በፈሳሽ ገጽ ላይ ባለ መስመር ላይ የሚሰራ ኃይል

በኒውተን በሜትር (N/m) ወይም በዳይን በሴንቲሜትር (dyn/cm) ይለካል። ተንቀሳቃሽ ጎን ያለው ፍሬም ከፈሳሽ ፊልም ጋር እንደተገናኘ ብታስቡ፣ የገጸ-ውጥረት በዚያ ጎን ላይ የሚስበው ኃይል ለርዝመቱ ሲካፈል ነው። ይህ ሜካኒካዊ ፍቺው ነው።

ቀመር: γ = F/L F = ኃይል, L = የጠርዝ ርዝመት

ምሳሌ: ውሃ @ 20°C = 72.8 mN/m ማለት በአንድ ሜትር ጠርዝ 0.0728 N ኃይል ማለት ነው

አዲስ የገጽ ስፋት ለመፍጠር የሚያስፈልግ ኃይል

በጁል በካሬ ሜትር (J/m²) ወይም በኤርግ በካሬ ሴንቲሜትር (erg/cm²) ይለካል። አዲስ የገጽ ስፋት መፍጠር በኢንተርሞለኪውላር ኃይሎች ላይ ሥራ ይጠይቃል። በቁጥር ከገጸ-ውጥረት ጋር ተመሳሳይ ቢሆንም ከኃይል እይታ ይልቅ የኃይልን እይታ ይወክላል።

ቀመር: γ = E/A E = ኃይል, A = የገጽ ስፋት መጨመር

ምሳሌ: ውሃ @ 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (ተመሳሳይ ቁጥር፣ ሁለት ዓይነት ትርጓሜ)

ኢንተርሞለኪውላር ኃይሎች የገጽ ባህሪን ይወስናሉ

ማሰባሰብ (Cohesion): ተመሳሳይ በሆኑ ሞለኪውሎች መካከል ያለው መሳሳብ (ፈሳሽ-ፈሳሽ)። መጣበቅ (Adhesion): የተለያየ ዓይነት በሆኑ ሞለኪውሎች መካከል ያለው መሳሳብ (ፈሳሽ-ጠንካራ)። ከፍተኛ ማሰባሰብ → ከፍተኛ የገጸ-ውጥረት → ጠብታዎች ክብ ይሆናሉ። ከፍተኛ መጣበቅ → ፈሳሽ ይሰራጫል (እርጥበት)። ሚዛኑ የግንኙነት አንግልን (contact angle) እና የፀጉሮሽ ክስተትን (capillary action) ይወስናል።

የግንኙነት አንግል θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (የያንግ ቀመር)

ምሳሌ: ውሃ በመስታወት ላይ ዝቅተኛ θ አለው (መጣበቅ > ማሰባሰብ) → ይሰራጫል። ሜርኩሪ በመስታወት ላይ ከፍተኛ θ አለው (ማሰባሰብ >> መጣበቅ) → ክብ ይሆናል።

በገጸ-ውጥረት ላይ የመጀመሪያዎቹ መጠናዊ ሙከራዎች

ጀርመናዊው የፊዚክስ ሊቅ ሴግነር ተንሳፋፊ መርፌዎችን በማጥናት የውሃ ገጾች እንደተወጠሩ ሽፋኖች እንደሆኑ ተመልክቷል። ኃይሎችን አስልቷል ነገር ግን ክስተቱን ለማብራራት የሚያስችል ሞለኪውላዊ ንድፈ-ሐሳብ አልነበረውም።

የያንግ ቀመር ለግንኙነት አንግል

ብሪቲሽዊው ሊቅ ቶማስ ያንግ በገጸ-ውጥረት፣ በግንኙነት አንግል እና በእርጥበት መካከል ያለውን ግንኙነት አገኘ: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV። ይህ መሠረታዊ ቀመር ዛሬም በማቴሪያል ሳይንስ እና በማይክሮፍሉይዲክስ ውስጥ ጥቅም ላይ ይውላል።

የያንግ-ላፕላስ ቀመር ለግፊት

ላፕላስ ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) በማለት የታጠፉ ገጾች የግፊት ልዩነት እንዳላቸው አሳይቷል። ትናንሽ አረፋዎች ከትላልቆቹ ለምን ከፍ ያለ ውስጣዊ ግፊት እንዳላቸው ያብራራል—የሳንባ ፊዚዮሎጂን እና የኢሙልሽን መረጋጋትን ለመረዳት ወሳኝ ነው።

የገጸ-ውጥረት ሞለኪውላዊ ንድፈ-ሐሳብ

ደችዊው የፊዚክስ ሊቅ ቫን ደር ዋልስ የገጸ-ውጥረትን በኢንተርሞለኪውላር ኃይሎች አስረድቷል። በሞለኪውላዊ መሳሳብ ላይ የሰራው ሥራ የ1910 የኖቤል ሽልማት አስገኝቶለት የፀጉሮሽ ክስተትን፣ መጣበቅን እና ወሳኝ ነጥብን (critical point) ለመረዳት መሠረት ጥሏል።

ሞኖሌየሮች እና የገጽ ኬሚስትሪ

ላንግሙየር በውሃ ገጾች ላይ ያሉ ሞለኪውላዊ ፊልሞችን በማጥናት የገጽ ኬሚስትሪን መስክ ፈጥሯል። በገጸ-ንቁ ንጥረ ነገሮች፣ በአድሶርፕሽን እና በሞለኪውላዊ አቅጣጫ ላይ የሰራው ሥራ የ1932 የኖቤል ሽልማት አስገኝቶለታል። የላንግሙየር-ብሎጀት ፊልሞች በእሱ ስም ተሰይመዋል።

የገጸ-ውጥረት እርጥበትን፣ መስፋፋትን እና መጣበቅን ይወስናል:

• የቀለም ዝግጅት: ለተሻለ ስርጭት γ ወደ 25-35 mN/m ያስተካክሉ
• የቀለም-ጄት ህትመት: ቀለሙ ለመርጠብ γ < substrate ሊኖረው ይገባል (በተለምዶ 25-40 mN/m)
• የኮሮና ህክምና: የፖሊመር ገጸ-ኃይልን ከ 30 → 50+ mN/m ለመጣበቅ ይጨምራል
• የዱቄት ሽፋኖች: ዝቅተኛ የገጸ-ውጥረት ደረጃን እና አንጸባራቂነትን ለማሻሻል ይረዳል
• ፀረ-ግራፊቲ ሽፋኖች: ዝቅተኛ γ (15-20 mN/m) የቀለም መጣበቅን ይከላከላል
• የጥራት ቁጥጥር: ለቡድን-ለቡድን ወጥነት የዱ ኖዊ ቀለበት ቴንሲዮሜትር

የጽዳት ዕቃዎች የገጸ-ውጥረትን በመቀነስ ይሰራሉ:

• ንጹህ ውሃ: γ = 72.8 mN/m (በጨርቆች ውስጥ በደንብ አይገባም)
• ውሃ + ሳሙና: γ = 25-30 mN/m (ይገባል፣ ያረሰርሳል፣ ዘይትን ያስወግዳል)
• ወሳኝ የማይሴል ክምችት (CMC): γ እስከ CMC ድረስ በከፍተኛ ሁኔታ ይቀንሳል፣ ከዚያም ይረጋጋል
• የማርጠብ ወኪሎች: የኢንዱስትሪ ማጽጃዎች γ ወደ <30 mN/m ይቀንሳሉ
• የእቃ ማጠቢያ ሳሙና: ቅባትን ለማስወገድ γ ≈ 27-30 mN/m ሆኖ ተዘጋጅቷል
• የተባይ ማጥፊያ መርጫዎች: ለተሻለ የቅጠል ሽፋን γ ለመቀነስ ገጸ-ንቁ ንጥረ ነገሮችን ይጨምራሉ

በነዳጅ እና በውሃ መካከል ያለው የገጸ-ውጥረት በማውጣት ላይ ተጽዕኖ ያሳድራል:

• የነዳጅ-ውሃ የገጸ-ውጥረት: በተለምዶ 20-50 mN/m
• የተሻሻለ የነዳጅ ማውጣት (EOR): γ ወደ <0.01 mN/m ለመቀነስ ገጸ-ንቁ ንጥረ ነገሮችን መርጨት
• ዝቅተኛ γ → የነዳጅ ጠብታዎች ይሟሟሉ → በስንጥቅ አለቶች ውስጥ ይፈስሳሉ → የማውጣት መጠን ይጨምራል
• የጥሬ ነዳጅ ባህሪይ: የአሮማቲክ ይዘት የገጸ-ውጥረትን ይነካል
• የቧንቧ መስመር ፍሰት: ዝቅተኛ γ የኢሙልሽን መረጋጋትን ይቀንሳል፣ መለያየትን ይረዳል
• የተንጠለጠለ ጠብታ ዘዴ γ በማጠራቀሚያው የሙቀት መጠን/ግፊት ይለካል

የገጸ-ውጥረት ለሕይወት ሂደቶች ወሳኝ ነው:

• የሳንባ ገጸ-ንቁ ንጥረ ነገር: የአልቪዮላር γ ከ 70 ወደ 25 mN/m ይቀንሳል፣ መደርመስን ይከላከላል
• ያለጊዜው የተወለዱ ሕፃናት: በቂ ያልሆነ ገጸ-ንቁ ንጥረ ነገር ምክንያት የመተንፈስ ችግር ሲንድሮም
• የሴል ሽፋኖች: የሊፒድ ድርብ ሽፋን γ ≈ 0.1-2 mN/m (ለተለዋዋጭነት በጣም ዝቅተኛ)
• የደም ፕላዝማ: γ ≈ 50-60 mN/m፣ በበሽታዎች (የስኳር በሽታ፣ አተሮስክለሮሲስ) ይጨምራል
• የእንባ ፊልም: ትነትን የሚቀንስ የሊፒድ ንብርብር ያለው ባለብዙ-ንብርብር መዋቅር
• የነፍሳት አተነፋፈስ: የትራኪያ ስርዓት የውሃ መግባትን ለመከላከል በገጸ-ውጥረት ላይ ይመሰረታል

የውሃ ሸረሪቶች (Gerridae) የውሃን ከፍተኛ የገጸ-ውጥረት (72.8 mN/m) በመጠቀም የሰውነታቸውን ክብደት 15 እጥፍ ይደግፋሉ። እግሮቻቸው በሰም ፀጉሮች የተሸፈኑ ሲሆን ይህም እጅግ በጣም ሃይድሮፎቢክ (የግንኙነት አንግል >150°) ያደርጋቸዋል። እያንዳንዱ እግር በውሃው ገጽ ላይ ጉድጓድ ይፈጥራል፣ እና የገጸ-ውጥረት ወደ ላይ የሚገፋ ኃይል ይሰጣል። ሳሙና ከጨመሩ (γ ወደ 30 mN/m በመቀነስ) ወዲያውኑ ይሰምጣሉ!

የገጸ-ውጥረት ለተወሰነ መጠን ያለውን የገጽ ስፋት ለመቀነስ ይሠራል። ክብ (sphere) ለማንኛውም መጠን ዝቅተኛው የገጽ ስፋት አለው (isoperimetric inequality)። የሳሙና አረፋዎች ይህንን በሚያምር ሁኔታ ያሳያሉ: ውስጡ ያለው አየር ወደ ውጭ ይገፋል፣ የገጸ-ውጥረት ወደ ውስጥ ይስባል፣ እና ሚዛኑ ፍጹም የሆነ ክብ ይፈጥራል። ክብ ያልሆኑ አረፋዎች (ለምሳሌ በሽቦ ፍሬሞች ውስጥ ያሉ ኩብ) ከፍተኛ ኃይል ያላቸው እና ያልተረጋጉ ናቸው።

የአዲስ የተወለዱ ሕፃናት ሳንባዎች የአልቪዮላርን የገጸ-ውጥረት ከ 70 ወደ 25 mN/m የሚቀንስ የሳንባ ገጸ-ንቁ ንጥረ ነገር (ፎስፎሊፒድስ + ፕሮቲኖች) ይይዛሉ። ያለ እሱ፣ አልቪዮሊዎች በሚተነፍሱበት ጊዜ ይደርሳሉ (atelectasis)። ያለጊዜው የተወለዱ ሕፃናት በቂ ገጸ-ንቁ ንጥረ ነገር ስለሌላቸው የመተንፈስ ችግር ሲንድሮም (RDS) ያስከትላል። ከሰው ሰራሽ ገጸ-ንቁ ንጥረ ነገር ህክምና (1990ዎቹ) በፊት፣ RDS ለአራስ ሕፃናት ሞት ዋነኛ መንስኤ ነበር። አሁን፣ የመዳን መጠኑ ከ 95% በላይ ነው።

ወይን በመስታወት ውስጥ አፍስሱ እና ይመልከቱ: ጠብታዎች በጎኖቹ ላይ ይፈጠራሉ፣ ወደ ላይ ይወጣሉ፣ እና ወደ ታች ይወድቃሉ—'የወይን እንባ'። ይህ የማራንጎኒ ውጤት ነው: አልኮል ከውሃ በበለጠ ፍጥነት ይተናል፣ ይህም የገጸ-ውጥረት ቅልመት (γ በቦታ ይለያያል) ይፈጥራል። ፈሳሽ ከዝቅተኛ-γ ወደ ከፍተኛ-γ ክልሎች ይፈስሳል፣ ወይኑን ወደ ላይ ይጎትታል። ጠብታዎቹ በቂ ክብደት ሲኖራቸው፣ ስበት ያሸንፋል እና ይወድቃሉ። የማራንጎኒ ፍሰቶች በመበየድ፣ በሽፋን እና በክሪስታል እድገት ውስጥ ወሳኝ ናቸው።

የሳሙና ሞለኪውሎች አምፊፊሊክ ናቸው: ሃይድሮፎቢክ ጅራት (ውሃ የማይወድ) + ሃይድሮፊሊክ ራስ (ውሃ የሚወድ)። በመፍትሄ ውስጥ፣ ጅራቶቹ ከውሃው ገጽ ላይ ይወጣሉ፣ የሃይድሮጂን ትስስርን ያበላሻሉ እና γ ከ 72 ወደ 25-30 mN/m ይቀንሳሉ። በወሳኝ የማይሴል ክምችት (CMC)፣ ሞለኪውሎቹ ጅራቶቻቸውን ወደ ውስጥ (ዘይትን በመያዝ) እና ራሶቻቸውን ወደ ውጭ በማድረግ ክብ ማይሴሎችን ይፈጥራሉ። ሳሙና ቅባትን የሚያስወግደው ለዚህ ነው: ዘይት በማይሴሎች ውስጥ ይሟሟል እና ይታጠባል።

የካምፎር ክሪስታል በውሃ ላይ ጣል ያድርጉ እና እንደ ትንሽ ጀልባ በገጹ ላይ ይንቀሳቀሳል። ካምፎር ባልተመጣጠነ ሁኔታ ይሟሟል፣ ይህም የገጸ-ውጥረት ቅልመት ይፈጥራል (ከኋላ ከፍ ያለ γ፣ ከፊት ዝቅተኛ)። ገጹ ክሪስታሉን ወደ ከፍተኛ-γ ክልሎች ይስባል—የገጸ-ውጥረት ሞተር! ይህ በ1890 በፊዚክስ ሊቅ ሲ.ቪ. ቦይስ ታይቷል። ዘመናዊ ኬሚስቶች ለማይክሮሮቦቶች እና ለመድኃኒት ማድረሻ ተሽከርካሪዎች ተመሳሳይ የማራንጎኒ ግፊትን ይጠቀማሉ።

ይህ መሠረታዊ የቴርሞዳይናሚክስ ግንኙነት ነው፣ በአጋጣሚ አይደለም። በዳይሜንሽን: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² እና [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s²። ተመሳሳይ መሠረታዊ ዳይሜንሽኖች አሏቸው! በአካል: 1 m² አዲስ ገጽ መፍጠር ሥራ = ኃይል × ርቀት = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J ይጠይቃል። ስለዚህ እንደ ኃይል/ርዝመት የሚለካው γ እንደ ኃይል/ስፋት ከሚለካው γ ጋር እኩል ነው። ውሃ @ 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (ተመሳሳይ ቁጥር፣ ሁለት ዓይነት ትርጓሜ)።

ማሰባሰብ (Cohesion): ተመሳሳይ በሆኑ ሞለኪውሎች መካከል ያለው መሳሳብ (ውሃ-ውሃ)። መጣበቅ (Adhesion): የተለያየ ዓይነት በሆኑ ሞለኪውሎች መካከል ያለው መሳሳብ (ውሃ-መስታወት)። ከፍተኛ ማሰባሰብ → ከፍተኛ የገጸ-ውጥረት → ጠብታዎች ክብ ይሆናሉ (ሜርኩሪ በመስታወት ላይ)። ከማሰባሰብ አንጻር ከፍተኛ መጣበቅ → ፈሳሽ ይሰራጫል (ንጹህ መስታወት ላይ ያለ ውሃ)። ሚዛኑ የግንኙነት አንግልን θ በያንግ ቀመር ይወስናል: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV። እርጥበት የሚከሰተው θ < 90° ሲሆን፤ ጠብታዎች የሚፈጠሩት θ > 90° ሲሆን ነው። እጅግ በጣም ሃይድሮፎቢክ ገጾች (የሎተስ ቅጠል) θ > 150° አላቸው።

የሳሙና ሞለኪውሎች አምፊፊሊክ ናቸው: ሃይድሮፎቢክ ጅራት + ሃይድሮፊሊክ ራስ። በውሃ-አየር ገጽ ላይ፣ ጅራቶቹ ወደ ውጭ (ውሃን በማስወገድ)፣ ራሶቹ ደግሞ ወደ ውስጥ (በውሃ በመሳብ) ይመራሉ። ይህ በውሃ ሞለኪውሎች መካከል ያለውን የሃይድሮጂን ትስስር ያበላሻል፣ የገጸ-ውጥረትን ከ 72.8 ወደ 25-30 mN/m ይቀንሳል። ዝቅተኛ γ ውሃ ጨርቆችን እንዲያርስ እና ወደ ቅባት እንዲገባ ያስችለዋል። በወሳኝ የማይሴል ክምችት (CMC, በተለምዶ 0.1-1%)፣ ሞለኪውሎቹ ዘይትን የሚሟሟ ማይሴሎችን ይፈጥራሉ።

ከፍተኛ ሙቀት ለሞለኪውሎች የበለጠ የኪነቲክ ኃይል ይሰጣል፣ ይህም ኢንተርሞለኪውላር መሳሳብን (የሃይድሮጂን ትስስር፣ የቫን ደር ዋልስ ኃይሎች) ያዳክማል። በገጹ ላይ ያሉ ሞለኪውሎች ዝቅተኛ የተጣራ ወደ ውስጥ የሚስብ ኃይል አላቸው → ዝቅተኛ የገጸ-ውጥረት። ለውሃ: γ በ°C ~0.15 mN/m ይቀንሳል። በወሳኝ የሙቀት መጠን (374°C ለውሃ, 647 K)፣ የፈሳሽ-ጋዝ ልዩነት ይጠፋል እና γ → 0። የኢኦትቮስ ደንብ ይህንን ይገልጻል: γ·V^(2/3) = k(T_c - T) V = የሞላር መጠን፣ T_c = ወሳኝ የሙቀት መጠን።

አራት ዋና ዘዴዎች: (1) የዱ ኖዊ ቀለበት: የፕላቲነም ቀለበት ከገጹ ላይ ይሳባል፣ ኃይሉ ይለካል (በጣም የተለመደ፣ ±0.1 mN/m)። (2) የዊልሄልሚ ፕሌት: ገጹን የሚነካ ቀጭን ፕሌት ይንጠለጠላል፣ ኃይሉ በተከታታይ ይለካል (ከፍተኛ ትክክለኛነት፣ ±0.01 mN/m)። (3) የተንጠለጠለ ጠብታ: የጠብታው ቅርጽ በያንግ-ላፕላስ ቀመር በመጠቀም በኦፕቲካል ይመረመራል (በከፍተኛ T/P ይሰራል)። (4) የፀጉሮሽ መውጣት: ፈሳሽ በጠባብ ቱቦ ውስጥ ይወጣል፣ ቁመቱ ይለካል: γ = ρghr/(2cosθ) ρ = ጥግግት፣ h = ቁመት፣ r = ራዲየስ፣ θ = የግንኙነት አንግል።

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) በታጠፈ ገጽ ላይ ያለውን የግፊት ልዩነት ይገልጻል። R₁፣ R₂ ዋና የከርቭ ራዲየሶች ናቸው። ለክብ (አረፋ፣ ጠብታ): ΔP = 2γ/R። ትናንሽ አረፋዎች ከትላልቆቹ ከፍ ያለ ውስጣዊ ግፊት አላቸው። ምሳሌ: 1 ሚሜ የውሃ ጠብታ ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm) አለው። ይህ በአረፋ ውስጥ ያሉ ትናንሽ አረፋዎች ለምን እንደሚቀነሱ (ጋዝ ከትናንሽ ወደ ትላልቅ ስለሚሰራጭ) እና የሳንባ አልቪዮሊዎች ለምን ገጸ-ንቁ ንጥረ ነገር እንደሚያስፈልጋቸው (γ ን በመቀነስ እንዳይደርሱ) ያብራራል።

ሜርኩሪ: ጠንካራ ማሰባሰብ (የብረት ትስስር፣ γ = 486 mN/m) >> ከመስታወት ጋር ደካማ መጣበቅ → የግንኙነት አንግል θ ≈ 140° → ክብ ይሆናል። ውሃ: መካከለኛ ማሰባሰብ (የሃይድሮጂን ትስስር፣ γ = 72.8 mN/m) < ከመስታወት ጋር ጠንካራ መጣበቅ (ከገጹ -OH ቡድኖች ጋር የሃይድሮጂን ትስስር) → θ ≈ 0-20° → ይሰራጫል። የያንግ ቀመር: cos θ = (γ_solid-vapor - γ_solid-liquid)/γ_liquid-vapor። መጣበቅ > ማሰባሰብ ሲሆን፣ cos θ > 0፣ ስለዚህ θ < 90° (እርጥበት)።

አይ። የገጸ-ውጥረት ሁልጊዜ አዎንታዊ ነው—አዲስ የገጽ ስፋት ለመፍጠር የሚወጣውን የኃይል ወጪ ይወክላል። አሉታዊ γ ማለት ገጾች በድንገት ይስፋፋሉ ማለት ነው፣ ይህም ቴርሞዳይናሚክስን ይጥሳል (ኢንትሮፒ ይጨምራል፣ ነገር ግን የጅምላው ክፍል የበለጠ የተረጋጋ ነው)። ሆኖም፣ በሁለት ፈሳሾች መካከል ያለው የገጸ-ውጥረት በጣም ዝቅተኛ ሊሆን ይችላል (ወደ ዜሮ የቀረበ): በተሻሻለ የነዳጅ ማውጣት ውስጥ፣ ገጸ-ንቁ ንጥረ ነገሮች የነዳጅ-ውሃን γ ወደ <0.01 mN/m ይቀንሳሉ፣ ይህም ድንገተኛ ኢሙልሲፊኬሽን ያስከትላል። በወሳኝ ነጥብ፣ γ = 0 በትክክል (የፈሳሽ-ጋዝ ልዩነት ይጠፋል)።