Kontaktwinkelhysterese

Kontaktwinkelhysterese bezeichnet die Differenz zwischen dem fortschreitenden (advancing) und dem rückkehrenden (receding) Kontaktwinkel eines Flüssigkeitstropfens auf einer festen Oberfläche. Sie wird üblicherweise als Δθ = θ_A − θ_R angegeben. Auf idealen, glatten Oberflächen gilt das Youngsche Gleichgewicht, wonach der Gleichgewichtskontaktwinkel durch die Gleichgewichtsenergien bestimmt ist. In der Praxis weicht der gemessene Winkel davon ab, weil die Kontaktlinie durch Oberflächenrauheit, chemische Heterogenität und andere Unregelmäßigkeiten gehemmt (gepindet) wird. Dadurch ist der Fortsatz des Tropfens oft mit einem größeren Winkel verbunden als der Rückgang.

Ursachen der Hysterese sind vor allem Oberflächenrauheit und chemische Heterogenität, die zu Pinning der dreiphasigen Kontaktlinie führen. Mikroskopische Vertiefungen, Protektions- oder Kontaminationsschichten sowie Unterschiede in der Oberflächenenergie unterschiedlicher Bereiche tragen dazu bei. Dynamische Effekte wie die Geschwindigkeit der Tropfenveränderung, Verdunstung oder Temperaturunterschiede können die Unterschiede weiter verstärken. Die Oberflächenstruktur kann zudem in Zustände wie Wenzel oder Cassie-Baxter übergehen, was die effektive Benetzbarkeit beeinflusst und die Hysterese mitverursacht.

Die Kontaktwinkelhysterese beeinflusst die Mobilität von Tropfen, das Benetzungsverhalten in Beschichtungen, Kondensation und Mikrofliüdialik. Sie ist eine wichtige Kenngröße zur Charakterisierung von Oberflächen, etwa in Bezug auf Hydrophobie, Textur oder Kontaminationszustände. Messmethoden umfassen Sessiltropfen-Experimente zur Bestimmung von θ_A und θ_R, oft ergänzt durch Wilhelmy-Platten oder dynamische Tropfenmessungen. Theoretische Erklärungen beruhen auf Pins der Kontaktlinie und auf Oberflächenmodellen wie Wenzel oder Cassie-Baxter, die erklären, wie Rauheit und Phasenverteilung die beobachtete Hysterese beeinflussen.