Grenzflächen entstehen dort, wo sich zwei Phasen treffen. Grenzflächen haben verschiedene Eigenschaften, wie etwa die Grenzflächenspannung oder das Zeta-Potential, die sich mit den richtigen Messmethoden quantifizieren lassen. Die Untersuchung dieser Eigenschaften ist in der Praxis von Bedeutung, wenn eine Grenzfläche modifiziert werden soll, um zum Beispiel eine stärkere oder eine schwächere Benetzung oder Haftung zu erzeugen.

Was ist der Unterschied zwischen einer Grenzfläche und einer Oberfläche?

Eine Grenzfläche ist die Kontaktfläche zwischen zwei Phasen, die sich nicht mischen. Als eine Phase wird ein Bereich bezeichnet, indem sich physikalische Größen nicht sprunghaft ändern. Phasen können fest, flüssig oder gasförmig sein. Man unterscheidet fünf Arten von Grenzflächen:

• fest-fest
• fest-flüssig
• fest-gasförmig
• flüssig-flüssig
• flüssig-gasförmig

Da Gase sich untereinander mischen, gibt es keine gasförmig-gasförmigen Grenzflächen. Für fest-gasförmige und flüssig-gasförmige Grenzflächen ist der Begriff Oberfläche gebräuchlich. Somit ist Grenzfläche der Oberbegriff für alle Kontaktflächen. Eine Oberfläche bezeichnet zwei bestimmte Formen von Grenzflächen.

Wie sieht eine Grenzfläche im Detail aus?

Grenzflächen sind keine scharfen, zweidimensionalen Grenzen. Vor allem im Fall der flüssig-gasförmigen Grenzfläche besteht ein dreidimensional ausgedehnter Bereich, in dem die beiden Phasen ineinander übergehen (vgl. Abbildung 2). Allerdings reicht für makroskopische Betrachtungen die vereinfachte Annahme einer dünnen Grenzfläche mit sprunghaftem Übergang aus.

Welche Eigenschaften können Grenz- und Oberflächen haben?

Grenzflächen können Eigenschaften aufweisen, die sich von der restlichen Phase unterscheiden. In den letzten Jahrzehnten hat sich deshalb ein eigener wissenschaftlicher Zweig herausgebildet, der sich ausschließlich mit der Untersuchung und Modifikation von Grenz- und Oberflächen beschäftigt.

Die genaue Charakterisierung von Grenzflächen ist nicht nur in der Forschung, sondern auch in Entwicklungsprozessen vieler Industrien von großer Bedeutung. Die Eigenschaften von Grenzflächen sind äußerst vielseitig. Der Messgerätehersteller DataPhysics Instruments hat sich deshalb auf die Untersuchung einiger wichtiger Kenngrößen spezialisiert.

Die Untersuchung der Benetzung eines Festkörpers mit einer Flüssigkeit ist in vielen Branchen relevant. Wichtige Kenngrößen für das Benetzungsverhalten sind statische und dynamische Kontaktwinkel. Kontaktwinkel können beispielsweise gemessen werden, wenn ein Tropfen auf einer festen Oberfläche sitzt. Aus dem Kontaktwinkel lassen sich weitere Parameter, wie etwa die Oberflächenenergie von Festkörpern mit ihren polaren und dispersen Anteilen ermitteln.

Die Haftung einer Phase an der anderen ergibt sich aus der Grenzflächenenergie sowie weiteren Eigenschaften der Grenzfläche, wie deren Struktur. Die Haftung kann über den Parameter der Adhäsionsarbeit berechnet oder als Adhäsionskraft direkt gemessen werden.

Um die Ladungssituation nahe der Oberfläche zu untersuchen, bietet sich die Messung des sogenannten Zeta-Potentials an. DataPhysics Instruments bietet hierzu ein Messgerät, welches das Zeta-Potential von Pulvern, Fasern und plattenförmigen Festkörpern untersuchen kann.

Die Oberflächenspannung, die eine Flüssigkeit in der Umgebungsluft ausbildet, hat Auswirkungen auf das Benetzungsverhalten der Flüssigkeit auf einem Festkörper. Die Grenzflächenspannung zwischen zwei Flüssigkeiten kann Aufschluss darüber geben, wie sich diese beiden Flüssigkeiten zueinander verhalten.

Um die Stabilität von flüssigen Dispersionen im Zeitverlauf zu analysieren, bietet sich eine optische Stabilitäts- und Alterungsuntersuchung an. Flüssige Mehrphasengemische können so in Hinblick auf ihre Destabilisierungsprozesse, wie Sedimentation und Aufrahmung, untersucht werden.

Umwelteinflüsse können die Eigenschaften von Grenzflächen verändern. Dazu zählen etwa die Konzentration von Tensiden, die Luftfeuchtigkeit oder die Temperatur. Diese Umwelteinflüsse sollten in der Messpraxis überwacht und gegebenenfalls kontrolliert werden.