Angle Hysteresis)

Trễ góc tiếp xúc là sự khác biệt giữa góc tiếp xúc tiến (advancing contact angle) và góc tiếp xúc lùi (receding contact angle). Góc tiếp xúc tiến là góc lớn nhất quan sát được khi chất lỏng tiến dần trên bề mặt, trong khi góc tiếp xúc lùi là góc nhỏ nhất quan sát được khi chất lỏng rút khỏi bề mặt. Hiện tượng này thường do sự không đồng nhất về mặt hóa học hoặc hình thái của bề mặt, cũng như sự hấp phụ của chất lỏng trên bề mặt. Độ lớn của trễ góc tiếp xúc ($\Delta \theta = \theta_A – \theta_R$, với $\theta_A$ là góc tiếp xúc tiến và $\theta_R$ là góc tiếp xúc lùi) là một chỉ số quan trọng cho biết tính di động của chất lỏng trên bề mặt.

Ảnh hưởng của các yếu tố khác

Ngoài những yếu tố đã đề cập, góc tiếp xúc cũng có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác như:

Điện trường: Áp dụng điện trường có thể làm thay đổi góc tiếp xúc, được gọi là hiện tượng điện thấm ướt (electrowetting).
Áp suất: Áp suất có thể ảnh hưởng đến góc tiếp xúc, đặc biệt là trong các hệ thống xốp.
Dung môi hòa tan: Các dung môi hòa tan trong chất lỏng có thể làm thay đổi sức căng bề mặt và do đó ảnh hưởng đến góc tiếp xúc.

Tóm tắt về Góc tiếp xúc

Góc tiếp xúc là một đại lượng quan trọng đặc trưng cho tính thấm ướt của bề mặt, được định nghĩa là góc được tạo thành tại giao điểm ba pha rắn-lỏng-khí. Góc tiếp xúc nhỏ hơn 90° cho biết chất lỏng thấm ướt bề mặt, trong khi góc tiếp xúc lớn hơn 90° cho thấy chất lỏng không thấm ướt bề mặt. Phương trình Young, $ \gamma{SG} = \gamma{SL} + \gamma{LG} \cos \theta $, liên hệ góc tiếp xúc với năng lượng bề mặt của ba pha, nhưng chỉ áp dụng cho bề mặt lý tưởng.

Trên thực tế, bề mặt thường không đồng nhất và nhám, dẫn đến sự sai lệch so với phương trình Young. Mô hình Wenzel và Cassie-Baxter được sử dụng để mô tả góc tiếp xúc trên các bề mặt nhám và không đồng nhất, tương ứng. Hiểu rõ các mô hình này là cần thiết để giải thích chính xác hiện tượng thấm ướt trên các bề mặt thực tế. Ngoài ra, hiện tượng trễ góc tiếp xúc, thể hiện sự khác biệt giữa góc tiếp xúc tiến và góc tiếp xúc lùi, cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét khi nghiên cứu tính thấm ướt.

Các yếu tố khác như nhiệt độ, độ tinh khiết của bề mặt, thành phần chất lỏng, điện trường và áp suất cũng có thể ảnh hưởng đến góc tiếp xúc. Ứng dụng của góc tiếp xúc rất rộng rãi, từ đánh giá tính thấm ướt trong in ấn và sản phủ đến thiết kế bề mặt tự làm sạch và nghiên cứu vi lỏng. Việc đo và phân tích góc tiếp xúc cung cấp thông tin hữu ích về tính chất bề mặt và tương tác giữa chất lỏng và chất rắn, đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ.

Tài liệu tham khảo

de Gennes, P.-G., Brochard-Wyart, F., & Quéré, D. (2004). Capillarity and Wetting Phenomena: Drops, Bubbles, Pearls, Waves. Springer.
Israelachvili, J. N. (2011). Intermolecular and Surface Forces. Academic Press.
Yuan, Y., & Lee, T. R. (2013). Contact Angle and Wetting Properties. Springer.
Butt, H.-J., Graf, K., & Kappl, M. (2013). Physics and Chemistry of Interfaces. Wiley-VCH.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để đo góc tiếp xúc một cách chính xác và đáng tin cậy trên bề mặt nhám?

Trả lời: Đo góc tiếp xúc trên bề mặt nhám đòi hỏi phải cẩn thận hơn so với bề mặt trơn. Phương pháp đặt giọt (sessile drop method) vẫn được sử dụng phổ biến, nhưng cần phải chụp ảnh giọt chất lỏng ở độ phân giải cao để xác định chính xác đường tiếp tuyến tại điểm tiếp xúc ba pha. Ngoài ra, nên đo cả góc tiếp xúc tiến và góc tiếp xúc lùi để đánh giá trễ góc tiếp xúc, từ đó có cái nhìn đầy đủ hơn về tính thấm ướt của bề mặt. Việc sử dụng các phần mềm phân tích hình ảnh chuyên dụng cũng giúp tăng độ chính xác của phép đo.

Ngoài mô hình Wenzel và Cassie-Baxter, còn mô hình nào khác mô tả góc tiếp xúc trên bề mặt không lý tưởng?

Trả lời: Bên cạnh Wenzel và Cassie-Baxter, còn có một số mô hình khác được phát triển để mô tả góc tiếp xúc trên bề mặt phức tạp hơn, ví dụ như:

Mô hình hỗn hợp (Mixed-state model): Kết hợp cả Wenzel và Cassie-Baxter, mô tả trường hợp chất lỏng vừa lấp đầy một phần các chỗ lồi lõm trên bề mặt, vừa giữ lại một phần không khí.
Mô hình Metastable Cassie-Baxter: Mô tả trạng thái mà chất lỏng có thể chuyển đổi giữa trạng thái Cassie-Baxter và Wenzel.

Các mô hình này phức tạp hơn và đòi hỏi nhiều thông số đầu vào hơn, nhưng cung cấp mô tả chính xác hơn về tính thấm ướt trên các bề mặt thực tế.

Ứng dụng của điện thấm ướt trong đời sống là gì?

Trả lời: Điện thấm ướt có nhiều ứng dụng tiềm năng, bao gồm:

Màn hình hiển thị: Điều khiển góc tiếp xúc của chất lỏng có thể thay đổi hình dạng và vị trí của các điểm ảnh, tạo ra màn hình điện tử với độ tương phản và tốc độ làm mới cao.
Thấu kính điều chỉnh: Thay đổi góc tiếp xúc cho phép điều chỉnh độ cong của bề mặt chất lỏng, tạo ra thấu kính có tiêu cự thay đổi được.
“Lab-on-a-chip” (phòng thí nghiệm trên chip): Điện thấm ướt được sử dụng để điều khiển dòng chảy của chất lỏng trong các kênh vi mô, cho phép thực hiện các phản ứng hóa học và phân tích sinh học trên một con chip nhỏ.

Tại sao trễ góc tiếp xúc lại quan trọng trong các ứng dụng thực tế?

Trả lời: Trễ góc tiếp xúc phản ánh tính di động của chất lỏng trên bề mặt. Trễ góc tiếp xúc lớn cho thấy chất lỏng khó di chuyển trên bề mặt, trong khi trễ góc tiếp xúc nhỏ cho thấy chất lỏng di chuyển dễ dàng. Ví dụ, trong ứng dụng sơn phủ, trễ góc tiếp xúc thấp là mong muốn để sơn có thể lan đều trên bề mặt. Ngược lại, trong ứng dụng tự làm sạch, trễ góc tiếp xúc thấp kết hợp với góc tiếp xúc cao sẽ giúp nước dễ dàng cuộn đi và mang theo bụi bẩn.

Làm sao để thay đổi góc tiếp xúc của một bề mặt cho trước?

Trả lời: Có nhiều cách để thay đổi góc tiếp xúc của một bề mặt, bao gồm:

Xử lý bề mặt: Các phương pháp xử lý bề mặt như plasma, phủ lớp mỏng, và xử lý hóa học có thể thay đổi năng lượng bề mặt và do đó ảnh hưởng đến góc tiếp xúc.
Tạo kết cấu bề mặt: Tạo các kết cấu micro và nano trên bề mặt có thể làm tăng hoặc giảm góc tiếp xúc, tùy thuộc vào hình dạng và kích thước của các kết cấu.
Sử dụng chất hoạt động bề mặt: Thêm chất hoạt động bề mặt vào chất lỏng có thể làm giảm sức căng bề mặt và do đó giảm góc tiếp xúc.
Áp dụng điện trường (điện thấm ướt): Như đã đề cập ở trên, điện trường có thể thay đổi góc tiếp xúc của chất lỏng trên bề mặt.

Một số điều thú vị về Góc tiếp xúc

Bề mặt siêu kỵ nước của lá sen: Lá sen nổi tiếng với khả năng tự làm sạch nhờ bề mặt siêu kỵ nước với góc tiếp xúc lớn hơn 150°. Kết cấu bề mặt gồ ghề ở cấp độ micro và nano, kết hợp với lớp sáp kỵ nước, tạo ra hiệu ứng “lá sen” (lotus effect), cho phép nước cuộn đi dễ dàng và mang theo bụi bẩn.
Bọ gậy nước di chuyển trên mặt nước: Chân của bọ gậy nước được bao phủ bởi hàng ngàn sợi lông nhỏ kỵ nước, tạo ra một lớp đệm không khí giữa chân và mặt nước. Điều này cho phép chúng phân bố trọng lượng cơ thể trên một diện tích rộng và nổi trên mặt nước mà không bị chìm.
Công nghệ chống thấm nước cho quần áo: Lấy cảm hứng từ tự nhiên, các nhà khoa học đã phát triển các vật liệu chống thấm nước bằng cách tạo ra các bề mặt siêu kỵ nước. Quần áo được xử lý bằng các vật liệu này có khả năng chống thấm nước vượt trội, giúp nước cuộn đi mà không thấm vào vải.
Geckos bám dính trên tường: Mặc dù không liên quan trực tiếp đến góc tiếp xúc, khả năng bám dính phi thường của geckos cũng dựa trên tương tác bề mặt ở cấp độ nano. Hàng triệu sợi lông nhỏ trên bàn chân của chúng tạo ra lực van der Waals đủ mạnh để chúng bám chắc vào hầu hết mọi bề mặt, ngay cả trên trần nhà.
Điện thấm ướt (Electrowetting): Bằng cách áp dụng điện trường, chúng ta có thể thay đổi góc tiếp xúc của giọt chất lỏng trên bề mặt. Hiện tượng này được gọi là điện thấm ướt và có ứng dụng tiềm năng trong các thiết bị hiển thị, thấu kính điều chỉnh và các hệ thống vi lỏng.
Góc tiếp xúc trong không gian: Trong môi trường vi trọng lực, hình dạng của giọt chất lỏng bị chi phối bởi sức căng bề mặt chứ không phải trọng lực. Do đó, góc tiếp xúc đóng vai trò quan trọng hơn trong việc xác định hình dạng và hành vi của chất lỏng trong không gian.
Đo góc tiếp xúc để đánh giá chất lượng sữa: Góc tiếp xúc có thể được sử dụng để đánh giá chất lượng sữa, đặc biệt là hàm lượng chất béo. Sữa có hàm lượng chất béo cao hơn thường có góc tiếp xúc thấp hơn trên bề mặt kỵ nước.