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Determination and Comparison of Critical Surface Tension of Glass and PTFE Surfaces Using the Zisman Method and ImageJ-Based Contact Angle Analysis

Este estudio utiliza el método de Zisman combinado con el análisis del ángulo de contacto basado en ImageJ para determinar cuantitativamente la tensión superficial crítica del vidrio y del PTFE, validando con éxito el enfoque para las superficies de baja energía del PTFE mientras identifica un valor aparente, inferior al esperado, para el vidrio de alta energía.

Autores originales: Ansh Ansh, Aarav Jaiswal, Anurag Kumar

Publicado 2026-10-23

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CC BY 4.0

Autores originales: Ansh Ansh, Aarav Jaiswal, Anurag Kumar

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Cada día, interactuamos con superficies que o bien dan la bienvenida a los líquidos o los repelen. Una gota de lluvia se agrupa en el capó encerado de un coche, mientras que un derrame se absorbe instantáneamente en una toalla de papel. Este comportamiento, conocido como mojabilidad, es la medida de qué tan fácilmente un líquido se extiende sobre un sólido. Es una propiedad fundamental que dicta si una pintura se adherirá a una pared, si una impresora de inyección de tinta colocará una línea nítida o si una ventana autolimpiante realmente desprenderá la suciedad. Los científicos describen esta interacción mediante un único número observable: el ángulo de contacto. Este es el ángulo formado donde una gota de líquido encuentra la superficie sólida. Si el líquido se extiende de forma plana, el ángulo es pequeño, lo que indica que la superficie está ansiosa por unirse al líquido. Si el líquido se mantiene en una bola apretada y redonda, el ángulo es grande, lo que muestra que la superficie está resistiendo al líquido.

Para entender por qué algunos materiales son naturalmente mojables y otros no, los investigadores buscan un umbral específico llamado tensión superficial crítica. Piense en esto como un punto de inflexión para el propio material. Si un líquido tiene una tensión superficial inferior a este umbral, se extenderá completamente sobre el sólido. Si la tensión del líquido es mayor, se agrupará en gotas. Al encontrar este número para un material, los científicos pueden predecir cómo se comportará con casi cualquier líquido. Aunque este concepto se conoce desde hace décadas, medirlo suele requerir máquinas costosas y especializadas que se encuentran en laboratorios de alta tecnología. Un nuevo estudio realizado por investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología Industrial de Kalinga en la India plantea una pregunta sencilla: ¿podemos encontrar este número crucial usando nada más que una cámara, un programa informático disponible para cualquiera de forma gratuita y algunos líquidos comunes?

Los investigadores se propusieron probar dos superficies muy diferentes que representan los extremos opuestos del espectro de la mojabilidad. La primera fue un portaobjetos de vidrio estándar, un material conocido por ser de alta energía e hidrófilo, lo que significa que ama el agua. La segunda fue una lámina de politetrafluoroetileno, comúnment de forma común como PTFE, el plástico resbaladizo y antiadherente que se encuentra en los utensilios de cocina, que es de baja energía e hidrófobo, lo que significa que odia el agua. Para medir cómo estas superficies interactúan con los líquidos, el equipo no utilizó un goniómetro de alta gama. En su lugar, colocaron gotas diminutas de cinco líquidos diferentes sobre cada superficie. Estos líquidos variaban desde el etanol, que es muy fluido y se extiende fácilmente, hasta el glicerol y el agua, que son más espesos y resistentes a la extensión.

Una vez colocadas las gotas, los investigadores capturaron fotografías de vista lateral de las mismas. Luego, introdujeron estas imágenes en ImageJ, un software gratuito de código abierto utilizado frecuentemente por científicos y estudiantes para analizar imágenes. Este programa analizó la forma de cada gota y calculó el ángulo preciso donde el líquido encontraba el sólido. Repitieron este proceso tres veces para cada líquido en cada superficie para asegurar que los resultados fueran consistentes. Con una tabla de ángulos de contacto en mano, el equipo trazó los datos para ver la relación entre la propia tensión del líquido y el ángulo que formaba en la superficie. Al trazar una línea a través de estos puntos y extenderla hasta que alcanzara el punto de mojado completo, pudieron calcular la tensión superficial crítica para cada material.

Los resultados pintaron un panorama claro de los dos materiales. Para la lámina de PTFE, el método arrojó una tensión superficial crítica de aproximadamente 18.9 milinewtons por metro. Este número se alinea casi perfectamente con los valores encontrados en décadas de literatura científica, confirmando que el método de bajo costo funciona de manera confiable para superficies hidrófobas y antiadherentes. El portaobjetos de vidrio contó una historia ligeramente más compleja. Los investigadores calcularon una tensión superficial crítica aparente de unos 39.8 milinewtons por metro. Aunque este valor es inferior al rango típicamente citado para el vidrio en los libros de texto, los autores explican que esto se debe probablemente al método de limpieza específico utilizado y a la composición de los portaobjetos que probaron. A diferencia del PTFE, que resistió todo excepto a los líquidos más finos, el vidrio permitió que incluso el agua se extendiera significamente, formando un ángulo de contacto mucho menor.

El estudio concluye que combinar el método clásico de Zisman con un software gratuito de análisis de imágenes proporciona una herramienta poderosa y accesible para comprender la energía superficial. Demuestra que no se necesita un instrumento de miles de dólares para determinar cómo interactuará un material con los líquidos. Para el PTFE, los resultados fueron definitivos, coincidiendo con las expectativas científicas establecidas. Para el vidrio, los resultados fueron específicos para las condiciones del experimento, sirviendo como un recordatorio de que las propiedades superficiales pueden cambiar según cómo se prepare un material. En última instancia, este trabajo demuestra que las herramientas para explorar las fuerzas invisibles de la adhesión y la mojabilidad están ahora al alcance de cualquier laboratorio de enseñanza o investigador curioso, permitiendo una comprensión más profunda y práctica de los materiales que nos rodean.

Resumen Técnico: Determinación y Comparación de la Tensión Superficial Crítica de Superficies de Vidrio y PTFE mediante el Método de Zisman y el Análisis del Ángulo de Contacto Basado en ImageJ

Planteamiento del Problema
La humectabilidad es una propiedad superficial fundamental que rige procesos industriales como la adhesión, el recubrimiento, la impresión y el diseño de superficies autolimpiantes. Si bien el método de Zisman es un enfoque empírico ampliamente utilizado para caracterizar la humectabilidad de sólidos mediante la determinación de la tensión superficial crítica ( $\gamma_c$ ), las implementaciones tradicionales suelen depender de goniómetros especializados y costosos. Además, la aplicabilidad del método de Zisman a superficies de alta energía, como el vidrio, ha sido cuestionada en la literatura debido a la dispersión de los datos y las variaciones dependientes de la composición. Este estudio aborda la necesidad de una alternativa accesible y de bajo costo para el cribado de la energía superficial y busca caracterizar cuantitativamente la humectabilidad de superficies de referencia contrastantes: vidrio de alta energía y politetrafluoroetileno (PTFE) de baja energía.

Metodología
Los investigadores emplearon una combinación del método clásico de Zisman y análisis de imágenes de código abierto para determinar la tensión superficial crítica de portaobjetos de vidrio y láminas planas de PTFE.

Materiales: Se utilizaron cinco líquidos de prueba con tensiones superficiales ( $\gamma_{LV}$ ) conocidas: etanol (22.1 mN/m), etilenglicol (48.0 mN/m), formamida (58.0 mN/m), glicerol (63.4 mN/m) y agua desionizada (72.8 mN/m).
Procedimiento: Se depositaron gotas sésiles (5–10 µL) sobre sustratos limpiados con etanol. Se capturaron imágenes de perfil lateral de las gotas utilizando una configuración de cámara fija.
Análisis: Los ángulos de contacto ( $\theta$ ) se midieron a partir de las imágenes utilizando el software ImageJ equipado con el complemento LB-ADSA (Análisis de Forma de Gota Simétrica de Bajo Vínculo), el cual ajusta la ecuación de Young–Laplace al contorno de la gota. Se midieron tres gotas de réplica para cada combinación líquido-superficie.
Construcción del Gráfico de Zisman: Se trazó el coseno del ángulo de contacto ( $\cos \theta$ ) frente a la tensión superficial del líquido ( $\gamma_{LV}$ ). Se aplicó una regresión lineal para extrapolar la tensión superficial crítica ( $\gamma_c$ ) donde $\cos \theta = 1$ . Notablemente, el punto de datos del etanol para el vidrio (que muestra una humectación completa) se excluyó del ajuste lineal, ya que no aporta información angular.

Resultados Clave

PTFE (Hidrofóbico): El gráfico de Zisman para el PTFE produjo una regresión lineal con un $R^2$ de aproximadamente 0.99. La tensión superficial crítica ( $\gamma_c$ ) extrapolada fue de 18.9 mN/m. Este valor concuerda estrechamente con los valores de la literatura (18–20 mN/m) para el PTFE, confirmando su naturaleza no polar y de baja energía.
Vidrio (Hidrofílico): El gráfico de Zisman para el vidrio (excluyendo el punto del etanol) produjo un $R^2$ de aproximadamente 1.00. La tensión superficial crítica aparente extrapolada fue de 39.8 mN/m.
Comparación: El estudio observó que los líquidos con $\gamma_{LV}$ por debajo de la $\gamma_c$ de la superficie humectaban completamente la misma, mientras que aquellos por encima formaban ángulos de contacto finitos. Los resultados del vidrio mostraron ángulos de contacto menores (0–48°) en comparación con el PTFE (23–109°), lo cual es consistente con sus respectivos caracteres hidrofílicos e hidrofóbicos.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que la combinación del método de Zisman con el análisis del ángulo de contacto basado en ImageJ proporciona una alternativa de bajo costo, accesible y reproducible a los goniómetros especializados, lo que la hace adecuada para laboratorios de enseñanza y para el cribado preliminar de la energía superficial.

Los autores ofrecen una interpretación modesta de sus hallazgos:

Validación para Superficies de Baja Energía: La estrecha concordancia entre la $\gamma_c$ medida para el PTFE (18.9 mN/m) y los valores establecidos en la literatura valida la metodología basada en ImageJ para superficies de baja energía.
Valor Aparente para Superficies de Alta Energía: Los autores declaran explícitamente que el valor de $\gamma_c$ para el vidrio (39.8 mN/m) debe considerarse un valor aparente específico para los portaobjetos y las condiciones utilizadas en este estudio. Reconocen que este valor es inferior al rango de 43–73 mN/m reportado en la literatura y discuten posibles razones, tales como diferencias en la composición del vidrio y los protocolos de limpieza (lavado con etanol frente a hexano/etanol con almacenamiento en desecador).
Limitaciones: El estudio señala que no se realizó la propagación de la incertidumbre debido a la falta de desviaciones estándar tabuladas de las réplicas. En consecuencia, los valores de $\gamma_c$ reportados son aproximados, y las pequeñas desviaciones respecto a los valores de la literatura no deben sobreinterpretarse.

En conclusión, el estudio demuestra con éxito un flujo de trabajo eficiente en recursos para caracterizar la humectabilidad de las superficies, confirmando las distintas naturalezas hidrofílicas e hidrofóbicas del vidrio y el PTFE, manteniendo al mismo tiempo el rigor científico respecto a las limitaciones de aplicar el método de Zisman a superficies de alta energía sin equipo especializado.

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