Vodoodpudivost a drsnost povrchu fólií: Příklad s použitím víčka od jogurtu

Všimli jste si někdy, že když otevřete jogurt, občas je na víčku trocha jogurtu a občas ne? Proč se to děje?

Ukázalo se, že odpověď spočívá v úrovni vodoodpudivosti víčka - jogurt přilne k víčku s nižší, ale nepřilne k víčku s vyšší vodoodpudivostí.

Vlevo: Jogurt není nalepený (vysoká vodoodpudivost). Vpravo: Jogurt je nalepený (nízká vodoodpudivost). 2

Vodoodpudivost (hydrofóbie) je jen jednou z mnoha vlastností, které se přidávají k úpravě povrchu fólií používaných při balení potravin, aby plnily specifické funkce. Pro balení potravin jsou zapotřebí různé funkce, jako např.:

• Zachování čerstvosti a kvality potravin
• Snadná manipulace pro spotřebitele, například otevření obalu.
• Vytvoření povrchu odolného vůči kontaminaci

Poptávka po určitých funkcích obalů na potraviny, jako je snížení ztrát potravin pomocí snížení přilnavosti stále roste. Technologie balení se vyvíjí odpovídajícím způsobem. U těchto povrchových úprav na fólii je třeba zkontrolovat kvalitu, což lze měřit pomocí drsnosti povrchu.

Kontrola drsnosti povrchu, často prováděná pomocí 3D laserového konfokálního mikroskopu, měří drsnost jemných nerovností na povrchu fólie a numericky ji kvantifikuje. Ve svém posledním experimentu jsem použila 3D laserový konfokální mikroskop LEXT™ OLS5100 ke zkoumání vztahu mezi odpudivostí vody a drsností povrchu pomocí dvou různých víček od jogurtů.

Čtěte dál a dozvíte se výsledky!

Kontrola vizuálního stavu povrchu víček od jogurtů

Nejprve jsem se pomocí laserového konfokálního mikroskopu OLS5100 prohlédla vizuální stav povrchu zadní strany jogurtových víček ve 3D.

Víčka se skládají z několika vrstev, včetně hliníkové vrstvy se silnými reflexními vlastnostmi. Pro správné zachycení tvaru vnějšího povrchu fólie je důležité pořídit data, která nejsou ovlivněna silným odrazem od spodní hliníkové vrstvy. Použití objektivu s velkým zvětšením a malou hloubkou ostrosti snižuje vliv silného odrazu od spodní vrstvy a umožňuje získat data pouze na vnějším povrchu filmu.

Mikroskop OLS5100 je přizpůsoben vlnové délce laseru 405 nm a používá speciální objektiv LEXT, který potlačuje aberace. Díky tomuto nastavení lze získat přesná data v celém zorném poli.

Dedikované objektivy LEXT zleva doprava: 10x objektiv s malým zvětšením, 20X, 50X a 100X vysoce výkonný objektiv a 20X, 50X a 100X objektiv s velkou pracovní vzdáleností. 6

Při pořizování 3D dat je vizuálně zřejmé, že vysoce vodoodpudivé víčko od jogurtu má na základním povrchu náhodně rozptýlené kulovité vypouklé agregáty různých velikostí. Naproti tomu víčko s nízkou vodoodpudivostí nemá nápadně vypouklý tvar.

Vizuální 3D data dvou jogurtových víček pořízená laserovým konfokálním mikroskopem OLS5100. Vlevo: víčko od jogurtu s vysokou vodoodpudivostí (50x objektiv, cca 250 µm). Vpravo: víčko od jogurtu s nízkou vodoodpudivostí (objektiv se zvětšením 50×, přibližně 250 µm).

Pro pochopení stavu povrchu vzorku s vysokou vodoodpudivostí si vezměte za příklad povrch lotosových listů a brokolice. Možná jste viděli, že tyto povrchy odpuzují vodu a kapky vody stékají dolů. Tyto povrchy mají jemný nerovnoměrný tvar, který se nazývá fraktální struktura. Díky tomuto tvaru dochází k odpuzování vody. Fraktální struktura je tvar, na kterém jsou vidět podobné tvary v různých měřítkách.

Vodoodpudivost lotosového listu (vlevo) a brokolice (vpravo)

Tato fraktální struktura je použita na základě inspirace přírodou také u jogurtových víček s vysokou vodoodpudivostí. Ve výše uvedeném příkladu jsou ukázána data pro jedno zorné pole (přibližně 250 µm) za použití objektivu se zvětšením 50×.

Získávání dat o drsnosti povrchu v širším zorném poli

Dále jsem získala data z širší oblasti, abych zjistila, jaké rozložení má tento charakteristický vypouklý tvar na zadní straně vysoce vodoodpudivého víčka od jogurtu.

Pro pořízení dat pouze z vnějšího povrchu zadní strany víčka je účinný objektiv s velkým zvětšením. Rozsah jednoho zorného pole je však příliš malý na to, aby zachytil všechna data.

Funkce skládání obrazů mikroskopu OLS5100 umožňuje spojit jednotlivé snímky zachycené při použití objektivu s velkým zvětšením a vytvořit obraz širšího zorného pole s vysokým rozlišením.

Vlevo: jednotlivé 2D obrazy před složením. Vpravo: 2D obraz po složení.

Níže je vidět, že vzhled konvexních agregátů náhodně rozptýlených v jednom zorném poli (vpravo) má podobné rozložení i při rozšíření zorného pole (vlevo). Konvexní shluky mají fraktální strukturu.

Vlevo: 3 × 3 složené obrazy (objektiv 50×, přibližně 700 µm). Vpravo: jedno zorné pole (objektiv 50×, přibližně 250 µm).

Kvantifikace stavu povrchu jogurtových víček

Obrázky výše vizuálně ukazují, že:

• Stavy povrchu vysoce vodoodpudivých fólií a málo vodoodpudivých fólií se značně liší.
• U vysoce vodoodpudivých fólií jsou na povrchu přítomny konvexní shluky.
• Vypouklé agregáty mají fraktální strukturu, kdy jsou podobné vypouklé agregáty rozptýleny, i když jsou snímky spojeny a pozorovány v jednom širokém zorném poli.

Na základě těchto výsledků jsem kvantifikovala stav povrchu těchto dvou víček měřením drsnosti jejich povrchu na 3D laserovém konfokálním mikroskopu OLS5100.

Obecně se pro vyhodnocení drsnosti často používá dotykový profiloměr drsnosti povrchu, který získává jednořádková data. Nicméně u tvarů s lokálně rozptýlenými nepravidelnostmi, jako jsou například povrchy s vysokou vodoodpudivostí, se hodnoty drsnosti mohou výrazně měnit v závislosti na linii, kterou sonda sleduje. Kromě toho může kontakt s dotykovým profiloměrem poškodit vzorek, což představuje riziko během měření.

Naproti tomu 3D laserový konfokální mikroskop dokáže získat data o povrchu bezkontaktně. Tato data jsou získána prostřednictvím skenování laserovým svazkem. Tento postup umožňuje získat více informací o tvaru povrchu než jednořádková data z dotykového profiloměru.

Vlevo: dotykový profiloměr může poškodit povrch vzorku. Vpravo: bezkontaktní měření pomocí 3D laserového konfokálního mikroskopu nepoškozuje vzorek.

Vlevo: data drsnosti povrchu z dotykového profiloměru poskytují informace pouze z jednoho řádku. Vpravo: 3D laserový konfokální mikroskop OLS5100 pořizuje informace z celé roviny. 28

K měření drsnosti povrchu byla použita data pořízená ze širokého zorného pole (přibližně 700 µm).

Pro získání dat vhodných pro drsnost povrchu je důležité vyhodnocovat v zorném poli, které obsahuje alespoň 10 charakteristických tvarových nerovností, které mohou nejvíce ovlivnit funkci povrchu vzorku.

Podívejme se, co to znamená pro výše uvedený vysoce vodoodpudivý vzorek. Za předpokladu, že každý konvexní agregát viditelný v jednom zorném poli (50x objektiv, přibližně 250 µm) je charakteristickou tvarovou složkou, která zajišťuje funkci odpuzování vody, potřebujeme alespoň 10 konvexních agregátů zachycených v širším zorném poli. Abych pro vyhodnocení drsnosti povrchu shromáždilavíce než 10 konvexních shluků, použila jsem data širokého zorného pole se složením 3 × 3 obrazů.

Výsledky měření drsnosti povrchu u dvou jogurtových víček

Při použití objektivu s 50x zvětšením byly pomocí 3D laserového mikroskopu získány následující výsledky pro zadní povrch obou víček:

Parametry, kterých je třeba si všimnout, jsou Sp, Sz, Sa, Sdq a Sdr. Zde je stručný popis těchto parametrů:

Sz (maximální výška) a Sp (maximální výška vrcholu)

Když se podíváte na hodnotu Sz, vidíte velikost nerovnosti od průměrného povrchu. Sz je součet maximální výšky vrcholu (Sp) a maximální hloubky prohlubně (Sv). To, čemu zde musíme věnovat pozornost, je, že rozdíl mezi Sp a Sv je velký pouze v Sp. V tomto příkladu data ukazují, že víčko s vysokou vodoodpudivostí má mnoho konvexních tvarů vyvstávajících z průměrného povrchu.

Sa (aritmetický průměr výšek)

Sa ukazuje průměrnou hodnotu rozdílu výšky od průměrného povrchu. Víčko s vysokou vodoodpudivostí s velkou hodnotou Sa má větší nerovnosti.

Sdq (střední kvadratický gradient)

Sdq ukazuje průměrnou velikost lokálního gradientu nerovností povrchu. Vysoce vodoodpudivé víčko s velkou hodnotou Sdq má větší nerovnosti, které snižují lesk povrchu.

Sdr (rozšířený poměr plochy rozhraní)

Sdr udává rychlost nárůstu plochy. Čím vyšší je hodnota vodoodpudivosti, tím větší je zvlnění a tím větší je plocha povrchu.

Pochopení vodoodpudivosti víček pomocí údajů o drsnosti povrchu

Tvarování povrchu vodoodpudivého víčka do fraktální struktury snižuje stykovou plochu mezi jogurtem a víčkem. Tento tvar povrchu způsobuje, že jogurt vytváří kapičky, které na fólii nepřilnou. Zmenšení kontaktní plochy znamená, že plocha filmu je velká a nerovnoměrná. Naproti tomu víčko s nízkou vodoodpudivostí má malý, rovnoměrný povrch, který vytváří velkou kontaktní plochu. Můžeme učinit závěr, že na toto víčko jogurt přilne, protože se zvětšující se stykovou plochou se zvyšuje přilnavost.

Zde je vztah mezi mírou vodoodpudivosti a daty o drsnosti povrchu:

Víčko od jogurtu s vysokou vodoodpudivostí	Víčko od jogurtu s nízkou vodoodpudivostí

Související obsah

Statická elektřina a drsnost povrchu u fólií: experiment

Brožura: 3D laserový mikroskop LEXT OLS5100

Měření drsnosti povrchu: Praktické rady do začátku