خط تماس سه‌فازي در ترشوندگي جزئي: نظريه‌ها، اندازه‌گيري‌هاي تجربي و رويكرد مقياس نانو

Triple-Phase Contact Line in Partial Wetting: Theories, Experimental Measurements, and Nanoscopic Approach

مفهوم خط تماس سه‌فازي از مباحث ناديده ‌گرفته‌شده در ترشوندگي معمول است كه امروزه، محور مطالعات علمي فراواني قرار گرفته است. در اين مقاله، پس از ارائه تعريف خط تماس سه‌فازي و ذكر اهميت آن در مطالعات ترشوندگي، اين مفهوم و روش‌هاي مشخصه‌يابي آن با فناوري‌هاي تجربي و محاسباتي ِديناميك مولكولي مرور و بررسي شد. نخست، با كمك نظريه‌ عمومي مويينگي، مدل مطلوب يانگ، اصلاح شد و كشش خطي، به‌منزله متغيري فيزيكي، به آن منصوب شد. ازآنجاكه مدل‌هاي مطلوب دقيقاً نمي‌توانند علامت و اندازه‌ كشش خطي را تعيين كنند، از تعريف سطوح واقعي و غيرمطلوب استفاده ‌شد. سپس، محدوده‌ تأثير خط تماس، با كمك نتايج تحليل ساختار لبه‌ قطره، با ميكروسكوپ نوري و الكتروني روبشي- محيطي بررسي ‌شد. قانون قياسي به‌دست‌آمده از روش اول، مقدار تواني بزرگ‌تر از 0/66 را نشان ‌داد، اما همين عدد براي روش دوم، با وضوح بالا، همواره در حدود 0/62 بود. در مقابل، شبيه‌سازي‌هاي ديناميك مولكولي نشان دادند كه مي‌توان به‌طور موضعي، فاصله‌ صفر پتانسيل لنارد- جونز را عرض مؤثر خط تماس درنظر گرفت. در بخش پاياني، در خصوص مهم‌ترين برهم‌كنش خط تماس با محيط با عنوان پديده‌ گيركردن بحث ‌شد. از ديدگاه تجربي، مشخصه‌يابي نيرويي پديده‌ گيركردن با تمركز بر نيروي چسبندگي انجام ‌مي­ شود. اين پديده در مقياس نانو، به‌دليل مقدار زياد انرژي جنبشي در دسترس، به‌منزله كاهش شديد در سرعت جابه‌جايي لبه‌ قطره تعريف ‌مي­ گردد كه كاملاً با ديدگاه ماكروسكوپي متفاوت است.

One of the overlooked topics in classical wetting, which is the main subject of numerous recent researches, is the concept of the triple-phase contact line (TPCL). In this article, after defining the TPCL and emphasizing its significance in wetting studies, this concept and its characterization methods using experimental techniques and molecular dynamics simulations are reviewed and investigated. First, the ideal Young’s model was revised based on the generalized theory of capillarity, and line tension, Γ, was assigned to TPCL as a defining physical parameter. Because ideal models cannot correctly determine the sign and value of Γ, real and non-ideal surfaces were used. Furthermore, the width of the TPCL was investigated by the obtained data from structural analysis of the droplet’s edge using optical and environmental-scanning electron microscopy. The corresponding scaling law from the former lead to a power greater than 0.66, whereas the latter high-resolution method resulted in a value of ~ 0.62. Conversely, MD simulations have illustrated that it is possible to locally use the minimum particle distance for the Lennard-Jones potential as the effective width of the TPCL. In the final section, the most important interaction of the TPCL with its vicinity, known as pinning, was discussed. From the experimental perspective, the focus is on the adhesion force measurements which results in the force-based characterization of the pinning phenomenon. However, on the nanoscale, due to the available kinetic energy, this phenomenon is defined as the drastic slow-down of the motion of the TPCL, directly contradicting the macroscopic view.