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Embora esta técnica seja de caráter macroscópico, ela pode fornecer características microscópicas do material produzido, como energia de superfície, trabalho de adesão e molhabilidade da superfície em relação a um dado líquido. Quando o líquido é a água, esta técnica revela o caráter hidrofóbico/hidrofílico do material, ou seja, a tendência da água se espalhar ou não sobre sua superfície.

Tais características são de alta importância nas áreas de recobrimento de materiais, pinturas, tratamentos anticorrosivos entre outros (TEIXEIRA; HONDA, 2003). Outro setor onde esta técnica é de alta aplicação é na área biomédica e biomateriais (ADAMSON; GAST, 1997), por exemplo, quando se tem a interação entre o fluido biológico e cateteres e implantes.

Embora não seja a finalidade deste trabalho, é importante comentar a potencialidade destes estudos, já que polímeros sintetizados a plasma a partir do monômero diglime têm como uma de suas características a biocompatibilidade. Assim o estudo destes juntamente com a técnica presente podem gerar grandes avanços na área da biomédica.

O ângulo de contato θ é definido entre a tangente à gota no ponto de contato entre ela e a tangente à superfície em análise (TEIXEIRA; HONDA, 2003). Sendo que as duas tangentes pertencem a um plano de simetria da gota, como pode ser visualizada na figura 9:

Figura 9 - Representação de uma gota sobre uma superfície sólida.

A energia de superfície está intimamente ligada ao ângulo de contato (TEIXEIRA; HONDA, 2003). As moléculas e átomos do líquido podem se mover livremente no seu interior de modo a minimizar a energia potencial. Assim, supondo o líquido em equilíbrio e homogêneo, as moléculas que estão mais próximas da interface são submetidas a forças dirigidas para o centro da gota, devido ao desbalanceamento de forças nesta região, como pode ser visto na figura 10:

Figura 10 - Forças atuando em átomos ou moléculas no interior e na superfície de um materiaL

Fonte: (Autor)

Desta forma nota-se que, ao se estabelecer o equilíbrio, nesta região há um aumento na distância média entre as moléculas do líquido em relação às moléculas em seu interior. Para que esta configuração fosse estabelecida, trabalho foi realizado sobre as moléculas do líquido. Ele gera uma energia potencial que é denominada energia de superfície.

As forças que frequentemente estão presentes em interfaces do tipo sólido/vapor são as de Van der Waals, envolvendo dipolos e dipolos induzidos e também está envolvido o princípio de exclusão de Pauli.

Se θ < 90° define-se o material como hidrofílico, se θ > 90° diz-se que ele é hidrofóbico, quando o líquido em questão é a água. Esta característica do material é denominada molhabilidade (ADAMSON; GAST, 1997).

Quando este tipo de estudo é feito, deve-se levar em conta não somente a interface sólido/líquido, mas também as interfaces líquido/vapor e sólido/vapor. A cada uma delas está relacionada uma tensão interfacial, como pode ser visto na figura 11:

Figura 11 - Ângulo de contato e tensões interfaciais.

Fonte: (RAMÉ-HART, 2014) Sendo:

γLV – tensão interfacial líquido/vapor,

γSV – tensão interfacial sólido/vapor,

γSL – tensão interfacial sólido/líquido.

Se houver um pequeno deslocamento do líquido, alterando o ângulo de contato de Δθ, e varrendo uma área ΔA, haverá também uma variação na energia de superfície ΔG dada por (11): ) cos(           LV SV SL A G (11) Considerando a gota em equilíbrio (repouso) tem-se a equação (12):

0 lim 0      _A G A ₍₁₂₎ e portanto:    SL SV   LVcos . (13)

que é a equação de Young, obtida por ele em 1805.

O termo γSV na equação de Young representa a energia de superfície de um substrato

sólido, resultante da adsorção do vapor advindo do líquido e pode ser consideravelmente menor que a energia livre de superfície do sólido no vácuo, γS. Esta redução na energia de

conceituando-se uma pressão de espalhamento de equilíbrio, S, tal que, quando o vapor pode

ser considerado um gás ideal é dado por (14):

R – constante universal dos gases perfeitos, T – temperatura de equilíbrio do sistema,

Γ – concentração superficial do vapor adsorvido, p – pressão local do vapor,

p0 – pressão de equilíbrio do vapor.

Assim a equação de Young pode ser reescrita como: S LV

SL

S   

 cos ₍₁₅₎

Quando θ > 0° o líquido não se espalha sobre a superfície, mas quando θ = 0° o líquido se espalha livremente sobre a superfície. Este comportamento depende de características tanto do líquido quanto do sólido em questão, como viscosidade e rugosidade, respectivamente.

Quando se tem um espalhamento espontâneo obtém-se (16): LV SL SV      ₍₁₆₎ ou, S LV SL S     ₍₁₇₎

Esta relação pode ser escrita em termos do coeficiente do espalhamento, S, definido pela expressão (18):

LV SL SV

ou S LV SL S S     (19)

Desta forma, quando um líquido se espalha livremente sobre a superfície de um sólido observa-se que S ≥ 0.

O trabalho de adesão Wa pode ser definido como o negativo da energia de adesão

entre um sólido e um líquido através da equação de Dupré (20): SL S LV a

W    ₍₂₀₎

que combinada com a equação de Young gera a equação de Young–Dupré (21):

S a LV

LV W

W  (1cos)  (21)

A grande vantagem de se trabalhar com esta equação é que se consegue determinar com facilidade e precisão WLV, pois envolve grandezas de fácil determinação, θ e a tensão

superficial do líquido γLV.

Entretanto, para superfícies com baixa energia, tais como filmes finos de carbono, S é desprezível, de forma que W_LV W_a (MARINS; RANGEL, 2010).

Quando θ = 0°, cosθ = 1, tem-se:

LV a

W 2 (22)

A quantidade 2γLV é denominada trabalho de coesão do líquido. Assim quando o

líquido se espalha totalmente sobre a superfície (θ = 0) o trabalho de adesão se iguala ou supera o trabalho de coesão. Em outras palavras, o líquido se espalha quando as forças de atração líquido – sólido superam as forças de atração líquido – líquido.

Quando θ = 180°, cosθ = -1, tem-se

0  a

W (23)

Fowkes (1964), Owens e Wendt (1969), Kaelble (1970) e Wu (1971) ainda aprimoraram as equações de Young-Dupré levando em conta as contribuições de interações dispersivas (não polares) e não dispersivas (polares) entre o sólido e líquido (TEIXEIRA; HONDA, 2003).

A fotografia mostrada na figura 12 apresenta o sistema utilizado para as medidas de ângulo de contato e energia de superfície.

Figura 12 - Fotografia do goniômetro (à direita), e do sistema de aquisição de dados (PC) à esquerda.

Fonte: (Autor)

O goniômetro utilizado neste trabalho é um Ramé-Hart modelo 300-F1 que quando era operado com água fornecia propriedades de molhabilidade do material e quando as análises eram acompanhadas do ângulo de contato com líquidos apolares, como o diiodometano disponível em laboratório, podiam-se levantar informações sobre suas energias de superfície. Este sistema pertence ao laboratório de Plasmas e Aplicações da UNESP- Guaratinguetá.