Pintojen kostumisen luotettava mittaaminen helpottaa uusien materiaalien suunnittelua

Aalto-yliopiston ja kiinalaisen Sun Yat-sen -yliopiston tutkijat ovat kehittäneet standardoidun tavan parantaa pintojen kostumisen analysoinnin tarkkuutta ja luotettavuutta.

Pintamateriaalien ja nesteiden vuorovaikutuksen tunteminen on perusehto monille itsestäänselvyyksinä pitämiemme laitteiden toiminnalle. Esimerkiksi arkipäiväinen tulostaminen ei olisi mahdollista ilman tietoa keinoista saada väriaine siirrettyä paperiin ja pysymään siinä juuri halutulla tavalla. Samalla tiedolla voi ehkäistä myös ympäristökatastrofeja: öljy voidaan erottaa vedestä tankkerionnettomuuksien jäljiltä pelleteillä, jotka hylkivät vettä, imevät öljyä ja jäävät kellumaan veden pinnalle helposti pois kerättäväksi.

Kostumisen eli nesteen ja sen kanssa kontaktiin joutuvan kiinteän materiaalin vuorovaikutuksen yksityiskohtien luotettava analysointi on materiaalisuunnittelun lähtökohta monilla teollisuudenaloilla.

Aalto-yliopiston ja Sun Yat-sen -yliopiston tutkijat esittelevät Nature Protocols -lehdessä julkaistussa artikkelissaan uuden, täsmällisen menetelmän kostumisen mittausta varten. Tutkijat ehdottavat menetelmää kansainvälisen tutkimusyhteisön yleiseksi standardiksi, jotta eri tutkimusryhmien tuloksia voisi hyödyntää nykyistä paremmin ja yhdenmukaisemmin uusia materiaalien kehitystyössä.

Yleisin tapa tutkia kostumista on mitata nestepisaran muotoa ja erityisesti kiinteän pinnan ja pisaran välistä kontaktikulmaa, kun pinta ja pisara joutuvat kosketuksiin. Pieni kontaktikulma tarkoittaa sitä, että neste levittyy ja imeytyy pintaan, suuri kontaktikulma taas sitä, että pinta hylkii nestettä. Kontaktikulmamittauksen kehitti alun perin Thomas Young jo vuonna 1805.

Kontaktikulmamittaus hämää tutkijoita edelleen yksinkertaisuudellaan. Nature Procols -lehdessä tutkijat huomauttavat, että todellisia pintoja ei voi kuvailla tarkasti yksittäisellä ja pysyvällä kontaktikulman arvolla. Se on mahdollista vain ihanteellisissa tilanteissa, joissa kiinteä pinta on atomitasolla täysin sileä eikä siinä ole kemiallisia epäpuhtauksia. Todelliset olosuhteet, joihin materiaaleja suunnitellaan, täyttävät vaatimukset kuitenkin ani harvoin.

”Sen sijaan olisi mitattava pintaa pitkin kasvavan ja pienenevän pisaran etenevien ja vetäytyvien kontaktikulmien pareja. Monissa kostumista koskevissa tutkimuksissa kerrotaan kuitenkin yhä vain yksittäisen pysyvän kontaktikulman arvo, eikä nesteen käyttäytymistä pinnalla voi siksi tietää tarkasti ja luotettavasti”, Aalto-yliopiston tohtoriopiskelija ja artikkelin pääkirjoittaja Tommi Huhtamäki kertoo.

”Kaikkialla ympärillämme on paljon tärkeitä materiaaleja, joiden kostumisominaisuudet on suunniteltava tarkasti. Rakennuksissa, lentokoneissa ja esimerkiksi verinäytteiden analyysilaitteissa käytettävien materiaalien suorituskykyä ja kestävyyttä testattaessa arvioidaan nimenomaan kontaktikulmia. On erittäin tärkeää, että niiden tutkimus on toteutettu yhteismitallisten ja luotettavien standardien pohjalta”, sanoo Aalto-yliopiston professori Robin Ras.

Tutkimusartikkeli:
Tommi Huhtamäki, Xuelin Tian, Juuso T. Korhonen and Robin H. A. Ras: Surface Wetting Characterization using Contact Angle Measurements. Nature Protocols (2018).
DOI: 10.1038/s41596-018-0003-z

Lisätietoja:
Robin Ras, professori
Aalto-yliopisto
Teknillisen fysiikan laitos
Soft Matter and Wetting -tutkimusryhmä
robin.ras@aalto.fi
puh. 050 432 6633