Von Dr. Michaela Laupheimer, DataPhysics Technologie- & Wissenstransfer, und Dina Otto, DataPhysics Applikationszentrum
Oberflächen untersuchen, verstehen und optimieren: Dazu sind Kontaktwinkelmessgeräte und Tropfenkonturanalysesysteme von DataPhysics Instruments weltweit im Einsatz. Für jede Anforderung gibt es das passende Messsystem. Dank innovativer Nano- und Pikoliterdosierung gelingt auch das Prüfen kleinster Bauteile.
Die DataPhysics Instruments GmbH entwickelt, baut und vertreibt seit 20 Jahren hochwertige Messgeräte zur Analyse von Grenz- und Oberflächeneigenschaften. Mit ihren hohen Qualitäts- und Präzisionsstandards werden diese auch höchsten Messanforderungen gerecht. Dank eines breit aufgestellten Produktportfolios von optischen Kontaktwinkelmessgeräten, über Tensiometer und Spinning Drop-Tensiometer, bis hin zu Stabilitätsanalysatoren für Dispersionen, bietet DataPhysics Instruments passende Systemlösungen für unterschiedlichste Messaufgaben.
Genau das haben wir erwartet, freut sich Dr. Carl Funke und betrachtet den kleinen Wassertropfen zwischen den Schraubenwindungen, der sich eng an die Oberfläche des Zahnimplantats anschmiegt. Er und seine Kollegen feilen seit Monaten an dem Implantatmaterial, das durch seine Hydrophilie ein schnelles und festes Einwachsen eines nötigen Zahnersatzes sicherstellen soll. Heute steht Dr. Funke mit seiner Entwicklung im Applikationslabor von DataPhysics Instruments in Filderstadt. Hier möchte er an einem Labortag herausfinden, mit welchem Messgerät er seine Forschung zukünftig noch effektiver vorantreiben kann. Das optische Kontaktwinkelmessgerät und Konturanalysesystem OCA mit dem eben vorgeführten Nanoliterdosiersystem scheint perfekt geeignet.
Wie viele Wissenschaftler in der Oberflächentechnik, steht Dr. Funke vor der Herausforderung, die Eigenschaften eines neu entwickelten Materials auch am schließlich daraus gefertigten Bauteil zu testen. Das ist aufgrund von dessen Form und Größe jedoch mitunter schwierig. Während am Rohmaterial für die Untersuchung meist große Flächen zur Verfügung stehen, sind mögliche Testflächen am Bauteil oft nur noch wenige Quadratmillimeter oder gar Quadratmikrometer klein. So wie die Gewindegänge von Dr. Funkes Zahnimplantat. Dies stellt besonders hohe Anforderungen an die verwendeten Messgeräte.
Kontaktwinkelmessung erlaubt Oberflächencharakterisierung
Für die Durchführung von Benetzungsanalysen auf Festkörperoberflächen werden bevorzugt optische Kontaktwinkelmessgeräte eingesetzt. Diese besitzen eine Dosiervorrichtung, mithilfe derer ein Flüssigkeitstropfen auf der zu untersuchenden Oberfläche abgesetzt wird. Eine Kamera filmt den Vorgang und sendet die Bilder an einen Computer mit Auswertesoftware. Die Tropfenbasis sowie die -konturlinie werden automatisch erkannt und angepasst. Unmittelbar daraufhin wird der Kontaktwinkel berechnet.
Der Kontaktwinkel erlaubt eine direkte Oberflächencharakterisierung: Niedrige Wasserkontaktwinkel < 90° zeugen von Hydrophilie, während man auf hydrophoben Oberflächen kugelförmige Wassertropfen mit Kontaktwinkeln > 90° beobachtet. Kontaktwinkelmessungen mit mehreren unterschiedlichen Testflüssigkeiten ermöglichen weiterhin die Bestimmung der Oberflächenenergie. Diese ist das Pendant zur Oberflächenspannung von Flüssigkeiten und lässt mit ihren dispersen und polaren Anteilen auch Rückschlüsse auf die Oberflächenchemie des Materials zu (Abb. 1).
Abb. 1: Schematische Darstellung eines Kontaktwinkels θC auf einer Festkörperoberfläche, mit der Oberflächenspannung der Flüssigkeit σL, Oberflächenenergie des Festkörpers σS und fest-flüssig-Grenzflächenenergie σSL
Innovative Dosierung für kleinste Oberflächen
Soll nun der Kontaktwinkel auf sehr kleinen Oberflächen gemessen werden, erfordert dies die Dosierung von besonders kleinen Flüssigkeitstropfen. DataPhysics Instruments hat zu diesem Zweck neben der Standarddosierung mit Glas- oder Einwegspritzen, die Mikrolitertropfen erzeugt, zwei spezielle Dosiersysteme entwickelt: die Nanoliterdosierung und die Pikoliterdosierung PDDS.
Die Größenverhältnisse kann man sich wie folgt vorstellen: Ein Mikrolitertropfen benetzt eine Fläche mit einem Durchmesser von einigen Millimetern (umso größer, je kleiner der Kontaktwinkel); das entspricht in etwa der Größe eines Stecknadelkopfes oder einer Reißzwecke. Mit der Nanoliterdosierung werden bereits hundertmal kleinere Tropfen erzeugt (V = 10 nl). Diese passen beispielsweise auf den Rand einer Cent-Münze – oder in die Gewindegänge eines Zahnimplantats (Abb. 2).
Abb. 2: Nanolitertropfen im Gewinde eines Zahnimplantats
Abb. 3: Pikolitertropfen auf Koronarstent
Mit der Pikoliterdosierung schließlich lassen sich noch dreißigmal kleinere Tropfen dosieren (V = 30 pl), zum Beispiel auf ein menschliches Haar oder die Drähte eines Koronarstents (Abb. 3).
Und wie groß ist Ihre Probe? Die Oberflächenexperten bei DataPhysics Instruments beraten Sie gerne und finden für Sie das passende Messsystem. Mit ihrem dichten weltweiten Vertriebsnetz garantiert das Unternehmen die schnelle, kompetente Beratung und Unterstützung auch über alle Grenzen hinweg.
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