kimia permukaan
mengingat translate_an tugas kuliah "kimia permukaan"
dan ini hasilnya :)
dan ini hasilnya :)
Hubungan pengukuran
sudut dengan metode tetesan
Analisis bentuk tetesan merupakan suatu cara yang mudah
untuk mengukur sudut kontak dan menentukan energy permukaan. Asumsi utamanya
adalah
·
Tetesan itu simetris pada sumbu vertical pusat;
ini berarti tidak relevan dari arah mana drop dipandang.
·
Drop tidak bergerak,ini berarti bahwa viskositas
atau inersia memainkan peran dalam menentukan bentuk : ini berarti bahwa
tegangan antarmuka dan gravitasi yang hanya dapat membentuk drop.
Kalibrasi sangat mudah dan diperlukan dalam perbesaran
optic. Hal ini dapat diukur dengan akurasi yang tinggi dan mudah untuk melacak
dengan standar internasional.
Sudut kontak diukur secara matematika untuk membentuk drop
dan kemudian menghitung slope dari tangen untuk drop pada garis antarmuka fasa
cair-padat-gas (LSV). Sekarang kita akan membaca proses pengukuran yang nyata.
Langkah 1. Menentukan
orientasi drop. Ada dua pilihan :
·
Sessile drop. Ini merupakan drop yang diam
diatas meja/permukaan yang datar.
·
Sessile bubble. gelembung yang mengambang dalam
cairan melawan bagian bawah sampel. Posisi cair dan uap telah dipertukarkan.
Instrumen FTA dapat membuat kedua jenis pengukuran ketika
dilengkapi dengan ruang yang sesuai. dicatat bahwa pengukuran cair-cair-padat
dan cair-uap-cair juga mungkin dalam beberapa kasus.
Langkah 2. Pengaturan
instrument. Ini melibatkan beberapa langkah :
·
Memasang sample sehingga datar dan bergerak pada
dua sisi busa.
·
Memilih fluida uji dan tempat dalam jarum
suntik. Mulailah dengan air meskipun cairan lainnya mungkin diperlukan untuk
analisis permukaan energi. Air merupakan pemula yang baik karena aman,
membentuk tinggi, mudah diamati, dan kontak sudut dari berbagai bahan. Jika
fluida uji sulit dibersihkan, misalnya, tinta, gunakan jarum suntik plastik sekali
pakai. Jika fluida uji yang berharga, atau berbahaya, memuat jumlah minimal
dengan menggambar ke dalam jarum suntik melalui jarum.
·
Mendapatkan gambar video langsung dari awal
sampel. Menyesuaikan pencahayaan dan fokus. Menyesuaikan lokasi pompa atau
jarum sehingga ujungnya terlihat dalam gambar. Penyesuaian sudut pandang kamera
sangat penting bagian berikutnya seluruh dikhususkan untuk itu.
Langkah 3. Menyesuaikan
kontak sudut .
Kita akan menggunakan standar
kalibrasi FTA untuk ilustrate proses ini. Gambar
1 menunjukkan sebuah foto dari standar, yang terdiri dari bola safir
tertanam dalam pemegang aluminium. Ketinggian menonjol merupakan nominal
jari-jari, sehingga sudut kontaknya 90o. diameter bola dalam millimeter, misalnya 4
atau 6mm, dengan toleransi ±2,5mm.
Anda dapat memverifikasi sudut
jika Anda memiliki mikrometer akurat untuk 1mm.
Mengukur ketinggian dasar sebelah bola, dan mengukur ketinggian bola ditambah
dasar. Untuk ilustrasi standar, kita mengukur dasar= 5.628 mm dan dasar + bola
= 7,628 mm. kemudian pengurangan ketinggian menonjol, h, dari 2.000 mm dan
diameter , d, dari 4.000 mm. Sudut kontak, q
,diberikan secara geometri :
q =
2tan-1 2h/d = 2tan-1 4/4 = 2x45o = 90o
Bola saphir standar lebih berguna
daripada film photografi standar karena merupakan objek 3D yang membutuhkan
pencahayaan yang tepat dan sudut kamera. Bahkan yang lebih penting, hal itu
menuntut menemukan baseline akurat, yang merupakan bagian yang sulit dari
pengukuran sudut kontak.
Kamera dapat ditempatkan baik
untuk terlihat persis horizontal di drop atau dibawah (3o). Sudut
kamera tidak mempengaruhi pembacaan, tidak mempengaruhi penemuan baseline, dan
baseline mempengaruhi pembacaan. Ketidaktelitian baseline adalah kontribusi
utama dalam ketidaktelitian sudut kontak. Diantara horizontal , 0o,
dan dibawah , 3o, metode akan diilustrasikan.
Sudut kontak diatur oleh
ketinggian kamera terhadap specimen dan kemiringan dari tahap kamera. Menyesuaikan
tinggi dan kemudian memotong kemiringan untuk membawa drop vertikal ke dalam
gambar. Mengamati sudut dari garis tengah lensa mikroskop (sudur kamera). Jika
tidak memuaskan, sesuaikan ketinggian kamera dan ulangi.
Gambar 2, menunjukkan gambar
video dengan sudut kamera 0o dan gambar 3 menunjukkan sudut 3o.
Dalam kedua kasus, standar berorientasi seperti gambar 1, dengan sumbu panjang
dasar di seluruh gambar. Sejumlah kecil “ reflection image” dapat dilihat
dibawah baseline pada gambar 3 karena kamera dapat “ melihat” permukaan atas
ketika melihat kebawah.
Metode horizontal dari gambar 2
menyediakan pengganti untuk baseline LS dengan “cakrawala” yang membentang
diseluruh gambar pada interface SV. Ini bertepatan dengan baseline LS karena
horizontal geometri.
Cakrawala mudah untuk membangun
dan dapat digunakan bila memungkinkan. Dapat dipilih dalam C.A. auto tab oleh
cakrawala, gunakan checkbox sebagai baseline. Akan berguna dalam fokus yang
tajam,yang tergantung pada kedalaman dari fokus microskop dan ukuran specimen.
Gambar 2 dan 3 diambil dengan set aperture pada 1/8open yaitu tidak cukup
ditutup. Perbesaran adalah x 1,4 dengan ½ kamera (6,4mm x 4,8mm CCD). Gambar 3
akan berguna dengan kedalaman lebih kecil dari fokus open aperture karena
interface LS actual dalam bidang fokus,
tetapi gambar 2 tidak berguna karena cakrawala dibentuk oleh “ corner” dari
pemegang yang tidak actual dalam bidang fokus dari drop. Itu didepan dari
bidang fokus.
Metode 3o harus
digunakan ketika cakrawala tidak dapat dibawa kedalam fokus tajam. Jika drop
tidak dapat ditempatkan dalam »5mm
dari tepi specimen, maka itu harus digunakan karena masalah fokus. Tambahan,
sudut kamera tidak harus menjadi nilai intermediate, seperti 1 atau 2o,
karena cakrawala tidak akan fokus dan tidak akan berada dibawah baseline LS
dalam gambar, dengan hasil didasar berkabut.
Pertanyaan kapan kamera persis
horisontal terkadang sulit. Jawaban yang mudah untuk membuka dan menutup
aperture dan perhatikan apakah cakrawala tampak bergerak vertikal. Jika tidak,
kamera tidak horisontal. Memperkirakan "pusat" dari cakrawala ketika
bergerak (karena lobang terbuka dan kedalaman kecil dari lapangan). Gerakan
vertikal tidak boleh lebih dari sekitar 1-2mm pada layar komputer sebagai
aperture yang bervariasi.
tabel berikut ini merangkum
geometri, baseline, dan pengaturan aperture,
|
Geometri
|
Baseline
|
Aperture
|
|
Horizontal : sudut kamera 0o
|
Horizon (garis SV) : bertepatan
dengan baseline LS
|
Near closed: untuk mendapatkan
kedalaman fokus
|
|
Look down : sudut kamera 3o
|
Interface LS : menemukan garis
LSV ditepi drop
|
open: untuk memperoleh
kejelasan, menyesuaikan cahaya
|
Gambar 4 menunjukkan standar
saphir yang sama dengan panjang sumbu dari dasar ke kamera. Kamera sekarang
dapat melihat sejumlah besar permukaan "top" dalam gambar, sehingga
gambar refleksi jelas ke bawah bingkai. Bandingkan ini dengan gambar 3. Dalam
mode ini, periksa gambar refleksi dan hapus centang cakrawala yang digunakan
sebagai baseline di auto C.A. Kadang-kadang algoritma akan menemukan baseline lebih
baik jika tidak diperiksa. itu tergantung pada kejelasan baseline. beberapa
eksperimen diperlukan. Periksa menggunakan baseline sebelumnya untuk tetap sama
sepanjang film.
Contoh dari gambar 2 dan 4
menggunakan drop shape fitting/spherical dalam sudut kontak tab dan gambar 3
menggunakan non-spherical. Gunakan non-spherical ketika jarum tertanam di drop
atau ketika gaya berat terdistorsi. Non-spherical cocok hanya pada sudut-sudut
drop dan tidak menggunakan bentuk di bagian atas. Ini berarti memiliki sedikit
piksel pada gambar untuk bekerja, sehingga akan lebih berisik, tapi alogaritma
cocok dalam bentuk yang lebih umum dan benar.
Bole saphir standar tertentu
diukur dengan mokrometer menjadi 90,0o. Gambar 2,3 dan 4 dilaporkan
masing-masing,
·
90,28o
·
90,36 o
·
89,71 o
Pemberitahuan tidak satupun yang
persis 90,0o. ini adalah yang diharapkan dan merupakan konsekuensi
dari suara elektronik dalam gambar dan ketidakpastian baseline.
Pengguna dapat selalu mengatur
manual baseline. Fitur ini dapat digunakan untuk mengeksplorasi kepekaan
terhadap posisi vertikal baseline. Saat baseline dipindahkan ke bawah satu
pixel dalam gambar 2, sudut kontak diukur meningkat dari 90,28o
sampai 90,74o. Kesalahan seperti ini dari 0,5 o per pixel
tidak biasa. Pengaturan di atas memiliki kesalahan rata-rata 0,31o.
|
Dengan hati-hati, pengukuran
sudut kontak pada standar 90o akan traceably akurat untuk ±1o.
|
Ini kecil dibandingkan dengan
varians dari satu tempat ke tempat pada sebagian besar permukaan, dan juga
kecil dibandingkan dengan ketidakpastian dalam teori saat ini untuk
mengkonversi sudut kontak dengan energi permukaan. Kabar baiknya adalah bahwa
90o adalah sudut yang paling sulit untuk menentukan baseline,
sehingga secara umum pengukuran nyata Anda akan lebih mudah dan lebih baik. Yang
paling penting, Anda mengontrol akurasi dalam menyiapkan kamera dan kejelasan baseline.
Langkah 4 .
Kalibrasi.
Satu kamera sudut dan aperture diatur,
mengkalibrasi perbesaran dengan mengukur standar dan memasuki nilai-nilai yang
diketahui dan diukur pada tab kalibrasi. Anda dapat menggunakan lebar dasar
yang diukur dari standar 90o atau mengukur diameter jarum. Nilai
perkiraan untuk diameter jarum diberikan dalam bantuan / data referensi.
Jika data rata-rata sebuah film,
panjang standar biasanya akan menunjukkan nilai koefisien variasi (COV) dari
sekitar 0,5% atau atau sekitar 10 kali
lebih baik daripada COV kita harapkan untuk urutan pengukuran sudut kontak
(dimana COV mungkin dikatakan 0,5%). Ini menekankan bahwa ketidakpastian
pengukuran sudut kontak hampir seluruhnya karena ketidakpastian baseline.
Perhatikan tidak ada cara untuk
"mengkalibrasi" data sudut kontak. Tidak ada tombol untuk mengubah.
Sebagai gantinya, Anda harus memperhatikan setup dan fokus instrumen telah
benar. Tujuan dari standar 90o
adalah untuk memberikan gambar yang dikenal dan sebangun. Jadi apa yang
dikalibrasi yakni setup : sudut kontak, fokus, dan pencahayaan.
Akhirnya, perangkat lunak
memberikan Anda secara alternative menentukan posisi vertical dari permukaan SV
dan memasukkannya sebagai baseline. Mengambil gambar dari permukaan SV,
mendapatkan data baseline pada tingkat yang benar ( mungkin dengan gambar manual)
, dan kemudian check penyimpanan dan gunakan kembali baseline ini pada tab auto
C.A.
Langkah 5. Cairan
pemuatan
Anda harus memberitahu perangkat lunak diameter jarum
internal sehingga pompa akan dikalibrasi. Ini dilakukan pada tab pompa.
Jarum suntik atau jarum yang
dipilih atas dasar berapa banyak cairan yang harus ditangani dan ukuran tetesan
yang diperlukan. Jarum suntik plastik yang nyaman dan sekali pakai, tetapi
cairan tidak harus dibiarkan di dalamnya selama berhari-hari karena dapat
menyebabkan kontaminasi cairan.
Sebagian dari waktu kita akan
memuat cairan dalam jarum suntik (tapi tidak selalu, karena Anda akan melakukan
pengukuran bubble dengan jarum suntik mengendalikan gelembung uap). Jika Anda
ingin mengisi jarum suntik kecil, cara terbaik adalah dengan menggunakan jarum
suntik kedua. Caranya, dengan menarik cairan ke atas melalui jarum yang
terpasang. Kemudian mengeluarkannya ke dalam jarum suntik dengan jarum yang
pertama dan jarum suntik diadakan terbalik. Dengan begitu, cairan mengalir ke
dalam jarum suntik. Setelah jarum suntik ini benar-benar penuh, pasang jarum. Sekarang
Anda dapat mengubah jarum suntik lebih jika Anda inginkan. Mengeluarkan cairan
yang cukup untuk menggantikan udara di jarum. Ini adalah salah satu alasan
untuk menggunakan jarum suntik kapasitas yang lebih besar, karena jarum 25mL atau lebih dan ini akan
menggunakan sebagian dari jarum suntik 50mL.
Jika hanya menggunakan sedikit
cairan, Anda tidak perlu mengisi jarum suntik. Sebaliknya, Anda dapat
meninggalkan udara di jarum suntik dan menarik hanya sejumlah kecil sampai
cairan ke dalam jarum. Praktis untuk membuat pengukurang dengan 20ml cairan total. (Anda
perlu menjaga cairan dalam beberapa jarum sementara drop terbentuk, sehingga 20mL akan mendukung 10ml drop). Teknik lain
adalah untuk mengisi jarum suntik dengan fluida
kerja. Tapi tetap celah udara antara itu dan cairan yang diuji. Isi jarum
suntik seperti sebelumnya, Kemudian menarik fluida uji kembali ke bagian jarum.
Gunakan skala jarum suntik 20mL.
Percobaan ini untuk melihat seberapa banyak Anda mengambil tanpa fluida uji
yang sebelumnya dibasahi oleh fluida kerja.
Langkah 6. Mengeluarkan
drop
Ketika
Anda memompa cairan yang lebih kental, tingkat pemompaan harus lambat untuk
mengakomodasi tekanan drop di seluruh jarum. Kecuali kalau Anda mau membentuk
Drop pada 1ml/s
atau kurang. Jika cairan terus datang setelah pompa dihentikan, ini adalah
tingkat terlalu tinggi. Jarum suntik kaca lebih baik dalam hal ini daripada
plastik, karena mereka akan meregangkan sedikit tekanan di bawah.
Pastikan
plunger jarum suntik yang melekat mendorong piring menggunakan klip yang
tersedia (jangan biarkan off).
Anda ingin menempatkan drop pada
permukaan dengan menjatuhkan sesedikit mungkin sehingga energi kinetik tidak
menyebarkannya. Ada dua pendekatan untuk ini:
·
Bentuk sebuah pendant drop, kemudian tingkatkan
specimen sampai menyentuh bagian bawah drop. Jika penurunan cukup besar, adhesi
ke permukaan akan menariknya dari ujung.
·
Posisikan ujung atas permukaan pada ketinggian
pendant drop saat menyentuh permukaan dan melepaskan sebelum jatuh bebas dari
beratnya sendiri.
Alternatif adalah untuk
menempatkan jarum dengan permukaan dan memompa drop keluar dengan cairan dalam
kontak dengan jarum dan permukaan. Ini adalah jarum captive / pendekatan drop
captive.
Gambar 5,6 dan 7 mengilustrasikan
drop off menyentuh ke permukaan film PTFE. The drop is near the edge so the
sample holder is in focus. The contact angle, which is the advancing angle, is
116o.
Gambar 8 dan 9 mengilustrasikan
the captive needle approach pada bahan yang sama.
Kelemahan dari the captive needle
mode adalah bahwa analisis non-spherical
harus digunakan dan kadang-kadang drop tidak akan tumbuh secara merata di
sekitar jarum karena variasi permukaan energi, seperti dapat dilihat pada
gambar 9. Namun, keuntungan adalah bahwa sejumlah besar titik data dapat
diperoleh dengan cepat dan ini merupakan a true advancing contact angle
measurement.
Untuk permukaan sebanding, Berg
(lihat Referensi dari makalah ini) melaporkan advancing contact angles 115-126o
dan receding angles 98-102o menggunakan Wilhelmy balance.
Advancing and Receding Angles with Captive Needle. Pendekatan jarum
captive menawarkan kemungkinan Advancing and Receding pengukuran sudut dalam
percobaan yang sama. Pompa dapat diprogram under Tools / Pump Program untuk
mengeluarkan dan mengambil. Berg membahas teknik dalam bab pertama. Ada dua
kondisi penting untuk memenuhinya:
·
Ujung jarum harus kecil dibandingkan dengan drop
sehingga adhesi cairan tidak merusak bentuk drop.
·
Ekspansi atau kontraksi volume harus cukup
lambat , kondisi ekuilibrium berlaku.
Ini akan jauh lebih mudah untuk expanding
drop dibandingkan receding drop. Ada sebuah tes sederhana digambarkan oleh Berg
dan E. Vogler: nilai yang sama akan diperoleh untuk urutan pengukuran saat kondisi
equilibrilium berlaku. Oleh karena itu, ketika melihat sudut kontak sebagai
time series, kami mengharapkan a plateau pada nilai advancing dan receding.
Gambar 10 menunjukkan grafik sudut kontak dari run yang ditampilkan dalam gambar
8 dan 9.
The advancing angle plateau jelas
terlihat dari t = 0 sampai t = 22s. Ini memiliki nilai rata-rata 112o.
Ketika kontak drop, dimana tidak ada keseimbangan nilai-yhe sudut kontak yang jelas
tampaknya terus mendapatkan yang lebih kecil. Tidak ada pengukuran receding
angle yang tersedia.
Untuk memperbaiki situasi ini,
FTA menawarkan jarum kaca kapiler dengan ujung kecil (misalnya, 30mm OD dan ID 5mm) dan alat kelengkapan Luer,
ini digunakan untuk percobaan pada gambar 11.
The advancing contact angle
adalah 126o. Sepintas bagian receding stampak serupa dengan Gambar
10, tetapi ada perbedaan. Pemeriksaan a plateau pada akhir dari receding angle
period. Hal ini ditunjukkan dalam skala luas, waktu bergeser pada plot Gambar
12, yang menunjukkan 18s terakhir dari Gambar 11 data.
Nilai sudut asimtotik receding
adalah 98o, yang konsisten dengan data plat Wilhelmy disajikan dalam
Berg. Sudut 60o disimpulkan dari Gambar 10 adalah terlalu rendah. Waktu
5 detik terakhir data dari Gambar 12, tercantum di bawah ini, menunjukkan a
plateau. Volume berkurang dalam waktu tetapi sudut kontak tidak. Setelah entri
terakhir, drop terlepas dari jarum.
|
Waktu (s)
|
Sudut kontak (o)
|
Volume (ml)
|
|
14
|
97.72
|
3.799
|
|
15
|
97.38
|
3.675
|
|
16
|
97.31
|
3.555
|
|
17
|
97.50
|
3.536
|
|
18
|
97.64
|
3.524
|
Mengingat bahwa sebuah gambar
bernilai seribu kata, Gambar 13 dan 14 menunjukkan drop sebelum detachment
untuk kedua ujung yang berbeda.
Drop dalam Gambar 14 jelas tidak
terdistorsi (bola) dan Drop dalam gambar 13 adalah, oleh ukuran yang sama,
cukup terdistorsi oleh ujung. Bahkan jika pada beberapa tingkat mikroskopis
sudut kontak receding yang benar ini pada Gambar 13 di garis LVS, tidak dapat
diukur dengan analisis bentuk drop karena
pengaruh utama pada bentuk adhesi cairan ke ujung. Drop jelas harus jauh lebih
luas daripada ujung terbasahi untuk ujung diabaikan dalam kerja sudut receding.
Komentar
Posting Komentar