Сіла, якая дзейнічае ўздоўж лініі на паверхні вадкасці

Вымяраецца ў ньютанах на метр (Н/м) або дынах на сантыметр (дын/см). Калі ўявіць сабе рамку з рухомым бокам, які кантактуе з вадкай плёнкай, паверхневае нацяжэнне - гэта сіла, якая цягне гэты бок, падзеленая на яго даўжыню. Гэта механічнае вызначэнне.

Формула: γ = F/L, дзе F = сіла, L = даўжыня краю

Прыклад: Вада пры 20°C = 72.8 мН/м азначае 0.0728 Н сілы на метр краю

Энергія, неабходная для стварэння новай плошчы паверхні

Вымяраецца ў джоўлях на квадратны метр (Дж/м²) або эргах на квадратны сантыметр (эрг/см²). Стварэнне новай плошчы паверхні патрабуе працы супраць міжмалекулярных сіл. Лікава ідэнтычная паверхневаму нацяжэнню, але ўяўляе сабой энергетычную перспектыву, а не сілавую.

Формула: γ = E/A, дзе E = энергія, A = павелічэнне плошчы паверхні

Прыклад: Вада пры 20°C = 72.8 мДж/м² = 72.8 мН/м (тое ж лік, двайная інтэрпрэтацыя)

Міжмалекулярныя сілы вызначаюць паводзіны паверхні

Кагезія: прыцягненне паміж аднолькавымі малекуламі (вадкасць-вадкасць). Адгезія: прыцягненне паміж рознымі малекуламі (вадкасць-цвёрдае цела). Высокая кагезія → высокае паверхневае нацяжэнне → кроплі збіраюцца ў шарыкі. Высокая адгезія → вадкасць расцякаецца (змочванне). Баланс вызначае кантактны вугал і капілярнае дзеянне.

Кантактны вугал θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (раўнанне Юнга)

Прыклад: Вада на шкле мае нізкі θ (адгезія > кагезіі) → расцякаецца. Ртуць на шкле мае высокі θ (кагезія >> адгезіі) → збіраецца ў шарыкі.

Першыя колькасныя эксперыменты па паверхневым нацяжэнні

Нямецкі фізік Зегнер вывучаў плаваючыя іголкі і заўважыў, што паверхні вады паводзяць сябе як нацягнутыя мембраны. Ён разлічыў сілы, але не меў малекулярнай тэорыі для тлумачэння з'явы.

Раўнанне Юнга для кантактнага вугла

Брытанскі эрудыт Юнг вывеў залежнасць паміж паверхневым нацяжэннем, кантактным вуглом і змочваннем: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Гэта фундаментальнае раўнанне да гэтага часу выкарыстоўваецца ў матэрыялазнаўстве і мікрагідрадынаміцы.

Раўнанне Юнга-Лапласа для ціску

Лаплас вывеў ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂), паказаўшы, што выгнутыя паверхні маюць розніцу ціскаў. Гэта тлумачыць, чаму маленькія бурбалкі маюць больш высокі ўнутраны ціск, чым вялікія — што мае вырашальнае значэнне для разумення фізіялогіі лёгкіх і стабільнасці эмульсій.

Малекулярная тэорыя паверхневага нацяжэння

Галандскі фізік Ван дэр Ваальс растлумачыў паверхневае нацяжэнне з дапамогай міжмалекулярных сіл. Яго праца па малекулярным прыцягненні прынесла яму Нобелеўскую прэмію 1910 года і заклала асновы для разумення капілярнасці, адгезіі і крытычнай кропкі.

Манаслоі і хімія паверхняў

Ленгмюр вывучаў малекулярныя плёнкі на паверхнях вады, стварыўшы галіну хіміі паверхняў. Яго праца па паверхнева-актыўных рэчывах, адсорбцыі і малекулярнай арыентацыі прынесла яму Нобелеўскую прэмію 1932 года. Плёнкі Ленгмюра-Блоджет названы ў яго гонар.

Паверхневае нацяжэнне вызначае змочванне, расцяканне і адгезію:

• Распрацоўка фарбы: Адрэгулюйце γ да 25-35 мН/м для аптымальнага расцякання на падкладках
• Струйны друк: Чарніла павінны мець γ < падкладкі для змочвання (тыпова 25-40 мН/м)
• Каронная апрацоўка: Павялічвае паверхневую энергію палімера з 30 → 50+ мН/м для адгезіі
• Парашковыя пакрыцці: Нізкае паверхневае нацяжэнне спрыяе выраўноўванню і развіццю глянцу
• Пакрыцці супраць графіці: Нізкае γ (15-20 мН/м) прадухіляе адгезію фарбы
• Кантроль якасці: Тэнзіёметр з кольцам Дзю Нуі для кансістэнцыі ад партыі да партыі

Мыйныя сродкі працуюць, зніжаючы паверхневае нацяжэнне:

• Чыстая вада: γ = 72.8 мН/м (дрэнна пранікае ў тканіны)
• Вада + мыла: γ = 25-30 мН/м (пранікае, змочвае, выдаляе алей)
• Крытычная канцэнтрацыя міцэлаўтварэння (ККМ): γ рэзка падае да ККМ, потым выходзіць на плато
• Змочвальнікі: Прамысловыя ачышчальнікі зніжаюць γ да <30 мН/м
• Сродак для мыцця посуду: Распрацаваны для γ ≈ 27-30 мН/м для выдалення тлушчу
• Распыляльнікі пестыцыдаў: Дадаюць паверхнева-актыўныя рэчывы для зніжэння γ для лепшага пакрыцця лісця

Міжфазнае нацяжэнне паміж нафтай і вадой уплывае на здабычу:

• Міжфазнае нацяжэнне нафта-вада: Тыпова 20-50 мН/м
• Павышэнне нафтааддачы (EOR): Уводзяць паверхнева-актыўныя рэчывы для зніжэння γ да <0.01 мН/м
• Нізкае γ → кроплі нафты эмульгуюць → цякуць праз порыстую пароду → павелічэнне здабычы
• Характарыстыка сырой нафты: Утрыманне араматычных злучэнняў уплывае на паверхневае нацяжэнне
• Паток у трубаправодзе: Ніжэйшае γ зніжае стабільнасць эмульсіі, дапамагае падзелу
• Метад вісячай кроплі вымярае γ пры тэмпературы/ціску ў пласце

Паверхневае нацяжэнне мае вырашальнае значэнне для жыццёвых працэсаў:

• Лёгачны сурфактант: Зніжае альвеалярнае γ з 70 да 25 мН/м, прадухіляючы калапс
• Неданошаныя дзеці: Рэспіраторны дыстрэс-сіндром з-за недахопу сурфактанта
• Клеткавыя мембраны: γ ліпіднага біслоя ≈ 0.1-2 мН/м (вельмі нізкае для гнуткасці)
• Плазма крыві: γ ≈ 50-60 мН/м, павышаецца пры захворваннях (дыябет, атэрасклероз)
• Слёзная плёнка: Шматслаёвая структура з ліпідным слоем, які зніжае выпарэнне
• Дыханне насякомых: Трахейная сістэма залежыць ад паверхневага нацяжэння для прадухілення траплення вады

Вадамеркі (Gerridae) выкарыстоўваюць высокае паверхневае нацяжэнне вады (72.8 мН/м), каб вытрымліваць вагу, у 15 разоў большую за іх уласную. Іх ногі пакрытыя васковымі валасінкамі, якія з'яўляюцца супергідрафобнымі (кантактны вугал >150°). Кожная нага стварае ямачку на паверхні вады, і паверхневае нацяжэнне забяспечвае сілу, накіраваную ўверх. Калі дадаць мыла (знізіўшы γ да 30 мН/м), яны неадкладна патануць!

Паверхневае нацяжэнне імкнецца мінімізаваць плошчу паверхні для зададзенага аб'ёму. Сфера мае мінімальную плошчу паверхні для любога аб'ёму (ізаперыметрычная няроўнасць). Мыльныя бурбалкі цудоўна гэта дэманструюць: паветра ўнутры цісне вонкі, паверхневае нацяжэнне цягне ўнутр, і раўнавага стварае ідэальную сферу. Несферычныя бурбалкі (напрыклад, кубічныя ў драцяных каркасах) маюць больш высокую энергію і нестабільныя.

Лёгкія нованароджаных утрымліваюць лёгачны сурфактант (фасфаліпіды + вавёркі), які зніжае паверхневае нацяжэнне ў альвеолах з 70 да 25 мН/м. Без яго альвеолы калапсуюць падчас выдыху (атэлектаз). У неданошаных дзяцей не хапае сурфактанта, што выклікае рэспіраторны дыстрэс-сіндром (РДС). Да з'яўлення тэрапіі сінтэтычным сурфактантам (1990-я), РДС быў адной з асноўных прычын неанатальнай смяротнасці. Цяпер паказчыкі выжывальнасці перавышаюць 95%.

Наліце віно ў келіх і паназірайце: на сценках утвараюцца кроплі, яны падымаюцца ўверх, а потым сцякаюць уніз — «слёзы віна». Гэта эфект Марангоні: алкаголь выпараецца хутчэй, чым вада, ствараючы градыенты паверхневага нацяжэння (γ змяняецца ў прасторы). Вадкасць цячэ з абласцей з нізкім γ у вобласці з высокім γ, цягнучы віно ўверх. Калі кроплі становяцца дастаткова цяжкімі, гравітацыя перамагае, і яны падаюць. Плыні Марангоні маюць вырашальнае значэнне ў зварцы, нанясенні пакрыццяў і вырошчванні крышталяў.

Малекулы мыла з'яўляюцца амфіфільнымі: гідрафобны хвост (не любіць ваду) + гідрафільная галава (любіць ваду). У растворы хвасты тырчаць з паверхні вады, парушаючы вадародныя сувязі і зніжаючы γ з 72 да 25-30 мН/м. Пры крытычнай канцэнтрацыі міцэлаўтварэння (ККМ) малекулы ўтвараюць сферычныя міцэлы з хвастамі ўнутры (захопліваючы алей) і галовамі звонку. Вось чаму мыла выдаляе тлушч: алей раствараецца ўнутры міцэл і змываецца.

Кіньце крышталь камфары на ваду, і ён будзе імчацца па паверхні, як маленькая лодка. Камфара раствараецца несіметрычна, ствараючы градыент паверхневага нацяжэння (вышэйшае γ ззаду, ніжэйшае спераду). Паверхня цягне крышталь у бок абласцей з высокім γ — рухавік на паверхневым нацяжэнні! Гэта было прадэманстравана фізікам Ч.В. Бойзам у 1890 годзе. Сучасныя хімікі выкарыстоўваюць падобны рух Марангоні для мікраробатаў і сродкаў дастаўкі лекаў.

Гэта фундаментальная тэрмадынамічная залежнасць, а не супадзенне. Размернасна: [Н/м] = (кг·м/с²)/м = кг/с² і [Дж/м²] = (кг·м²/с²)/м² = кг/с². Яны маюць ідэнтычныя базавыя памеры! Фізічна: стварэнне 1 м² новай паверхні патрабуе працы = сіла × адлегласць = (γ Н/м) × (1 м) × (1 м) = γ Дж. Такім чынам, γ, вымеранае як сіла/даўжыня, роўнае γ, вымеранаму як энергія/плошча. Вада пры 20°C: 72.8 мН/м = 72.8 мДж/м² (тое ж лік, двайная інтэрпрэтацыя).

Кагезія: прыцягненне паміж аднолькавымі малекуламі (вада-вада). Адгезія: прыцягненне паміж рознымі малекуламі (вада-шкло). Высокая кагезія → высокае паверхневае нацяжэнне → кроплі збіраюцца ў шарыкі (ртуць на шкле). Высокая адгезія адносна кагезіі → вадкасць расцякаецца (вада на чыстым шкле). Баланс вызначае кантактны вугал θ праз раўнанне Юнга: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Змочванне адбываецца, калі θ < 90°; утварэнне кропель, калі θ > 90°. Супергідрафобныя паверхні (ліст лотаса) маюць θ > 150°.

Малекулы мыла з'яўляюцца амфіфільнымі: гідрафобны хвост + гідрафільная галава. На мяжы вада-паветра хвасты арыентуюцца вонкі (пазбягаючы вады), а галовы - унутр (прыцягваюцца да вады). Гэта парушае вадародныя сувязі паміж малекуламі вады на паверхні, зніжаючы паверхневае нацяжэнне з 72.8 да 25-30 мН/м. Ніжэйшае γ дазваляе вадзе змочваць тканіны і пранікаць у тлушч. Пры крытычнай канцэнтрацыі міцэлаўтварэння (ККМ, звычайна 0.1-1%) малекулы ўтвараюць міцэлы, якія раствараюць алей.

Больш высокая тэмпература надае малекулам больш кінэтычнай энергіі, аслабляючы міжмалекулярныя прыцягненні (вадародныя сувязі, сілы Ван-дэр-Ваальса). Малекулы на паверхні маюць меншае чыстае прыцягненне ўнутр → ніжэйшае паверхневае нацяжэнне. Для вады: γ зніжаецца прыкладна на 0.15 мН/м за °C. Пры крытычнай тэмпературы (374°C для вады, 647 K) розніца паміж вадкасцю і газам знікае, і γ → 0. Правіла Этвёша колькасна апісвае гэта: γ·V^(2/3) = k(T_c - T), дзе V - малярны аб'ём, T_c - крытычная тэмпература.

Чатыры асноўныя метады: (1) Кольца Дзю Нуі: Плацінавае кольца адрываецца ад паверхні, вымяраецца сіла (самы распаўсюджаны, ±0.1 мН/м). (2) Пласціна Вільгельмі: Тонкая пласціна, падвешаная так, што датыкаецца да паверхні, сіла вымяраецца бесперапынна (самая высокая дакладнасць, ±0.01 мН/м). (3) Вісячая кропля: Форма кроплі аналізуецца аптычна з дапамогай раўнання Юнга-Лапласа (працуе пры высокіх Т/Ц). (4) Капілярны ўздым: Вадкасць падымаецца ў вузкай трубцы, вымяраецца вышыня: γ = ρghr/(2cosθ), дзе ρ = шчыльнасць, h = вышыня, r = радыус, θ = кантактны вугал.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) апісвае розніцу ціскаў на выгнутай мяжы падзелу. R₁, R₂ - галоўныя радыусы крывізны. Для сферы (бурбалкі, кроплі): ΔP = 2γ/R. Маленькія бурбалкі маюць больш высокі ўнутраны ціск, чым вялікія. Прыклад: 1 мм кропля вады мае ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Па (0.003 атм). Гэта тлумачыць, чаму маленькія бурбалкі ў пене змяншаюцца (газ дыфундуе з маленькіх у вялікія) і чаму лёгачным альвеолам патрэбны сурфактант (зніжае γ, каб яны не калапсавалі).

Ртуць: Моцная кагезія (металічныя сувязі, γ = 486 мН/м) >> слабая адгезія да шкла → кантактны вугал θ ≈ 140° → збіраецца ў шарыкі. Вада: Умераная кагезія (вадародныя сувязі, γ = 72.8 мН/м) < моцная адгезія да шкла (вадародныя сувязі з паверхневымі групамі -OH) → θ ≈ 0-20° → расцякаецца. Раўнанне Юнга: cos θ = (γ_цвёрдае-пара - γ_цвёрдае-вадкасць)/γ_вадкасць-пара. Калі адгезія > кагезіі, cos θ > 0, таму θ < 90° (змочванне).

Не. Паверхневае нацяжэнне заўсёды дадатнае — яно ўяўляе сабой энергетычныя выдаткі на стварэнне новай плошчы паверхні. Адмоўнае γ азначала б, што паверхні спантанна пашыраюцца, парушаючы тэрмадынаміку (энтрапія расце, але аб'ёмная фаза больш стабільная). Аднак міжфазнае нацяжэнне паміж дзвюма вадкасцямі можа быць вельмі нізкім (блізкім да нуля): пры павышэнні нафтааддачы паверхнева-актыўныя рэчывы зніжаюць γ нафта-вада да <0.01 мН/м, выклікаючы спантаннае эмульгаванне. У крытычнай кропцы γ = 0 дакладна (розніца паміж вадкасцю і газам знікае).