Kosketuskulma

Kosketuskulma on nesteen, kiinteän pinnan ja ilman rajapinnassa syntyvä kulma, joka mitataan siinä kohdassa, missä neste koskettaa pintaa. Se määrittää pinnan kosteuttavuuden tai wettien ominaisuudet: pienet kosketuskulmat (yleensä alle 90 asteen) tarkoittavat hyvää kosteuttamista, suuret kulmat (yli 90 astetta) heikompaa kosteuttamista. Kosketuskulma antaa siten yleiskuvan pinnan wettivuudesta ja nesteen ja pinnan vuorovaikutuksista.

Tasapainokulma voidaan johtaa ideaalille, sileälle ja homogeeniselle pinnalle Youngin yhtälöstä: gamma_sv - gamma_sl = gamma_lv cos θ. Tässä gamma_lv on neste-vapori -jännitys (nesteen ja ilman rajapinta), gamma_sl kiinteä-neste -jännitys ja gamma_sv kiinteä-vapaa -jännitys. Kulma θ, eli kosketuskulma, kuvaa näiden jännitysten tasapainoa.

Rasvoituksen ja epäjatkuvuuksien vaikutuksesta todellinen, helposti havaittava kosketuskulma voi poiketa yksinkertaisesta Youngin arviosta. Pintaa kuvaavat mallit kuten Wenzel- ja Cassie-Baxter -mallit selittävät, miten pinnan karheus ja pinnan kemialliset epäpuhtaudet vaikuttavat kosketuskulmaan. Wenzel:n malli huomioi tasaisen karhean pinnan vaikutuksen, kun taas Cassie-Baxter -malli käsittelee tilaa, jossa neste on kosketuksissa sekä kiinteään että ilmataskuihin.

Dynamiikassa erotellaan edistyvä (advancing) kosketuskulma ja palautuva (receding) kosketuskulma sekä näiden aikana havaittava hysteresis. Hysteresis kertoo pinnan epäjatkuvuuksien ja mikroskooppisten tekijöiden vaikutuksesta kosteuttuvuuteen, jolloin samea tai hybridi pinta voi antaa useampaa arvoa riippuen mittausmenetelmästä.

Käytännössä kosketuskulmaa käytetään pinnan hydrophilisyydellisen luonteen luokitteluun ja materiaalien wettimuotosten suunnitteluun, kuten sovelluksissa, joissa säädellään nesteen leviämistä, tarttuvuutta ja fellia. Tyypillisiä esimerkkejä ovat vesikarkaisuus, paleltumat, märkäpinta-tekniikat ja mikrofluidiikkasovellukset.

Kosketuskulman arvoja käytetään kuvaamaan pinnan laatua: pienet arvojen voivat viitata hydrophiliseen pintaan, suuret arvojen puolestaan hydrophobiseen tai superhydrofobiseen pintaan (yleensä yli 150 astetta). Tekijöitä, jotka vaikuttavat arvoon, ovat pinnan puhtaus, kemiallinen koostumus, karheus sekä lämpötila ja nesteen ominaisuudet.