Ángulo de contacto explicado
Figura 1: Las gotas de agua forman un ángulo de contacto elevado sobre ciertas hojas de plantas, lo que contribuye al efecto autolimpiante característico de estas superficies.
Una gota de líquido depositada sobre una superficie sólida forma un ángulo de contacto, denominado Θ. Este ángulo depende de la energía superficial del sólido, la energía interfacial entre el sólido y el líquido, y la tensión superficial del líquido. Dicha relación se describe mediante la ecuación de Young. Las mediciones del ángulo de contacto permiten obtener información valiosa sobre el comportamiento de humectación del líquido sobre la superficie sólida.
El ángulo de contacto en la línea de contacto trifásica
Para describir con mayor detalle la situación en la interfaz entre diferentes materiales, el ángulo de contacto Θ es una de las medidas más importantes. Este ángulo se determina depositando una gota de líquido sobre una superficie sólida, donde se encuentran tres fases diferentes: sólido, líquido y gas, que convergen en la línea de contacto trifásica.
Cuando el sistema se encuentra en reposo, existe un equilibrio de fuerzas tangenciales en dicha línea de contacto, lo que da lugar al ángulo de contacto estático ΘC. En cambio, si el sistema está en movimiento, por ejemplo al inclinar la superficie sólida, se pueden medir los ángulos de contacto dinámicos, conocidos como ángulo de avance ΘAdv y ángulo de retroceso ΘRec.
Las mediciones del ángulo de contacto se realizan mediante goniómetros, como los de la serie OCA del fabricante DataPhysics Instruments. Estos equipos cuentan con una amplia variedad de módulos adicionales que permiten realizar investigaciones en múltiples aplicaciones. Entre ellos se incluyen sistemas de dosificación de nanolitros y picolitros para la generación de gotas extremadamente pequeñas, sistemas de control de temperatura y ambiente que permiten realizar estudios en un rango de −30 °C a 1800 °C, así como generadores de humedad para controlar la humedad relativa en la cámara de medición.
La ecuación de Young: relación entre las propiedades del material y el ángulo de contacto
En el caso estático con ángulo de contacto ΘC, existe un equilibrio vectorial entre la energía superficial del sólido σS, la tensión superficial del líquido σL y la energía interfacial sólido-líquido σSL (ver Figura 2). Este equilibrio se expresa en la ecuación de Young:
Donde:
- σL: tensión superficial del líquido
- θC: ángulo de contacto de equilibrio
- σS: energía superficial del sólido
- σSL: energía interfacial entre líquido y sólido
La energía superficial del sólido y la energía interfacial entre el sólido y el líquido suelen ser desconocidas. No obstante, al medir el ángulo de contacto de diversos líquidos de prueba sobre una superficie sólida, es posible determinar la energía superficial del sólido mediante modelos de interacción (ver: Determinación de la energía superficial). Asimismo, se pueden llevar a cabo investigaciones adicionales relacionadas con el trabajo de adhesión.
Los ángulos de contacto proporcionan información sobre las propiedades de humectación de la superficie sólida
La medición del ángulo de contacto entre un líquido y un sólido proporciona información valiosa sobre el comportamiento de humectación de dicha combinación. El tipo de humectación deseado varía según la aplicación específica.
Cuando el ángulo de contacto es de 0°, la gota se extiende completamente sobre la superficie sólida, formando una película líquida delgada, a veces monomolecular; esta situación se denomina humectación completa. Por el contrario, si el ángulo de contacto es de 180°, la gota permanece casi esférica sobre la superficie, tocando el sólido únicamente en un punto, lo que se conoce como deshumectación completa.
En la práctica, el ángulo de contacto suele situarse entre estos dos extremos. Las superficies sólidas que presentan un ángulo de contacto ΘC menor de 90° se consideran generalmente de buena humectabilidad, mientras que ángulos superiores indican que la superficie es difícilmente humectable o, incluso, no humectable.
Uno de los ejemplos más destacados de ángulos de contacto especialmente altos se encuentra en la naturaleza: las gotas de agua ruedan sobre las hojas de la planta de loto. En este caso, no ocurre humectación, y el ángulo de contacto es correspondientemente elevado. Debido a que las gotas en forma de cuentas transportan partículas de suciedad, las hojas presentan un efecto autolimpiante. Actualmente, se están realizando esfuerzos para imitar este efecto loto
en numerosas áreas técnicas, como fachadas autolimpiantes, cerámicas y vidrios para ventanas. En el desarrollo de estos productos, la medición del ángulo de contacto resulta indispensable.
Las mediciones del ángulo de contacto también constituyen la base de numerosas normas y estándares que describen las características de humectación. Una lista considerable de estas normas puede consultarse aquí..
Ejemplos de aplicación para mediciones de ángulo de contacto
Las mediciones del ángulo de contacto resultan siempre útiles cuando sólidos y líquidos entran en contacto y es necesario controlar o modificar las propiedades de humectación y adhesión. Por ello, sus campos de aplicación son muy diversos. Algunos ejemplos importantes son:
- Recubrimientos superficiales: Medición del ángulo de contacto en materiales recubiertos para evaluar la calidad y uniformidad del recubrimiento.
- Industria de pinturas e impresión: Evaluación de la humectabilidad de pinturas, barnices y tintas de impresión sobre diversos sustratos.
- Industria textil: Determinación de la humectabilidad de fibras textiles para comprobar la calidad de tratamientos textiles, como impregnación o el secado.
- Dispositivos médicos: Caracterización de la humectabilidad de implantes médicos para evaluar su biocompatibilidad.
- Industria alimentaria: Evaluación de la humectabilidad de materiales de embalaje para asegurar la imprimibilidad y mejorar las propiedades de almacenamiento.
- Industria de semiconductores: control de la humectabilidad en superficies de chips y sustratos para la fabricación de microchips.
- Ciencias ambientales: medición del ángulo de contacto en superficies de hojas de plantas para estudiar efectos autolimpiantes y distribución del agua.
- Nanotecnología: Caracterización de la humectabilidad de nanomateriales y nanopartículas para optimizar sus propiedades en diversas aplicaciones.
- Industria del petróleo y gas: Evaluación de la humectabilidad de superficies rocosas para comprender mejor el comportamiento de los yacimientos de petróleo y gas.
- Procesos de limpieza y desengrase: Evaluación de la eficiencia de agentes de limpieza y desengrase sobre diferentes superficies para optimizar su efectividad.
