Oberflächenbenetzbarkeit

Oberflächenbenetzbarkeit beschreibt die Fähigkeit einer Flüssigkeit, mit einer festen Oberfläche in Kontakt zu treten und sich darauf auszubreiten. Sie wird oft durch den Kontaktwinkel gemessen, der am Rand eines Sessile-Drops bestimmt wird. Ein geringer Kontaktwinkel (zum Beispiel unter 30°) kennzeichnet eine hohe Benetzbarkeit, während ein großer Winkel (über 90°) auf eine geringe Benetzbarkeit hinweist. Die Benetzbarkeit kann statisch oder dynamisch betrachtet werden, je nachdem ob die Oberfläche unverändert bleibt oder sich der Tropfen bewegt.

Die Grundlage der Benetzung ist die Oberflächenenergie. Auf ideal glatten Oberflächen gilt Youngs Gleichung: gamma_SV minus gamma_SL gleich gamma_LV mal cos theta, wobei theta der Gleichgewichtswinkel ist. Reale Oberflächen weichen davon ab, weil Rauheit, chemische Inhomogenitäten und Grenzflächenfilme die Benetzung beeinflussen. Modelle wie Wenzel und Cassie-Baxter beschreiben, wie Rauheit und Luftphasen die effektive Benetzung verändern: Im Wenzel-Zustand gilt cos theta* = r cos theta, wobei r die Oberflächenrauheit darstellt; im Cassie-Baxter-Zustand gilt cos theta* = f_s cos theta + f_v cos theta_air, wobei f_s und f_v die Flächenanteile von Substrat bzw. Luft an der Kontaktlinie sind und theta_air der Kontaktwinkel an der Luft ist (nahe 180°). Die Differenz zwischen fortschreitendem und zurückgehendem Kontaktwinkel wird als Kontaktwinkelhysterese bezeichnet und spiegelt Oberflächenungleichheiten sowie Adhäsionskräfte wider. Ergänzend dient das Fowkes-Modell der Zerlegung der Oberflächenenergie in Dispersions- und Polarisationsanteile.

Wichtige Einflussfaktoren sind chemische Oberflächenzusammensetzung, Rauheit, Vorbehandlung, Kontamination, Temperatur und Feuchtigkeit sowie die Eigenschaften der Flüssigkeit wie Oberflächenspannung und Polarität. Anwendungen umfassen Beschichtungen und Haftung, Tintenauftrag, Mikrofluidik, Selbstreinigungs- und Antiadhäsionsoberflächen sowie biomedizinische Implantate.