তরল পৃষ্ঠের একটি রেখা বরাবর ক্রিয়াশীল বল

নিউটন প্রতি মিটার (N/m) বা ডাইন প্রতি সেন্টিমিটার (dyn/cm) এ পরিমাপ করা হয়। যদি আপনি একটি তরল ফিল্মের সংস্পর্শে একটি চলমান দিক সহ একটি ফ্রেম কল্পনা করেন, তবে পৃষ্ঠটান হল সেই দিকের উপর টান দেওয়া বলকে তার দৈর্ঘ্য দ্বারা ভাগ করা। এটি যান্ত্রিক সংজ্ঞা।

সূত্র: γ = F/L যেখানে F = বল, L = প্রান্তের দৈর্ঘ্য

উদাহরণ: জল @ 20°C = 72.8 mN/m মানে প্রতি মিটার প্রান্তে 0.0728 N বল

নতুন পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল তৈরি করতে প্রয়োজনীয় শক্তি

জুল প্রতি বর্গমিটার (J/m²) বা আর্গ প্রতি বর্গসেন্টিমিটার (erg/cm²) এ পরিমাপ করা হয়। নতুন পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল তৈরি করার জন্য আন্তঃআণবিক শক্তির বিরুদ্ধে কাজ করতে হয়। সংখ্যাগতভাবে পৃষ্ঠটানের সাথে অভিন্ন কিন্তু বলের দৃষ্টিভঙ্গির পরিবর্তে শক্তির দৃষ্টিভঙ্গি উপস্থাপন করে।

সূত্র: γ = E/A যেখানে E = শক্তি, A = পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল বৃদ্ধি

উদাহরণ: জল @ 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (একই সংখ্যা, দ্বৈত ব্যাখ্যা)

আন্তঃআণবিক শক্তি পৃষ্ঠের আচরণ নির্ধারণ করে

সংযুক্তি: একই ধরণের অণুর মধ্যে আকর্ষণ (তরল-তরল)। আসক্তি: ভিন্ন ধরণের অণুর মধ্যে আকর্ষণ (তরল-কঠিন)। উচ্চ সংযুক্তি → উচ্চ পৃষ্ঠটান → ফোঁটাগুলি গোলাকার হয়। উচ্চ আসক্তি → তরল ছড়িয়ে পড়ে (ভেজা)। ভারসাম্য যোগাযোগ কোণ এবং কৈশিক ক্রিয়া নির্ধারণ করে।

যোগাযোগ কোণ θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (ইয়াং-এর সমীকরণ)

উদাহরণ: কাঁচের উপর জলের θ কম (আসক্তি > সংযুক্তি) → ছড়িয়ে পড়ে। কাঁচের উপর পারদের θ বেশি (সংযুক্তি >> আসক্তি) → গোলাকার হয়।

পৃষ্ঠটানের উপর প্রথম পরিমাণগত পরীক্ষা

জার্মান পদার্থবিজ্ঞানী সেগনার ভাসমান সূঁচ নিয়ে গবেষণা করেন এবং পর্যবেক্ষণ করেন যে জলের পৃষ্ঠগুলি প্রসারিত ঝিল্লির মতো আচরণ করে। তিনি বল গণনা করেছিলেন কিন্তু ঘটনাটি ব্যাখ্যা করার জন্য আণবিক তত্ত্বের অভাব ছিল।

যোগাযোগ কোণের জন্য ইয়াং-এর সমীকরণ

ব্রিটিশ বহুশাস্ত্রজ্ঞ ইয়াং পৃষ্ঠটান, যোগাযোগ কোণ এবং ভেজানোর মধ্যে সম্পর্কটি নির্ণয় করেন: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV। এই মৌলিক সমীকরণটি আজও পদার্থ বিজ্ঞান এবং মাইক্রোফ্লুইডিক্সে ব্যবহৃত হয়।

চাপের জন্য ইয়াং-ল্যাপলাস সমীকরণ

ল্যাপলাস ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) নির্ণয় করে দেখান যে বাঁকা পৃষ্ঠে চাপের পার্থক্য থাকে। এটি ব্যাখ্যা করে কেন ছোট বুদবুদের অভ্যন্তরীণ চাপ বড় বুদবুদের চেয়ে বেশি হয়—ফুসফুসের শারীরবৃত্তি এবং ইমালশনের স্থায়িত্ব বোঝার জন্য এটি অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।

পৃষ্ঠটানের আণবিক তত্ত্ব

ডাচ পদার্থবিজ্ঞানী ভ্যান ডার ওয়ালস আন্তঃআণবিক শক্তি ব্যবহার করে পৃষ্ঠটান ব্যাখ্যা করেন। আণবিক আকর্ষণের উপর তার কাজের জন্য তিনি ১৯১০ সালে নোবেল পুরস্কার অর্জন করেন এবং কৈশিকতা, আসক্তি এবং ক্রান্তিবিন্দু বোঝার ভিত্তি স্থাপন করেন।

মনোলেয়ার এবং পৃষ্ঠ রসায়ন

ল্যাংমুয়ার জলের পৃষ্ঠে আণবিক ফিল্ম নিয়ে গবেষণা করেন, যা পৃষ্ঠ রসায়নের ক্ষেত্র তৈরি করে। সারফ্যাক্ট্যান্ট, শোষণ এবং আণবিক অভিমুখের উপর তার কাজের জন্য তিনি ১৯৩২ সালে নোবেল পুরস্কার অর্জন করেন। ল্যাংমুয়ার-ব্লজেট ফিল্মগুলি তার নামে নামকরণ করা হয়েছে।

পৃষ্ঠটান ভেজানো, ছড়ানো এবং আসক্তি নির্ধারণ করে:

• রঙের ফর্মুলেশন: সাবস্ট্রেটের উপর সর্বোত্তম ছড়ানোর জন্য γ কে 25-35 mN/m এ সামঞ্জস্য করুন
• ইঙ্ক-জেট মুদ্রণ: ভেজানোর জন্য কালির γ < সাবস্ট্রেট হতে হবে (সাধারণত 25-40 mN/m)
• করোনা ট্রিটমেন্ট: আসক্তির জন্য পলিমারের পৃষ্ঠশক্তি 30 → 50+ mN/m বৃদ্ধি করে
• পাউডার লেপন: কম পৃষ্ঠটান সমতলকরণ এবং ঔজ্জ্বল্য বিকাশে সহায়তা করে
• অ্যান্টি-গ্রাফিতি লেপন: কম γ (15-20 mN/m) রঙের আসক্তি প্রতিরোধ করে
• গুণমান নিয়ন্ত্রণ: ব্যাচ-থেকে-ব্যাচ সামঞ্জস্যের জন্য ডু নোয় রিং টেনসিওমিটার

ডিটারজেন্টগুলি পৃষ্ঠটান হ্রাস করে কাজ করে:

• বিশুদ্ধ জল: γ = 72.8 mN/m (কাপড়ে ভালভাবে প্রবেশ করে না)
• জল + সাবান: γ = 25-30 mN/m (প্রবেশ করে, ভেজায়, তেল অপসারণ করে)
• ক্রিটিক্যাল মাইসেল কনসেন্ট্রেশন (CMC): CMC পর্যন্ত γ তীব্রভাবে হ্রাস পায়, তারপর স্থির হয়
• ভেজা এজেন্ট: শিল্প ক্লিনারগুলি γ কে <30 mN/m এ হ্রাস করে
• ডিশওয়াশিং লিকুইড: গ্রীস অপসারণের জন্য γ ≈ 27-30 mN/m এ ফর্মুলেট করা হয়
• কীটনাশক স্প্রেয়ার: ভাল পাতা কভারেজের জন্য γ হ্রাস করতে সারফ্যাক্ট্যান্ট যোগ করুন

তেল এবং জলের মধ্যে আন্তঃপৃষ্ঠীয় টান নিষ্কাশনকে প্রভাবিত করে:

• তেল-জল আন্তঃপৃষ্ঠীয় টান: সাধারণত 20-50 mN/m
• উন্নত তেল পুনরুদ্ধার (EOR): γ কে <0.01 mN/m এ হ্রাস করতে সারফ্যাক্ট্যান্ট ইনজেক্ট করুন
• কম γ → তেলের ফোঁটাগুলি ইমালসিফাই হয় → ছিদ্রযুক্ত পাথরের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত হয় → পুনরুদ্ধার বৃদ্ধি পায়
• অপরিশোধিত তেলের চরিত্রায়ন: অ্যারোমেটিক উপাদান পৃষ্ঠটানকে প্রভাবিত করে
• পাইপলাইন প্রবাহ: নিম্ন γ ইমালশনের স্থায়িত্ব হ্রাস করে, পৃথকীকরণে সহায়তা করে
• পেন্ডেন্ট ড্রপ পদ্ধতি জলাধারের তাপমাত্রা/চাপে γ পরিমাপ করে

জীবন প্রক্রিয়ার জন্য পৃষ্ঠটান অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ:

• ফুসফুসের সারফ্যাক্ট্যান্ট: অ্যালভিওলার γ 70 থেকে 25 mN/m এ হ্রাস করে, পতন প্রতিরোধ করে
• অকালজাত শিশু: অপর্যাপ্ত সারফ্যাক্ট্যান্টের কারণে রেসপিরেটরি ডিস্ট্রেস সিন্ড্রোম
• কোষের ঝিল্লি: লিপিড বাইলেয়ার γ ≈ 0.1-2 mN/m (নমনীয়তার জন্য খুব কম)
• রক্তরস: γ ≈ 50-60 mN/m, রোগে বৃদ্ধি পায় (ডায়াবেটিস, এথেরোস্ক্লেরোসিস)
• অশ্রু ফিল্ম: লিপিড স্তর সহ বহু-স্তরীয় কাঠামো যা বাষ্পীভবন হ্রাস করে
• কীটপতঙ্গের শ্বাস-প্রশ্বাস: ট্রacheal সিস্টেম জলের প্রবেশ রোধ করতে পৃষ্ঠটানের উপর নির্ভর করে

জলের পোকা (Gerridae) জলের উচ্চ পৃষ্ঠটান (72.8 mN/m) ব্যবহার করে তাদের শরীরের ওজনের ১৫ গুণ সমর্থন করে। তাদের পা মোমযুক্ত লোমে আবৃত যা সুপারহাইড্রোফোবিক (যোগাযোগ কোণ >১৫০°)। প্রতিটি পা জলের পৃষ্ঠে একটি টোল তৈরি করে, এবং পৃষ্ঠটান ঊর্ধ্বমুখী বল প্রদান করে। যদি আপনি সাবান যোগ করেন (γ কে ৩০ mN/m এ কমিয়ে), তারা অবিলম্বে ডুবে যায়!

পৃষ্ঠটান একটি প্রদত্ত আয়তনের জন্য পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফলকে সর্বনিম্ন করতে কাজ করে। গোলকের যেকোনো আয়তনের জন্য সর্বনিম্ন পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল থাকে (আইসোপেরিমেট্রিক অসমতা)। সাবানের বুদবুদগুলি এটি সুন্দরভাবে প্রদর্শন করে: ভিতরের বায়ু বাইরের দিকে ধাক্কা দেয়, পৃষ্ঠটান ভিতরের দিকে টানে, এবং ভারসাম্য একটি নিখুঁত গোলক তৈরি করে। অ-গোলাকার বুদবুদগুলির (যেমন তারের ফ্রেমে ঘনকাকার) উচ্চ শক্তি থাকে এবং সেগুলি অস্থির হয়।

নবজাতকের ফুসফুসে পালমোনারি সারফ্যাক্ট্যান্ট (ফসফোলিপিড + প্রোটিন) থাকে যা অ্যালভিওলার পৃষ্ঠটান ৭০ থেকে ২৫ mN/m এ কমিয়ে দেয়। এটি ছাড়া, শ্বাস ছাড়ার সময় অ্যালভিওলিগুলি ভেঙে যায় (অ্যাটেলেকটেসিস)। অকালজাত শিশুদের পর্যাপ্ত সারফ্যাক্ট্যান্টের অভাব থাকে, যা রেসপিরেটরি ডিস্ট্রেস সিন্ড্রোম (RDS) সৃষ্টি করে। সিন্থেটিক সারফ্যাক্ট্যান্ট থেরাপির (১৯৯০-এর দশক) আগে, RDS ছিল নবজাতকের মৃত্যুর একটি প্রধান কারণ। এখন, বেঁচে থাকার হার ৯৫% ছাড়িয়ে গেছে।

একটি গ্লাসে ওয়াইন ঢালুন এবং দেখুন: পাশে ফোঁটা তৈরি হয়, উপরের দিকে উঠে যায় এবং আবার নিচে পড়ে যায়—'ওয়াইনের কান্না'। এটি ম্যারাঙ্গোনি প্রভাব: অ্যালকোহল জলের চেয়ে দ্রুত বাষ্পীভূত হয়, যা পৃষ্ঠটানের গ্রেডিয়েন্ট তৈরি করে (γ স্থানিকভাবে পরিবর্তিত হয়)। তরল নিম্ন-γ অঞ্চল থেকে উচ্চ-γ অঞ্চলে প্রবাহিত হয়, ওয়াইনকে উপরের দিকে টেনে নিয়ে যায়। যখন ফোঁটাগুলি যথেষ্ট ভারী হয়ে যায়, তখন মাধ্যাকর্ষণ জয়ী হয় এবং সেগুলি পড়ে যায়। ম্যারাঙ্গোনি প্রবাহ ওয়েল্ডিং, লেপন এবং ক্রিস্টাল বৃদ্ধিতে অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।

সাবানের অণুগুলি অ্যাম্ফিফিলিক: হাইড্রোফোবিক লেজ (জল অপছন্দ করে) + হাইড্রোফিলিক মাথা (জল পছন্দ করে)। দ্রবণে, লেজগুলি জলের পৃষ্ঠ থেকে বাইরে বেরিয়ে থাকে, হাইড্রোজেন বন্ধনকে ব্যাহত করে এবং γ কে ৭২ থেকে ২৫-৩০ mN/m এ কমিয়ে দেয়। ক্রিটিক্যাল মাইসেল কনসেন্ট্রেশনে (CMC), অণুগুলি গোলাকার মাইসেল তৈরি করে যার লেজগুলি ভিতরে থাকে (তেল আটকে রাখে) এবং মাথাগুলি বাইরে থাকে। এই কারণেই সাবান গ্রীস অপসারণ করে: তেল মাইসেলের ভিতরে দ্রবণীয় হয় এবং ধুয়ে যায়।

জলের উপর একটি কর্পূরের ক্রিস্টাল ফেলুন এবং এটি একটি ছোট নৌকার মতো পৃষ্ঠের উপর ঘুরে বেড়াবে। কর্পূর অপ্রতিসমভাবে দ্রবীভূত হয়, যা একটি পৃষ্ঠটান গ্রেডিয়েন্ট তৈরি করে (পিছনে উচ্চতর γ, সামনে নিম্নতর)। পৃষ্ঠটি ক্রিস্টালটিকে উচ্চ-γ অঞ্চলের দিকে টানে—একটি পৃষ্ঠটান মোটর! এটি ১৮৯০ সালে পদার্থবিজ্ঞানী সি.ভি. বয়েস দ্বারা প্রদর্শিত হয়েছিল। আধুনিক রসায়নবিদরা মাইক্রোরোবট এবং ড্রাগ ডেলিভারি যানবাহনের জন্য অনুরূপ ম্যারাঙ্গোনি প্রপালশন ব্যবহার করেন।

এটি একটি মৌলিক তাপগতীয় সম্পর্ক, কোনও কাকতালীয় ঘটনা নয়। মাত্রাগতভাবে: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² এবং [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s²। তাদের অভিন্ন মৌলিক মাত্রা আছে! ভৌতিকভাবে: ১ m² নতুন পৃষ্ঠ তৈরি করতে কাজ = বল × দূরত্ব = (γ N/m) × (১ m) × (১ m) = γ J প্রয়োজন। সুতরাং বল/দৈর্ঘ্য হিসাবে পরিমাপ করা γ শক্তি/ক্ষেত্রফল হিসাবে পরিমাপ করা γ এর সমান। জল @ ২০°C: ৭২.৮ mN/m = ৭২.৮ mJ/m² (একই সংখ্যা, দ্বৈত ব্যাখ্যা)।

সংযুক্তি: একই ধরণের অণুর মধ্যে আকর্ষণ (জল-জল)। আসক্তি: ভিন্ন ধরণের অণুর মধ্যে আকর্ষণ (জল-কাঁচ)। উচ্চ সংযুক্তি → উচ্চ পৃষ্ঠটান → ফোঁটাগুলি গোলাকার হয় (কাঁচের উপর পারদ)। সংযুক্তির তুলনায় উচ্চ আসক্তি → তরল ছড়িয়ে পড়ে (পরিষ্কার কাঁচের উপর জল)। ভারসাম্য ইয়াং-এর সমীকরণের মাধ্যমে যোগাযোগ কোণ θ নির্ধারণ করে: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV। ভেজানো ঘটে যখন θ < ৯০°; গোলাকার হয় যখন θ > ৯০°। সুপারহাইড্রোফোবিক পৃষ্ঠগুলির (পদ্ম পাতা) θ > ১৫০° থাকে।

সাবানের অণুগুলি অ্যাম্ফিফিলিক: হাইড্রোফোবিক লেজ + হাইড্রোফিলিক মাথা। জল-বায়ু ইন্টারফেসে, লেজগুলি বাইরের দিকে মুখ করে (জল এড়িয়ে), এবং মাথাগুলি ভিতরের দিকে মুখ করে (জলের প্রতি আকৃষ্ট)। এটি পৃষ্ঠের জলের অণুগুলির মধ্যে হাইড্রোজেন বন্ধনকে ব্যাহত করে, পৃষ্ঠটানকে ৭২.৮ থেকে ২৫-৩০ mN/m এ কমিয়ে দেয়। নিম্ন γ জলকে কাপড় ভেজাতে এবং গ্রীসে প্রবেশ করতে দেয়। ক্রিটিক্যাল মাইসেল কনসেন্ট্রেশনে (CMC, সাধারণত ০.১-১%), অণুগুলি মাইসেল তৈরি করে যা তেলকে দ্রবণীয় করে।

উচ্চ তাপমাত্রা অণুগুলিকে আরও গতিশক্তি দেয়, যা আন্তঃআণবিক আকর্ষণকে (হাইড্রোজেন বন্ধন, ভ্যান ডার ওয়ালস বল) দুর্বল করে। পৃষ্ঠের অণুগুলির নিট অভ্যন্তরীণ টান কম থাকে → নিম্ন পৃষ্ঠটান। জলের জন্য: γ প্রতি °C তে ~০.১৫ mN/m হ্রাস পায়। ক্রান্তিবিন্দু তাপমাত্রায় (জলের জন্য ৩৭৪°C, ৬৪৭ K), তরল-গ্যাস পার্থক্য অদৃশ্য হয়ে যায় এবং γ → ০। Eötvös নিয়ম এটি পরিমাণগতভাবে নির্ধারণ করে: γ·V^(2/3) = k(T_c - T) যেখানে V = মোলার আয়তন, T_c = ক্রান্তিবিন্দু তাপমাত্রা।

চারটি প্রধান পদ্ধতি: (১) ডু নোয় রিং: একটি প্ল্যাটিনাম রিং পৃষ্ঠ থেকে টেনে তোলা হয়, বল পরিমাপ করা হয় (সবচেয়ে সাধারণ, ±০.১ mN/m)। (২) উইলহেলমি প্লেট: একটি পাতলা প্লেট পৃষ্ঠ স্পর্শ করে ঝুলিয়ে রাখা হয়, বল ক্রমাগত পরিমাপ করা হয় (সর্বোচ্চ নির্ভুলতা, ±০.০১ mN/m)। (৩) পেন্ডেন্ট ড্রপ: ইয়াং-ল্যাপলাস সমীকরণ ব্যবহার করে ফোঁটার আকৃতি অপটিক্যালি বিশ্লেষণ করা হয় (উচ্চ T/P তে কাজ করে)। (৪) কৈশিক উত্থান: তরল একটি সরু নলে উঠে যায়, উচ্চতা পরিমাপ করা হয়: γ = ρghr/(2cosθ) যেখানে ρ = ঘনত্ব, h = উচ্চতা, r = ব্যাসার্ধ, θ = যোগাযোগ কোণ।

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) একটি বাঁকা পৃষ্ঠ জুড়ে চাপের পার্থক্য বর্ণনা করে। R₁ এবং R₂ হল বক্রতার প্রধান ব্যাসার্ধ। একটি গোলকের জন্য (বুদবুদ, ফোঁটা): ΔP = 2γ/R। ছোট বুদবুদের অভ্যন্তরীণ চাপ বড় বুদবুদের চেয়ে বেশি থাকে। উদাহরণ: ১ মিমি জলের ফোঁটার ΔP = ২×০.০৭২৮/০.০০০৫ = ২৯১ Pa (০.০০৩ atm) থাকে। এটি ব্যাখ্যা করে কেন ফেনার ছোট বুদবুদগুলি সঙ্কুচিত হয় (গ্যাস ছোট থেকে বড়তে ছড়িয়ে পড়ে) এবং কেন ফুসফুসের অ্যালভিওলিগুলির সারফ্যাক্ট্যান্ট প্রয়োজন (γ কমিয়ে দেয় যাতে সেগুলি ভেঙে না যায়)।

পারদ: শক্তিশালী সংযুক্তি (ধাতব বন্ধন, γ = ৪৮৬ mN/m) >> কাঁচের প্রতি দুর্বল আসক্তি → যোগাযোগ কোণ θ ≈ ১৪০° → গোলাকার হয়। জল: মাঝারি সংযুক্তি (হাইড্রোজেন বন্ধন, γ = ৭২.৮ mN/m) < কাঁচের প্রতি শক্তিশালী আসক্তি (পৃষ্ঠের -OH গ্রুপের সাথে হাইড্রোজেন বন্ধন) → θ ≈ ০-২০° → ছড়িয়ে পড়ে। ইয়াং-এর সমীকরণ: cos θ = (γ_কঠিন-বাষ্প - γ_কঠিন-তরল)/γ_তরল-বাষ্প। যখন আসক্তি > সংযুক্তি, তখন cos θ > ০, সুতরাং θ < ৯০° (ভেজানো)।

না। পৃষ্ঠটান সর্বদা ধনাত্মক—এটি নতুন পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল তৈরি করার জন্য শক্তির ব্যয়কে প্রতিনিধিত্ব করে। একটি ঋণাত্মক γ এর অর্থ হল পৃষ্ঠগুলি স্বতঃস্ফূর্তভাবে প্রসারিত হবে, যা তাপগতিবিদ্যা লঙ্ঘন করে (এনট্রপি বৃদ্ধি পায়, কিন্তু বাল্ক ফেজ আরও স্থিতিশীল)। তবে, দুটি তরলের মধ্যে আন্তঃপৃষ্ঠীয় টান খুব কম হতে পারে (শূন্যের কাছাকাছি): উন্নত তেল পুনরুদ্ধারে, সারফ্যাক্ট্যান্টগুলি তেল-জলের γ কে <০.০১ mN/m এ কমিয়ে দেয়, যা স্বতঃস্ফূর্ত ইমালসিফিকেশন সৃষ্টি করে। ক্রান্তিবিন্দুতে, γ = ০ ঠিক (তরল-গ্যাস পার্থক্য অদৃশ্য হয়ে যায়)।