Die Captive-Bubble-Methode erklärt

Abbildung 1: Die Captive-Bubble-Methode ist eine spezielle Methode zur Messung des Kontaktwinkels. Dabei wird ein Flüssigkeitstropfen oder eine Gasblase auf einer festen Oberfläche in einer umgebenden Flüssigkeit platziert.

Die Captive-Bubble-Methode dient der Ermittlung des Kontaktwinkels. Sie ermöglicht die Untersuchung des Kontaktwinkels auf einer festen Oberfläche in einer umgebenden Flüssigkeit und kann insbesondere bei sehr leicht benetzbaren Oberflächen angewendet werden. Für die praktische Umsetzung ist ein Kontaktwinkelmessgerät erforderlich.

Was ist die Captive-Bubble-Methode und wofür wird sie angewendet?

Die Captive-Bubble-Methode ist eine spezielle Methode zur Messung des Kontaktwinkels. Sie ist eng verwandt mit der Sessile-Drop-Methode. Bei der Sessile-Drop-Methode ruht ein Flüssigkeitstropfen auf einer festen Oberfläche in einer Gasphase (in der Regel Luft). Bei der Captive-Bubble-Methode hingegen ist der Festkörper mit einer umgebenden Flüssigkeit in Kontakt und eine Gasblase oder ein Flüssigkeitstropfen einer zweiten Flüssigkeit wird auf dem Festkörper abgesetzt.

Ein entscheidender Vorteil der Captive-Bubble-Methode liegt darin, dass sie die Untersuchung unter Flüssigkeitsbedingungen erlaubt. Das macht sie besonders geeignet für biologische Oberflächen, hydrophile Materialien oder beschichtete Substrate, die in der Gasphase instabil wären.

Ein weiterer Vorteil ist, dass Proben getestet werden können, die sehr leicht benetzbar sind. Während einer Kontaktwinkelmessung mit Hilfe der Sessile-Drop-Methode würde ein Flüssigkeitstropfen auf solchen Oberflächen komplett spreiten, sodass eine genaue Ermittlung des Kontaktwinkels nicht möglich wäre. Die Captive-Bubble-Methode liefert für diese Proben genauere Ergebnisse.

Grundlagen der Captive-Bubble-Methode: die Kontaktwinkelmessung

In der Materialwissenschaft spielt die Bestimmung von Kontaktwinkeln und der daraus abgeleiteten Oberflächenenergie von Feststoffen eine entscheidende Rolle, um die Wechselwirkungen zwischen Festkörperoberflächen und Flüssigkeiten zu verstehen.

Der Kontaktwinkel beschreibt den Winkel, den ein Flüssigkeitstropfen auf einer festen Oberfläche ausbildet und liefert Informationen über das Benetzungsverhalten dieser Flüssig-Fest-Kombination. Die Messung des Kontaktwinkels einer Flüssigkeit auf einem Festkörper gibt Aufschluss über das Benetzungsverhalten dieser Kombination. Bei einem Kontaktwinkel von 0° ist der Tropfen vollständig auf der Festkörperoberfläche ausgebreitet. Bei einem Kontaktwinkel von 180° liegt der Tropfen kugelförmig zusammengezogen auf der Oberfläche auf und berührt den Festkörper nur an einem Punkt. In der Praxis liegt der Kontaktwinkel meist zwischen diesen beiden Extremwerten.

Wie wird die Captive-Bubble-Methode in der Praxis umgesetzt?

Zur Durchführung der Captive-Bubble-Methode wird ein Kontaktwinkelmessgerät verwendet, wie etwa die Geräte der OCA-Serie von DataPhysics Instruments. Ein Kontaktwinkelmessgerät besteht aus einer Dosiereinheit, meist eine Spritze mit Nadel, die über der Probenplattform hängt, sowie einer Lichtquelle und einer Kamera zur Bildauswertung.

Auf die Probenplattform wird ein durchsichtiges Gefäß gestellt, das mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Der feste Probenkörper wird waagrecht in der Flüssigkeit positioniert, sodass er vollständig von der Flüssigkeit umgeben ist. Über eine gebogene, U-förmige Nadel wird mithilfe einer Spritze eine Gasblase auf die Unterseite des festen Probenkörpers platziert. Durch die Wechselwirkung der Phasen – Festkörper, Flüssigkeit und Gas – bildet sich an der Kontaktlinie ein charakteristischer Kontaktwinkel aus. Dieser beschreibt den Gleichgewichtszustand zwischen den Oberflächenspannungen der beteiligten Phasen. Der Kontaktwinkel wird dann optisch, mit einer hochauflösenden Kamera, erfasst und anschließend mittels einer Bildauswertungssoftware quantifiziert.

Alternativ kann anstelle einer Gasblase auch ein Flüssigkeitstropfen auf dem Festkörper abgesetzt werden, um die Wechselwirkung zwischen den Flüssigkeiten A und B sowie dem Festkörper zu untersuchen.

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