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

हर दिन, हम ऐसी सतहों के साथ संपर्क करते हैं जो या तो तरल पदार्थों का स्वागत करती हैं या उन्हें दूर धकेलती हैं। एक बारिश की बूंद मोम लगी कार के हुड पर मोती की तरह जम जाती है, जबकि एक बिखरा हुआ तरल पेपर टॉवल में तुरंत समा जाता है। यह व्यवहार, जिसे 'वेटेबिलिटी' (wettability) कहा जाता है, इस बात का माप है कि कोई तरल किसी ठोस सतह पर कितनी आसानी से फैलता है। यह एक मौलिक गुण है जो यह तय करता है कि क्या पेंट दीवार से चिपकेगा, क्या एक इंकजेट प्रिंटर एक स्पष्ट रेखा बनाएगा, या क्या एक स्व-स्वच्छ (self-cleaning) खिड़की वास्तव में गंदगी को हटा पाएगी। वैज्ञानिक इस परस्पर क्रिया को एक एकल, दृश्य संख्या का उपयोग करके समझाते हैं: 'कॉन्टैक्ट एंगल' (संपर्क कोण)। यह वह कोण है जो बनता है जहाँ तरल की एक बूंद ठोस सतह से मिलती है। यदि तरल पूरी तरह से फैल जाता है, तो कोण छोटा होता है, जो दर्शाता है कि सतह तरल के साथ जुड़ने के लिए उत्सुक है। यदि तरल एक तंग, गोल गेंद की तरह बना रहता है, तो कोण बड़ा होता है, जो दर्शाता है कि सतह तरल का विरोध कर रही है।

यह समझने के लिए कि कुछ सामग्रियाँ स्वाभाविक रूप से वेटेबल (wettable) क्यों होती हैं और अन्य क्यों नहीं, शोधकर्ता एक विशिष्ट सीमा की तलाश करते हैं जिसे 'क्रिटिकल सरफेस टेंशन' (critical surface tension) कहा जाता है। इसे सामग्री के स्वयं के लिए एक 'टिपिंग पॉइंट' (निर्णायक बिंदु) के रूप में सोचें। यदि किसी तरल का सतही तनाव इस सीमा से कम है, तो वह ठोस पर पूरी तरह से फैल जाएगा। यदि तरल का तनाव इससे अधिक है, तो वह बूंदों के रूप में सिमट जाएगा। किसी सामग्री के लिए इस संख्या को जानकर, वैज्ञानिक भविष्यवाणी कर सकते हैं कि वह लगभग किसी भी तरल के साथ कैसा व्यवहार करेगी। हालाँकि यह अवधारणा दशकों से ज्ञात है, लेकिन इसे मापने के लिए आमतौर पर महंगे, विशेष मशीनों की आवश्यकता होती है जो हाई-टेक लैब में स्थित होती हैं। भारत के कलिंगा इंस्टीट्यूट ऑफ इंडस्ट्रियल टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं द्वारा किया गया एक नया अध्ययन एक सरल प्रश्न पूछता है: क्या हम केवल एक कैमरे, एक कंप्यूटर प्रोग्राम जो किसी के लिए भी मुफ्त उपलब्ध है, और कुछ सामान्य तरल पदार्थों का उपयोग करके इस महत्वपूर्ण संख्या को खोज सकते हैं?

शोधकर्ताओं ने दो बहुत ही अलग सतहों का परीक्षण करने का निर्णय लिया जो वेटेबिलिटी के स्पेक्ट्रम के विपरीत छोरों का प्रतिनिधित्व करती हैं। पहला एक मानक ग्लास माइक्रोस्कोप स्लाइड था, जो एक उच्च-ऊर्जा और हाइड्रोफिलिक (जल-स्नेही) सामग्री है, जिसका अर्थ है कि यह पानी को पसंद करती है। दूसरा पॉलीटेट्राफ्लुओरोएथिलीन (PTFE) की एक शीट थी, जिसे आमतौर पर नॉन-स्टिक प्लास्टिक के रूप में जाना जाता है जो खाना पकाने के बर्तनों में पाया जाता है, जो लो-एनर्जी और हाइड्रोफोबिक (जल-विरोधी) है, जिसका अर्थ है कि यह पानी से नफरत करती है। यह मापने के लिए कि ये सतहें तरल पदार्थों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती हैं, टीम ने किसी उच्च-स्तरीय गोनियोमीटर (goniometer) का उपयोग नहीं किया। इसके बजाय, उन्होंने प्रत्येक सतह पर पांच अलग-अलग तरल पदार्थों की छोटी बूंदें रखीं। ये तरल पदार्थ इथेनॉल (जो बहुत पतला है और आसानी से फैलता है) से लेकर ग्लिसरॉल और पानी (जो अधिक गाढ़े हैं और फैलने में प्रतिरोधी हैं) तक विस्तृत थे।

बूंदें रखने के बाद, शोधकर्ताओं ने उनके साइड-व्यू (पार्श्व दृश्य) फोटोग्राफ लिए। फिर उन्होंने इन छवियों को 'इमेजजेजे' (ImageJ) में फीड किया, जो एक मुफ्त, ओपन-सोर्स सॉफ्टवेयर है जिसका उपयोग अक्सर वैज्ञानिकों और छात्रों द्वारा चित्रों के विश्लेषण के लिए किया जाता है। इस प्रोग्राम ने प्रत्येक बूंद के आकार का विश्लेषण किया और उस सटीक कोण की गणना की जहाँ तरल ठोस से मिलता है। परिणामों में निरंतरता सुनिश्चित करने के लिए उन्होंने हर सतह पर हर तरल के लिए इस प्रक्रिया को तीन बार दोहराया। कॉन्टैक्ट एंगल्स की एक तालिका हाथ में लेकर, टीम ने डेटा को प्लॉट किया ताकि यह देखा जा सके कि तरल के अपने तनाव और उसके द्वारा बनाए गए कोण के बीच क्या संबंध है। इन बिंदुओं के माध्यम से एक रेखा खींचकर और इसे पूर्ण गीलेपन (complete wetting) के बिंदु तक बढ़ाकर, वे प्रत्येक सामग्री के लिए क्रिटिकल सरफेस टेंशन की गणना कर सके।

परिणामों ने दोनों सामग्रियों की एक स्पष्ट तस्वीर पेश की। PTFE शीट के लिए, इस पद्धति ने लगभग 18.9 मिलीन्यूटन प्रति मीटर का क्रिटिकल सरफेस टेंशन प्रदान किया। यह संख्या दशकों पुराने वैज्ञानिक साहित्य में पाए जाने वाले मूल्यों के लगभग समान है, जो पुष्टि करती है कि कम लागत वाली यह विधि नॉन-स्टिक, हाइड्रोफोबिक सतहों के लिए विश्वसनीय रूप से काम करती है। ग्लास स्लाइड ने एक थोड़ी अधिक जटिल कहानी सुनाई। शोधकर्ताओं ने लगभग 39.8 मिलीन्यूटन प्रति मीटर का एक 'अपैरेंट क्रिटिकल सरफेस टेंशन' (apparent critical surface tension) निकाला। हालांकि यह मान पाठ्यपुस्तकों में ग्लास के लिए आमतौर पर उद्धृत सीमा से कम है, लेखक बताते हैं कि यह संभवतः उपयोग की गई विशिष्ट सफाई विधि और उनके द्वारा परीक्षण की गई स्लाइड्स की संरचना के कारण है। PTFE के विपरीत, जिसने सभी बहुत पतले तरल पदार्थों को छोड़कर बाकी सब का विरोध किया, ग्लास ने यहाँ तक कि पानी को भी काफी फैलने दिया, जिससे एक बहुत छोटा कॉन्टैक्ट एंगल बना।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि शास्त्रीय ज़िसमैन विधि (Zisman method) को मुफ्त इमेज विश्लेषण सॉफ्टवेयर के साथ जोड़ना, सतह ऊर्जा को समझने के लिए एक शक्तिशाली और सुलभ उपकरण प्रदान करता है। यह सिद्ध करता है कि यह निर्धारित करने के लिए कि कोई सामग्री तरल पदार्थों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करेगी, आपको हजारों डॉलर के उपकरण की आवश्यकता नहीं है। PTFE के लिए, परिणाम निर्णायक थे, जो स्थापित वैज्ञानिक अपेक्षाओं से मेल खाते थे। ग्लास के लिए, परिणाम प्रयोग की स्थितियों के विशिष्ट थे, जो एक अनुस्मारक के रूप में कार्य करते हैं कि सतह के गुण इस आधार पर बदल सकते हैं कि सामग्री को कैसे तैयार किया गया है। अंततः, यह कार्य प्रदर्शित करता है कि आसंजन (adhesion) और वेटिंग (wetting) की अदृश्य शक्तियों को खोजने के लिए आवश्यक उपकरण अब किसी भी शिक्षण प्रयोगशाला या जिज्ञासु शोधकर्ता की पहुंच में हैं, जिससे हमारे आसपास की सामग्रियों की गहरी और अधिक व्यावहारिक समझ संभव हो पाती है।