Captive bubble method

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

The captive bubble method is a method for measuring the contact angle between a liquid and a solid, by using drop shape analysis.[1] In this method, a bubble of air is injected beneath a solid, the surface of which is located in the liquid, instead of placing a drop on the solid as in the case of the sessile drop technique. A liquid and a solid are replaced by using drop shape analysis.[2]

The method is particularly suitable for solids with high surface energy, where liquids spread out. Hydrogels, such as those that comprise soft contact lenses, are inaccessible to the standard arrangement; so the captive bubble method is also used in such cases.[3] A contact angle is formed on a smooth, periodically heterogeneous solid surface. Above the solid surface, a liquid drop is submerged in a fluid. The measurement of contact angles usually contributes to the measurement of the surface energy of solids in the industry. Different from other methods of measuring the contact angle, such as the sessile drop technique, the system utilized in the captive bubble method has the fluid bubble attached from below to the solid surface, such that both the liquid bubble and the solid interact with a fluid.

Application and significance

Surface energy of solids

عندما يتكون النظام من سطح صلب وقطرة سائل، تنشأ نقاط طاقة دنيا وعليا بفعل الطاقة الحرة للنظام. وعندما يكون السطح الصلب خشنًا أو متجانسًا، قد يحتوي النظام (المكون من مادة صلبة وسائلة ومائع) على نقاط طاقة دنيا متعددة ناتجة عن الطاقة الحرة عند نقاط مختلفة. إحدى هذه النقاط هي نقطة الطاقة الدنيا العالمية، وهي أدنى طاقة حرة في النظام، وتُعرف بأنها حالة التوازن المستقر. علاوة على ذلك، تُشير نقاط الطاقة الدنيا الأخرى إلى حالات التوازن شبه المستقرة للنظام. وبين هذه النقاط، توجد حواجز طاقة تُعيق انتقال الطاقة بين مختلف الحالات شبه المستقرة في النظام. كما يتأثر انتقال الطاقة بين الحالات شبه المستقرة بتوافر الطاقة الخارجية للنظام، والتي ترتبط بحجم قطرة السائل على السطح الصلب. وبالتالي، قد يؤثر حجم السائل على مواقع نقاط الطاقة الدنيا، مما قد يؤثر بدوره على زوايا التلامس بين المادة الصلبة والسائل. ترتبط زوايا التلامس ارتباطًا مباشرًا بما إذا كان السطح الصلب مثاليًا، أو بعبارة أخرى، ما إذا كان سطحًا أملسًا وغير متجانس. [ 4 ]

تحليل سطح غشاء التناضح العكسي

المصدر: [ 5 ]

قد يكون قياس زوايا التلامس باستخدام طريقة الفقاعة المحصورة مفيدًا أيضًا في تحليل سطح غشاء التناضح العكسي ودراسة أدائه. فمن خلال تحليل زوايا التلامس، يمكن تحديد خصائص الأغشية، مثل خشونة السطح. وتُشير خشونة السطح، التي تدل على مساحة السطح الفعالة، إلى إمكانية دراسة خصائص السطح المحبة للماء والكارهة للماء . وقد أظهرت الدراسات أن زاوية التلامس الأعلى قد تُشير إلى سطح أكثر كراهية للماء في تحليل الأغشية. وفي أداء طريقة الفقاعة المحصورة في تحليل الأغشية، تؤثر عدة عوامل على زاوية التلامس، بما في ذلك حجم الفقاعة، وأنواع السوائل، والتوترات.

التوترات السطحية للمواد الفعالة سطحياً في الرئة

المصدر: [ 6 ]

بالمقارنة مع استخدام طريقة الفقاعة المحصورة في قياس زوايا التلامس في حالات أخرى، تُحافظ زاوية التلامس في دراسة طبقة الفاعل السطحي الرئوي على ثباتها عند 180 درجة، وذلك بفضل خاصية هلام الأغار المُرطّب على سطح الفقاعة. صُمّم النظام المُستخدم في دراسة الفاعل السطحي الرئوي ليكون مانعًا للتسرب، مما يضمن استقلالية الغشاء السطحي للفقاعات عن المواد الأخرى كالجدران البلاستيكية والحواجز والمنافذ. وبدلًا من إضافة أنابيب إضافية أو ثقب سطح الفقاعة المائي بإبر، يُنشأ هذا النظام المغلق عن طريق ضبط الضغط داخل حجرة العينة المغلقة بإضافة أو إزالة وسط مائي لتنظيم حجم الفقاعة والتوتر السطحي للأغشية غير القابلة للذوبان على سطحها.

بما أن أحجام الفقاعات يتم التحكم فيها عن طريق تعديل الضغط في حجرة العينة، فإن مساحة السطح والتوتر السطحي لغشاء المادة الفعالة على سطح الفقاعة يقلان مع انخفاض حجم الفقاعة.

في هذه الحالة، قد يختلف شكل الفقاعة من كروي إلى بيضاوي تبعًا للتوتر السطحي، والذي يُمكن حسابه من خلال قياس ارتفاع الفقاعات وقطرها. إضافةً إلى قياس التوتر السطحي، يُمكن أيضًا استخدام تكوّن الفقاعات في قياس امتصاص المادة الفعالة السطحية في الرئة ، والذي يُحدد سرعة تراكم المواد على سطح التماس بين الهواء والسائل في المادة الفعالة السطحية الرئوية لتشكيل طبقة رقيقة.

هناك طريقتان لقياس الامتزاز باستخدام الفقاعات المحصورة:

  1. إحدى طرق تكوين الفقاعات لقياس الامتزاز هي البدء بفقاعة صغيرة قطرها 2-3 مم في حجرة قطرها 10 مم، ثم توسيعها أو ضغطها لاحقًا. تُدخل الفقاعة أولًا إلى الحجرة بواسطة أنبوب بلاستيكي صغير موصول بمحقنة دقيقة سعتها 50 ميكرولتر. ثم تُوسّع الفقاعة إما بانخفاض مفاجئ في الضغط داخلها أو بزيادة حجم الحجرة بتحريك المكبس الموجود في نهاية الأسطوانة الزجاجية. لحساب معدل الامتزاز بدقة، يجب مراعاة الكمية الأولية للمادة الفعالة سطحيًا على سطح الفقاعة قبل تغيير الحجم.
  2. هناك طريقة أخرى لقياس الامتزاز، وهي بدء تكوين فقاعة بحجم ثابت بدلاً من حجم أو قطر محدد، وذلك باستخدام إبرة في المدخل السفلي لحجرة الفقاعات. عادةً ما يكون الحجم الثابت المبدئي 200 مل، أي ما يعادل قطرًا يبلغ حوالي 7 مم. وكما في الطريقة الأولى، يجب حساب تراكم المادة على سطح الفقاعة أثناء تكوينها لتقييم معدل الامتزاز بدقة.

مقارنة بين تقنية القطرة الساكنة وطريقة الفقاعة المحصورة

تُعدّ طريقة القطرة الساكنة طريقة شائعة أخرى لقياس زوايا التلامس، وتتم بوضع قطرة ثنائية الأبعاد على سطح صلب والتحكم في حجم السائل داخلها. ويمكن استخدام طريقتي القطرة الساكنة والفقاعة المحصورة بشكل متبادل في التجارب، إذ تعتمدان على خاصية التناظر. فعلى وجه التحديد، يجعل محور تناظر القطرة أو الفقاعة خط التلامس بينها وبين السطح الصلب دائريًا، مما يُنتج زاوية تلامس قابلة للملاحظة تُقابل نصف قطر التلامس للقطرة أو الفقاعة.

ومع ذلك، عند التفاعل مع سطح خشن متجانس في قياسات زوايا التلامس، فإن القطرة والفقاعة تظهران سلوكيات مختلفة في عملية القياس، والتي ترتبط بحجم السائل وزوايا التلامس.

  1. على سطح خشن متجانس، قد لا تمثل زاوية التلامس المرصودة زاوية التلامس الفعلية مع الميل الموضعي، إذ قد لا يكون من الممكن رصده على سطح خشن. تُسمى زاوية التلامس المرصودة على سطح خشن أيضًا بالزاوية الظاهرية، وهي تعادل مجموع زاوية التلامس الحقيقية وميل السطح الموضعي عند مماس ميل التلامس لقطرة أو فقاعة. في طريقة القطرة الساكنة، عادةً ما تُقلل زاوية التلامس المرصودة من قيمة زاوية التلامس الحقيقية، بينما في طريقة الفقاعة المحصورة، تُبالغ زاوية التلامس المرصودة في تقدير زاوية التلامس الحقيقية للسطح الخشن. [ 7 ]
  2. إذا رُسمت رسوم بيانية لقياسات زوايا التلامس باستخدام طريقة القطرة الساكنة وطريقة الفقاعة المحصورة، مع مراعاة حجم السائل داخل القطرة أو الفقاعة وزاوية التلامس المقاسة، فإن العلاقات الهندسية توضح خصائص مختلفة لكل طريقة. وبالنظر إلى العلاقة بين زوايا التلامس وموضع التلامس لحجم معين في القطرة أو الفقاعة، فإن أعلى وأدنى زوايا التلامس الممكنة بالنسبة للحجم تعتمد على بعضها البعض بشكل مختلف في الطريقتين.
  3. بالنسبة لسعة التذبذبات الموضحة في الرسم البياني، تُظهر كل من القطرة والفقاعة المحصورة رتبة مقدارية متقاربة عند زاوية تلامس منخفضة نسبيًا. من ناحية أخرى، على سطح خشن بزاوية تلامس عالية نسبيًا، تكون السعة الموضحة للقطرة أكبر من تلك الخاصة بالفقاعة المحصورة. تُظهر سعة التذبذب عند أدنى وأعلى زاوية تلامس ممكنة الفرق بين طريقة القطرة وطريقة الفقاعة المحصورة، حيث تكون سعة الرسم البياني لطريقة الفقاعة المحصورة أكبر نسبيًا من سعة الرسم البياني لطريقة القطرة الساكنة.
  4. من حيث طول موجة الرسم البياني، يمتد طول الموجة لكلا الطريقتين على نطاق واسع من أحجام السائل على السطح الصلب. وتختلف الاختلافات في سلوك القطرة والفقاعة من أدنى زوايا التلامس الممكنة إلى أعلى زوايا التلامس الممكنة. [ 8 ]

مراجع

  1. ↑ مارمور، أبراهام (أبريل 1998). "تخلف زاوية التلامس على الأسطح الملساء غير المتجانسة: مقارنة نظرية بين طريقتي الفقاعة المحصورة والقطرة" . الغرويات والأسطح أ: الجوانب الفيزيائية والكيميائية والهندسية . 136 ( 1-2 ): 209-215 . doi : 10.1016/S0927-7757(97)00346-4 .
  2. ↑ مارمور، أبراهام (أبريل 1998). "تخلف زاوية التلامس على الأسطح الملساء غير المتجانسة: مقارنة نظرية بين طريقتي الفقاعة المحصورة والقطرة" . الغرويات والأسطح أ: الجوانب الفيزيائية والكيميائية والهندسية . 136 ( 1-2 ): 209-215 . doi : 10.1016/S0927-7757(97)00346-4 .
  3. ↑ بايك، يونغ بين؛ كانغ، جونيل؛ ثياتو، باتريك؛ يون، جيونغ (أكتوبر 2012). "قياس محبة الماء لأغشية التناضح العكسي بزوايا التلامس باستخدام طريقة القطرة الساكنة والفقاعة المحصورة: دراسة مقارنة". التحلية . 303 : 23-28 . doi : 10.1016/j.desal.2012.07.006 .
  4. ↑ مارمور، أبراهام (أبريل 1998). "تخلف زاوية التلامس على الأسطح الملساء غير المتجانسة: مقارنة نظرية بين طريقتي الفقاعة المحصورة والقطرة" . الغرويات والأسطح أ: الجوانب الفيزيائية والكيميائية والهندسية . 136 ( 1-2 ): 209-215 . doi : 10.1016/S0927-7757(97)00346-4 .
  5. ↑ بايك، يونغ بين؛ كانغ، جونيل؛ ثياتو، باتريك؛ يون، جيونغ (أكتوبر 2012). "قياس محبة الماء لأغشية التناضح العكسي بزوايا التلامس باستخدام طريقة القطرة الساكنة والفقاعة المحصورة: دراسة مقارنة". التحلية . 303 : 23-28 . doi : 10.1016/j.desal.2012.07.006 .
  6. ↑ شورش، صموئيل؛ غرين، فرانسيس؛ باخوفن، هانز (19 نوفمبر 1998). "تكوين وبنية الأغشية السطحية: قياس التوتر السطحي باستخدام الفقاعات المحصورة" . مجلة بيوكيميكا وبيوفيزيكا أكتا (BBA) - الأساس الجزيئي للأمراض . 1408 ( 2-3 ): 180-202 . doi : 10.1016/S0925-4439(98)00067-2 . PMID 9813315 . 
  7. ↑ مارمور، أبراهام (أكتوبر 1997). "تخلف زاوية التلامس على الأسطح الملساء غير المتجانسة: مقارنة نظرية بين طريقتي الفقاعة المحصورة والقطرة" . الغرويات والأسطح أ: الجوانب الفيزيائية والكيميائية والهندسية . 136 ( 1-2 ): 209-215 . doi : 10.1016/S0927-7757(97)00346-4 .
  8. ↑ رويز-كابيلو، إف جيه مونتيس؛ رودريغيز-فالفيردي، إم إيه؛ مارمور، إيه؛ كابريزو-فيلشيز، إم إيه (يونيو 2011). "مقارنة بين طريقتي القطرة الساكنة والفقاعة المحصورة على الأسطح الخشنة المتجانسة: دراسة عددية". لانغمير . 27 (15): 9638-9643 . doi : 10.1021/la201248z . PMID 21644547 .