Contact angle goniometry: From wetting theory to instrument automation

No Thumbnail Available

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
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

2024-02-29

Department

Major/Subject

Teknillinen fysiikka

Mcode

SCI3028

Degree programme

Teknistieteellinen kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

39

Series

Abstract

Wetting is a multiscale phenomenon describing the behavior of a liquid in contact with a solid surface, which has significance in numerous biological systems and technological applications. Traditionally, surface wettability is characterized by a contact angle, a quantity arising from the interfacial interactions of a liquid, a gas and a surface. The predominant method used to measure contact angles is contact angle goniometry, where an optical subsystem captures the profile of a droplet. Despite its apparent simplicity, the method is highly susceptible to errors and has inherent limitations, which proposes a need for more sophisticated experimental setups than those commercially available. Incorporating automation and developing control software become crucial in instrumentation development, allowing instrument capabilities to be pushed beyond the current state-of-the-art. Increased precision and reporoducibility of the measurement techniques advances wetting characterization, improving our understanding of surface properties and aiding the design of functional surfaces. The aim of this thesis is to develop operational control software for a custom-made contact angle goniometer. Contact angles are discussed from a theoretical perspective as a background for the technique, and an overview of the experimental methodology is given. The custom-made setup and the implemented control software are introduced. To demonstrate the operability of the instrument, three surfaces with distinct wetting properties are measured. The results are validated against those measured with a commercial instrument and the performance of the software is evaluated. The control software developed in this thesis allows intentional interaction between the user and the measurement and meets the responsibilities for conducting reproducible and reliable contact angle measurements. As a final result, the experimental setup is operational and the conducted measurements are comparable to those performed with a commercial instrument. In addition to being more convenient to operate, it demonstrates more favorable features than a commercial one. Overall, the setup appears promising and holds potential for advanced wetting measurements.

Kastuminen on monen suuruusluokan ilmiö, joka kuvaa nesteen käytöstä sen ollessa kosketuksissa kiinteän pinnan kanssa, ja sillä on keskeinen rooli lukuisissa biologisissa järjestelmissä ja teknologisissa sovelluksissa. Pintojen kastumista mitataan perinteisesti kontaktikulmalla, joka aiheutuu vuorovaikutuksista nestemäisen, kaasumaisen ja kiinteän faasin rajapinnoilla. Ensisijainen menetelmä kontaktikulman mittaamiseen on nestepisaran profiilin tallentaminen optisin keinoin. Näennäisestä yksinkertaisuudestaan huolimatta menetelmällä on perustavanlaatuisia rajoitteita ja se on hyvin altis virheille. Näin ollen kaupallisia mittauslaitteistoja hienostuneemmille ratkaisuille on tarvetta. Automaation sisällyttäminen ja ohjausohjelmistokehitys ovat instrumentaation kulmakiviä ja mahdollistavat huippuluokan mittausinstrumenttien kehityksen. Mittausmenetelmien tarkkuuden ja toistettavuuden parantaminen vauhdittaa kastumisominaisuuksien tutkimusta, mikä lisää ymmärrystä pintojen ominaisuuksista ja tukee funktionaalisten pintojen suunnittelua. Tämän kandidaatintyön tavoitteena on kehittää toimintakykyinen ohjausohjelma räätälöidylle kontaktikulmanmittauslaitteistolle. Kontaktikulmia käsitellään teoreettisesta näkökulmasta ja kokeellisesta menetelmästä esitetään yleiskuvaus. Lisäksi räätälöity mittauslaitteisto ja sille kehitetty ohjausohjelma esitellään. Laitteiston toimivuutta havainnollistetaan mittaamalla kolme kastumisominaisuuksiltaan erilaista pintaa. Mittausten tulokset todennetaan vertaamalla niitä kaupallisella mittauslaitteistolla saatuihin ja ohjelman toimivuutta arvioidaan. Työssä osoitetaan, että kehitetty ohjausohjelma mahdollistaa luontevan vuorovaikutuksen mittaajan ja mittauksen välillä ja täyttää sille asetetut tavoitteet toistettavien ja luotettavien mittausten suorittamiseksi. Työn lopputulos on, että räätälöity mittauslaitteisto on käyttökelpoinen ja työssä suoritetut mittaukset ovat vertailukelpoisia kaupallisella laitteistolla toteutettuihin. Lisäksi räätälöidyn laitteiston käyttö on kaupallista sujuvampaa ja sen ominaisuudet suotuisampia. Kokonaisuudessaan laitteisto vaikuttaa lupaavalta ja tarjoaa uusia mahdollisuuksia edistyneiden kastumismittausten suorittamiseen.

Description

Supervisor

Martikainen, Jani-Petri

Thesis advisor

Vuckovac, Maja

Keywords

contact angle goniometry, instrument automation, software development, wetting

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202403052489

Collections

[kand] Perustieteiden korkeakoulu / SCI