An Experimental Procedure to Obtain the Equilibrium Contact Angle from the Wilhelmy Method
Une méthode expérimentale pour mesurer l'angle de contact d'équilibre avec la technique de Wilhelmy
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NobilBio
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University of Trento
Corresponding author: devol@devolmac. inz. unitn. it
The theory of contact angles has been developed using the concept of the Young contact angle, an equilibrium quantity related to perfectly smooth and homogeneous surfaces; on real surfaces it is commonly accepted that one can obtain metastableequilibrium states, in which the shape of the meniscus along the triple line is not fully equivalent to the equilibriummeniscus. In the present paper, a new method is presented to obtain an equilibrium contact angle with a simple modification of the Wilhelmy microbalance. The supply of acoustic energy to the liquid at a frequency which induces the resonant formation of capillary waves, followed by the reduction of the amplitude of the vibration, allows the meniscus to move from the metastable advancing or receding shape to the stable equilibrium one. This result appears to be significantly independent of the initial conditions; it has been possible to confirm the theoretical provision that the energy barriers between metastable states far from equilibrium are lower than the barriers at equilibrium. The equation which relates the equilibrium cosine of the contact angle and the mean of advancing and receding cosines has been confirmed on homogeneous surfaces, but has been disproved on macroscopically heterogeneous surfaces. The method appears promising also for its simplicity and low cost.
Résumé
La théorie des angles de contact a été développée en utilisant le concept d'angle de Young, une relation d'équilibre établie pour des surfaces complètement lisses et homogènes ; sur surfaces réelles, on considère habituellement que l'on peut obtenir des états métastablesd'équilibre dans lesquels la forme du ménisque le long de la ligne à trois phases n'est pas complètement équivalente à celle du ménisque d'équilibre. Dans cet article, nous présentons une nouvelle méthode d'obtention de l'angle de contact d'équilibre par une simple modification de la microbalance de Wilhelmy. L'apport d'énergie acoustique au liquide à une fréquence capable de provoquer la formation résonante d'ondes capillaires, suivi par la réduction de l'amplitude de la vibration, permet au ménisque de bouger et de passer de sa forme métastable, d'avancée ou de recul, à celle d'équilibre stable. Ce résultat paraît être essentiellement indépendant des conditions initiales ; il a été possible de confirmer la théorie selon laquelle les barrières d'énergie entre états métastables loin de l'équilibre sont plus faibles que celles à l'équilibre. L'équation qui met en relation le cosinus de l'angle de contact d'équilibre et la moyenne arithmétique des cosinus des angles d'avancée et de recul a été confirmée pour des surfaces homogènes, mais elle a été réfutée dans le cas de surfaces macroscopiquement hétérogènes. Cette méthode paraît par ailleurs prometteuse par sa simplicité et son faible coût.
© IFP, 2001