Critical study of contact angle goniometry

Thumbnail Image

Files

isbn9789526416229.pdf (5.03 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2024-01-12
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024

Department

Teknillisen fysiikan laitos
Department of Applied Physics

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

110 + app. 58

Series

Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 7/2024

Abstract

In this thesis contact angle goniometry as a characterization method for solid surface wettability is critically examined. Contact angle goniometry is a powerful and versatile tool for measuring wetting properties, facilitating the study of microscale surface properties by macroscopic an optical method. The apparent ease which with contact angles can be measured have ensured its position as the golden standard of wetting characterization. Measuring meaningful contact angles and interpreting the data correctly is far from simple, however. Real solid surfaces exhibit a range of stable contact angles. Collecting meaningful data requires knowledge to recognize the contact angles which can be reproducibly measured, on how to perform the measurements in a reliable manner and on interpretation of the results. Publication I provides a method for reliable measurement of the receding contact angle. The validity of the method is evaluated both theoretically, and by a wide range of experimental evidence. Publication II proposes a growth model for the synthesis of silicone nanofilaments - a class of superhydrophobic 1-dimensional polysiloxane nanostructures. Theoretical model for pressureinduced film expansion is provided. Publication III introduces a protocol for contact angle measurements that can be applied to a wide variety of samples. Instructions on minimizing both systematic and random errors are provided, along with troubleshooting for most common problems encountered. Publication IV quantifies the error in contact angle measurement caused by misplacement of the baseline - the line between the solid and liquid/gas in the 2D-images analyzed. Special emphasis is given on the error for superhydrophobic surfaces. Publication V expands on publications IV by quantifying the error caused by the optical system used in contact angle goniometry. User error of contact angle measurements is also meas-ured.

Tässä väitöskirjassa tarkastellaan kriittisesti kontaktikulmamittausta kastuvuuden mittausmenetelmänä. Kontaktikulmamittaus on optinen, makroskooppinen menetelmä, jolla on mahdollista saada tietoa pintojen mikroskooppisista ominaisuuksista. Kontaktikulmamittausten tekeminen on suhteellisen helppoa, mutta merkityksellisten tulosten saaminen vaatii sekä mittausteknistä, että teoreettista osaamista. Julkaisu I esittää luotettavan menetelmän vetäytyvän kontaktikulman mittaamiseen. Vastaavuus laskennallisen mallin, teorian ja kokeiden tulosten välillä osoitetaan. Julkaisu II esittelee uuden kasvumallin silikoninanofilamenteille, jotka ovat kuitumaisia, superhydrofobisia nanorakenteita. Malli pyrkii ratkaisemaan syyn rakenteiden yksiulotteiselle kasvulle. Julkaisu III käsittelee kontaktikulmamittaus protokollaa. Protokolla mahdollistaa luotettavasti toistettavat mittaukset, ja antaa ohjeita mittavirheiden minimoimiseen, sekä tulosten käsittelyyn ja tulkintaan. Julkaisussa IV mitataan, kuinka suuren mittavirheen näytteen ja nesteen välisen rajapinnan korkeuden virheellinen määrittäminen aiheuttaa. Erityistä huomiota kiinnitetään virheen eksponentiaaliseen kasvuun, kun mitataan kastumattomia pintoja. Julkaisu V laajentaa julkaisun IV tarkastelua määrittelemällä, kuinka suuret mittavirheet mittauksessa käytetty optinen järjestelmä aiheuttaa.

Description

Supervising professor

Ras, Robin, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland

Keywords

contact angle, wetting, superhydrophobicity, silicone nanofilaments, kontaktikulmamittaus, kastumisilmiöt, superhydrofobisuus, silikoninanofilamentit

Other note

Parts

  • [Publication 1]: J. T. Korhonen, T. Huhtamäki, O. Ikkala and R. H. A. Ras. ”Reliable Measurement of the Receding contact angle”, Langmuir, 2013, 29, 3858–3863.
    DOI: 10.1021/la400009m View at publisher
  • [Publication 2]: J. T., Korhonen, T. Huhtamäki, T. Verho, & R. H. A. Ras. “Hollow polysiloxane nanostructures based on pressure-induced film expansion”, Surface Innovations 2, 116–126 (2014).
    DOI: 10.1680/si.13.00047 View at publisher
  • [Publication 3]: T. Huhtamäki, X. Tian, J. T. Korhonen and R. H. A. Ras. ”Surface-wetting characterization using contact-angle measurements”, Nature Protocols, 2018, 13, 1521–1538.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201808014355
    DOI: 10.1038/s41596-018-0003-z View at publisher
  • [Publication 4]: K. Liu, M. Vuckovac, M. Latikka, T. Huhtamäki and R. H. A. Ras. ”Improving surface-wetting characterization”, Science, 2019, 363, 1147–1149.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201904022515
    DOI: 10.1126/science.aav5388 View at publisher
  • [Publication 5]: M. Vuckovac, M. Latikka, K. Liu, T. Huhtamäki and R. H. A. Ras. “Uncertainties in contact angle goniometry”, Soft Matter, 2019, 15, 7089—7096.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201909205338
    DOI: 10.1039/c9sm01221d View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-1622-9

Collections

[diss] Perustieteiden korkeakoulu / SCI