DOI: https://doi.org/10.1016/j.measurement.2026.120328
تاريخ النشر: 2026-01-05
المؤلف: Katarzyna Peta وآخرون
الموضوع الرئيسي: تعديل السطح والخصائص الفائقة الكارهة للماء
نظرة عامة
تقدم هذه البحث تحليلًا شاملاً للعلاقة بين القابلية الديناميكية للرطوبة وتعقيدات السطح الطبوغرافي للأسطح غير المتجانسة، باستخدام نهج قائم على القياسات متعددة المقاييس. يستخدم الدراسة تقنيات الميكروتكسشر مع حزام جلخ ذو هيكل هرمي لإنشاء أسطح تتميز بخصائص غير متجانسة على مستوى المساحة والطول. تكشف النتائج الرئيسية أن حجم الميزات الطبوغرافية، التي تتراوح من الخشونة الدقيقة إلى التموج، يؤثر بشكل كبير على سلوك القطرات، بما في ذلك التثبيت واحتجاز السائل. تحدد البحث المقاييس المثلى لربط القابلية الديناميكية للرطوبة، مشيرةً بشكل خاص إلى تعقيدات المساحة بمقدار 28 ميكرومتر مربع وتعقيدات الطول بمقدار 6.9 ميكرومتر كعوامل حاسمة لفهم ظاهرة تذبذب زاوية الاتصال الديناميكية.
تؤكد الاستنتاجات المستخلصة من الدراسة أن المعلمات الهندسية متعددة المقاييس توفر تمثيلًا أكثر دقة لوظائف السطح مقارنةً بمعلمات ISO 25178 التقليدية. تم ملاحظة علاقات خطية قوية (R² > 0.9) بين تعقيد السطح الطبوغرافي وتذبذب زاوية الاتصال الديناميكية، خاصةً في الأسطح المحبة للماء تحت ظروف مختلفة. تشير النتائج إلى أن كل من الأسطح الكارهة للماء والمحبة للماء تظهر اعتمادات كبيرة على خصائصها الهندسية، مما يؤثر على سلوكها في القابلية للرطوبة. تسهم هذه البحث في تقديم رؤى قيمة لتصميم وهندسة الأسطح في تطبيقات مثل تقنيات التنظيف الذاتي، ومبادلات الحرارة، وطلاءات البحرية، مما يبرز أهمية تهيئة سطح مخصص في تحسين التفاعلات بين السائل والصلب.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية تطبيق التحليلات الهندسية متعددة المقاييس في توصيف الطبوغرافيات السطحية من خلال أشكال فراكتالية مثلثية ذاتية الشبه. تركز التحليل على معلمات مثل المساحة النسبية والطول النسبي، التي تساعد في فهم تعقيد الأسطح على مقاييس مختلفة. تؤكد الدراسة على أهمية تحديد المقاييس المثلى لملاحظة ظواهر القابلية للرطوبة على الأسطح المعقدة، حيث تتأثر هذه التفاعلات بميزات السطح الهندسية وعدم انتظامها. ومن الجدير بالذكر أن البحث يبرز أن زوايا الاتصال المحلية تتأثر بزاوية انحدار بلاطات السطح، التي يجب أن تتجاوز عتبة معينة لتجنب اعتبارها ناعمة.
علاوة على ذلك، تحدد الورقة فجوة في الأدبيات الحالية بشأن الجوانب الديناميكية للقابلية للرطوبة، خاصةً فيما يتعلق بالأسطح غير المتجانسة وتأثيرات طحن حزام جلخ على الهندسات متعددة المقاييس. تؤكد على أهمية تذبذب زاوية الاتصال الديناميكية كمقياس للخصائص السطحية المتعلقة بالاحتكاك والالتصاق، وهو أمر حاسم لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك الأسطح ذات التنظيف الذاتي وأنظمة نقل الحرارة. تشمل المساهمات الرئيسية لهذا العمل إنشاء علاقات متعددة المقاييس بين تذبذب زاوية الاتصال الديناميكية وتعقيد الطبوغرافيا، وتفريق القابلية الديناميكية للرطوبة بين الأسطح المحبة للماء والكارهة للماء، وتقديم رؤى حول الخصائص الهندسية للنقوش غير المتجانسة التي تؤثر على القابلية للرطوبة.
طرق
في هذه الدراسة، تشمل المواد التي تم تحليلها سبيكة الألمنيوم الكارهة للماء 7064 وميكا الفلوروفلوغوبيت المحبة للماء في زجاج البورسليكات، التي تم اختيارها لخصائصها المتناقضة في القابلية للرطوبة (زوايا الاتصال > 90° للسبيكة و< 90° للسيراميك). تهدف البحث إلى دراسة القابلية الديناميكية للرطوبة على هذه الأسطح وتقييم قابلية تعميم مقاييس الملاحظة عبر أنواع المواد المختلفة. تضمنت إعداد السطح تلميعًا باستخدام ورق صنفرة بتدرجات مختلفة وتشكيلًا باستخدام أحزمة جلخ Trizact، مما أسفر عن عشرة أسطح متميزة للتحليل. تم إجراء توصيف طبوغرافي باستخدام مجهر ضوئي ثلاثي الأبعاد Bruker Alicona InfiniteFocus G5، مع معالجة القياسات من خلال برنامج MountainsMap لاستخراج المعلمات التقليدية ومتعددة المقاييس. تم قياس القابلية الديناميكية للرطوبة باستخدام مقياس زوايا ضوئي، مع وضع قطرات من الماء منزوع الأيونات (3 ميكرولتر) على الأسطح عند زوايا ميل مختلفة (15° إلى 90°) لملاحظة حركة القطرات وسلوك الترطيب. تم توحيد القياسات لضمان القابلية للتكرار، مع حساب تذبذب زاوية الاتصال الديناميكية من خمس تكرارات في ظروف مضبوطة (22 درجة مئوية ورطوبة نسبية 40%). تضمن المنهجية فهمًا شاملاً للتفاعلات بين قطرات السائل والأسطح الصلبة عبر المواد المختارة.
نتائج
يقدم قسم النتائج تحليلًا شاملاً للخصائص الطبوغرافية وتذبذب زاوية الاتصال الديناميكية (CAH) لمجموعة متنوعة من الأسطح الملموسة، بما في ذلك أحزمة جلخ، وسبيكة الألمنيوم، والسيراميك. يتم توفير صور سطح ثلاثية الأبعاد ومعلمات طبوغرافية تقليدية (مثل Sa، Sq، Ssk، Sku) لكل مادة، مما يبرز العلاقة بين أخاديد النسيج وشكل الهرم لحزام الجلخ. تكشف تحليلات مقاييس الطول والمساحة عن ملفات السطح وتعقيدها على مقاييس مختلفة، مع توضيح النتائج المهمة في الأشكال المقابلة.
تم إجراء قياسات زاوية الاتصال الديناميكية لسبيكة الألمنيوم (A1-A5) والسيراميك (C1-C5)، مع التركيز على تأثيرات أخاديد السطح على سلوك قطرات السائل. وجدت الدراسة أن زاوية الانزلاق، التي تؤثر على حركة القطرات، مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالميزات الطبوغرافية للأسطح. تم حساب معاملات الارتباط (r) بين CAH وتعقيدات الطبوغرافيا (مقياس المساحة ومقياس الطول) عبر مقاييس الملاحظة المختلفة، مما يكشف أن الملفات العمودية على الأخاديد تلتقط بشكل فعال أدق وأخشن الهندسات. تشير النتائج إلى وجود ارتباط قوي بين الميزات الطبوغرافية وCAH، مع معاملات تقترب من +1 تشير إلى علاقة تناسبية مباشرة، بينما تشير تلك القريبة من -1 إلى علاقة عكسية. يبرز هذا التحليل متعدد المقاييس التفاعل المعقد بين نسيج السطح وديناميات تفاعل السائل.
مناقشة
يؤكد قسم المناقشة في الورقة البحثية على أهمية التحليلات الهندسية متعددة المقاييس في فهم العلاقة بين تعقيد السطح الطبوغرافي وتذبذب زاوية الاتصال الديناميكية (CAH). من خلال استخدام معلمات متعددة المقاييس تميز بين الميزات الدقيقة والمتوسطة والكبيرة، تكشف الدراسة أن هذه المعلمات توفر توصيفًا أكثر دقة للأسطح مقارنةً بمقاييس ISO 25178 التقليدية. تشير النتائج بشكل خاص إلى أن أفضل الارتباطات بين الطبوغرافيا السطحية وCAH تحدث عند مقاييس محددة، حيث تظهر الأسطح الكارهة للماء علاقات خطية قوية عند المقاييس الدقيقة (مثل تعقيد المساحة عند 28 ميكرومتر مربع) والمقاييس الخشنة (مثل 296,335 ميكرومتر مربع)، خاصةً في الاتجاهات العمودية على الأخاديد السطحية.
توضح البحث أيضًا أن تذبذب زاوية الاتصال الديناميكية يتأثر ليس فقط بخشونة السطح وتموجه، ولكن أيضًا بالخصائص الكارهة للماء أو المحبة للماء للمادة. تحدد الدراسة أن النقوش السطحية غير المتجانسة تؤثر بشكل كبير على سلوك القطرات، حيث يؤثر اتجاه الأخاديد على ديناميات خط الاتصال وCAH. من الجدير بالذكر أن النتائج تشير إلى أن تشكيل السطح يمكن أن يعزز أو يغير خصائص القابلية للرطوبة للمواد، مع آثار على مجموعة متنوعة من التطبيقات مثل الأنظمة الاحتكاكية، والأسطح ذات التنظيف الذاتي، وطلاءات البحرية. بشكل عام، تؤكد الدراسة على أهمية المعلمات الهندسية متعددة المقاييس في نمذجة وتوقع التفاعلات بين السائل والصلب بدقة، مما يعزز مجال هندسة الأسطح.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.measurement.2026.120328
Publication Date: 2026-01-05
Author(s): Katarzyna Peta et al.
Primary Topic: Surface Modification and Superhydrophobicity
Overview
This research presents a comprehensive analysis of the relationship between dynamic wettability and the topographic complexities of anisotropic surfaces, utilizing a multiscale measurement-based approach. The study employs microtexturing techniques with a pyramidal structured abrasive belt to create surfaces with distinct area- and length-scale anisotropic features. Key findings reveal that the size of topographic features, ranging from microroughness to waviness, significantly affects droplet behavior, including pinning and liquid entrapment. The research identifies optimal scales for correlating dynamic wettability, specifically noting area-scale complexities of 28 µm² and length-scale complexities of 6.9 µm as critical for understanding dynamic contact angle hysteresis.
The conclusions drawn from the study emphasize that multiscale geometric parameters provide a more accurate representation of surface functionalities compared to traditional ISO 25178 parameters. Strong linear correlations (R² > 0.9) between surface topographic complexity and dynamic contact angle hysteresis were observed, particularly in hydrophilic surfaces under various conditions. The findings suggest that both hydrophobic and hydrophilic surfaces exhibit significant dependencies on their geometric characteristics, influencing their wettability behavior. This research contributes valuable insights for the design and engineering of surfaces in applications such as self-cleaning technologies, heat exchangers, and marine coatings, highlighting the importance of tailored surface texturing in optimizing liquid-solid interactions.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the application of multiscale geometric analyses in characterizing surface topographies through self-similar triangular fractal shapes. The analysis focuses on parameters such as relative area and relative length, which help in understanding the complexity of surfaces at different scales. The study emphasizes the significance of identifying optimal scales for observing wettability phenomena on complex surfaces, as these interactions are influenced by the surface’s geometric features and their irregularities. Notably, the research highlights that local contact angles are affected by the inclination of surface tiles, which must exceed a certain threshold to avoid being perceived as smooth.
Furthermore, the paper identifies a gap in existing literature regarding the dynamic aspects of wettability, particularly concerning anisotropic surfaces and the effects of abrasive belt grinding on multiscale geometries. It underscores the importance of dynamic contact angle hysteresis as a measure of interfacial properties related to friction and adhesion, which is crucial for various applications, including self-cleaning surfaces and heat transfer systems. The main contributions of this work include establishing multiscale correlations between dynamic contact angle hysteresis and topographic complexity, differentiating dynamic wettability between hydrophilic and hydrophobic surfaces, and providing insights into the geometric characteristics of anisotropic textures that influence wettability.
Methods
In this study, the materials analyzed include hydrophobic aluminum alloy 7064 and hydrophilic fluorophlogopite mica ceramics in borosilicate glass, chosen for their contrasting wettability properties (contact angles > 90° for the alloy and < 90° for the ceramics). The research aims to investigate dynamic wettability on these surfaces and assess the generalizability of observation scales across different material types. Surface preparation involved polishing with sandpapers of varying grits and texturing with Trizact abrasive belts, resulting in ten distinct surfaces for analysis. Topographic characterization was conducted using a Bruker Alicona InfiniteFocus G5 optical 3D microscope, with measurements processed through MountainsMap software to extract conventional and multiscale parameters. Dynamic wettability was measured using an optical goniometer, with droplets of deionized water (3 µL) placed on the surfaces at varying tilt angles (15° to 90°) to observe droplet motion and wetting behavior. Measurements were standardized for repeatability, with dynamic contact angle hysteresis calculated from five repetitions at controlled conditions (22°C and 40% relative humidity). The methodology ensures a comprehensive understanding of the interactions between liquid droplets and solid surfaces across the selected materials.
Results
The results section presents a comprehensive analysis of the topographic characteristics and dynamic contact angle hysteresis (CAH) of various textured surfaces, including abrasive belts, aluminum alloys, and ceramics. Three-dimensional surface images and conventional topographic parameters (e.g., Sa, Sq, Ssk, Sku) are provided for each material, highlighting the relationship between texture grooves and the pyramid shape of the abrasive belt. Length-scale and area-scale analyses reveal the surface profiles and complexities at different scales, with significant findings illustrated in the corresponding figures.
Dynamic contact angle measurements were conducted for aluminum alloys (A1-A5) and ceramics (C1-C5), focusing on the effects of surface grooves on liquid droplet behavior. The study found that the sliding angle, which influences droplet movement, is closely linked to the topographic features of the surfaces. Correlation coefficients (r) between CAH and topographic complexities (area-scale and length-scale) were calculated across various observation scales, revealing that profiles perpendicular to the grooves effectively capture the finest and coarsest geometries. The results indicate a strong correlation between topographic features and CAH, with coefficients approaching +1 signifying a direct proportional relationship, while those near -1 indicate an inverse relationship. This multiscale analysis underscores the intricate interplay between surface texture and liquid interaction dynamics.
Discussion
The discussion section of the research paper emphasizes the significance of multiscale geometric analyses in understanding the relationship between surface topographic complexity and dynamic contact angle hysteresis (CAH). By employing multiscale parameters that differentiate between micro-, meso-, and macro-scale features, the study reveals that these parameters provide a more nuanced characterization of surfaces compared to conventional ISO 25178 metrics. Specifically, the findings indicate that the best correlations between surface topography and CAH occur at specific scales, with hydrophobic surfaces exhibiting strong linear relationships at fine scales (e.g., area-scale complexity at 28 µm²) and coarser scales (e.g., 296,335 µm²), particularly in directions perpendicular to surface grooves.
The research further illustrates that the dynamic contact angle hysteresis is influenced not only by surface roughness and waviness but also by the inherent hydrophobicity or hydrophilicity of the material. The study identifies that anisotropic surface textures significantly affect droplet behavior, with groove orientation impacting contact line dynamics and CAH. Notably, the results suggest that surface texturing can enhance or alter the wettability characteristics of materials, with implications for various applications such as tribological systems, self-cleaning surfaces, and marine coatings. Overall, the study underscores the importance of multiscale geometric parameters in accurately modeling and predicting liquid-solid interactions, thereby advancing the field of surface engineering.