Sila koja djeluje duž linije na površini tekućine

Mjeri se u njutnima po metru (N/m) ili dinima po centimetru (dyn/cm). Ako zamislite okvir s pomičnom stranom u kontaktu s tekućim filmom, površinski napon je sila koja vuče tu stranu podijeljena s njenom dužinom. Ovo je mehanička definicija.

Formula: γ = F/L gdje je F = sila, L = dužina ivice

Primjer: Voda na 20°C = 72.8 mN/m znači 0.0728 N sile po metru ivice

Energija potrebna za stvaranje nove površine

Mjeri se u džulima po kvadratnom metru (J/m²) ili ergima po kvadratnom centimetru (erg/cm²). Stvaranje nove površine zahtijeva rad protiv međumolekularnih sila. Numerički je identična površinskom naponu, ali predstavlja energetsku perspektivu umjesto perspektive sile.

Formula: γ = E/A gdje je E = energija, A = povećanje površine

Primjer: Voda na 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (isti broj, dvostruka interpretacija)

Međumolekularne sile određuju ponašanje površine

Kohezija: privlačenje između istih molekula (tekućina-tekućina). Adhezija: privlačenje između različitih molekula (tekućina-čvrsto tijelo). Visoka kohezija → visok površinski napon → kapljice se skupljaju. Visoka adhezija → tekućina se širi (kvašenje). Ravnoteža određuje kontaktni ugao i kapilarno djelovanje.

Kontaktni ugao θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (Youngova jednadžba)

Primjer: Voda na staklu ima nizak θ (adhezija > kohezije) → širi se. Živa na staklu ima visok θ (kohezija >> adhezije) → skuplja se u kapljice.

Prvi kvantitativni eksperimenti o površinskom naponu

Njemački fizičar Segner proučavao je plutajuće igle i primijetio da se površine vode ponašaju kao rastegnute membrane. Izračunao je sile, ali mu je nedostajala molekularna teorija da objasni fenomen.

Youngova jednadžba za kontaktni ugao

Britanski polimat Young izveo je odnos između površinskog napona, kontaktnog ugla i kvašenja: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Ova fundamentalna jednadžba se i danas koristi u nauci o materijalima i mikrofluidici.

Young-Laplaceova jednadžba za pritisak

Laplace je izveo ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂), pokazujući da zakrivljene površine imaju razlike u pritisku. Objašnjava zašto manji mjehurići imaju veći unutrašnji pritisak od velikih—što je ključno za razumijevanje fiziologije pluća i stabilnosti emulzija.

Molekularna teorija površinskog napona

Nizozemski fizičar van der Waals objasnio je površinski napon koristeći međumolekularne sile. Njegov rad na molekularnoj privlačnosti donio mu je Nobelovu nagradu 1910. godine i postavio temelje za razumijevanje kapilarnosti, adhezije i kritične tačke.

Monoslojevi i površinska hemija

Langmuir je proučavao molekularne filmove na površinama vode, stvarajući polje površinske hemije. Njegov rad na surfaktantima, adsorpciji i molekularnoj orijentaciji donio mu je Nobelovu nagradu 1932. godine. Langmuir-Blodgett filmovi su nazvani po njemu.

Površinski napon određuje kvašenje, širenje i adheziju:

• Formulacija boja: Podesite γ na 25-35 mN/m za optimalno širenje na podlogama
• Ink-jet štampanje: Tinta mora imati γ < podloge za kvašenje (tipično 25-40 mN/m)
• Korona tretman: Povećava površinsku energiju polimera sa 30 → 50+ mN/m za adheziju
• Praškasti premazi: Nizak površinski napon pomaže nivelisanju i razvoju sjaja
• Premazi protiv grafita: Nizak γ (15-20 mN/m) sprečava adheziju boje
• Kontrola kvaliteta: du Noüy prsten tenziometar za konzistentnost od serije do serije

Deterdženti djeluju smanjenjem površinskog napona:

• Čista voda: γ = 72.8 mN/m (ne prodire dobro u tkanine)
• Voda + sapun: γ = 25-30 mN/m (prodire, kvasi, uklanja ulje)
• Kritična micelarna koncentracija (CMC): γ naglo opada do CMC, a zatim se stabilizuje
• Sredstva za kvašenje: Industrijski čistači smanjuju γ na <30 mN/m
• Deterdžent za suđe: Formulisan na γ ≈ 27-30 mN/m za uklanjanje masnoće
• Prskalice za pesticide: Dodajte surfaktante da smanjite γ za bolju pokrivenost lišća

Međufazni napon između nafte i vode utječe na ekstrakciju:

• Međufazni napon nafta-voda: Tipično 20-50 mN/m
• Unaprijeđeno crpljenje nafte (EOR): Ubrizgajte surfaktante da smanjite γ na <0.01 mN/m
• Nizak γ → kapljice nafte se emulgiraju → teku kroz poroznu stijenu → povećano crpljenje
• Karakterizacija sirove nafte: Sadržaj aromata utječe na površinski napon
• Protok u cjevovodu: Niži γ smanjuje stabilnost emulzije, pomaže razdvajanju
• Metoda viseće kapi mjeri γ na temperaturi/pritisku rezervoara

Površinski napon je ključan za životne procese:

• Plućni surfaktant: Smanjuje alveolarni γ sa 70 na 25 mN/m, sprečavajući kolaps
• Prijevremeno rođene bebe: Sindrom respiratornog distresa zbog nedovoljnog surfaktanta
• Ćelijske membrane: γ lipidnog dvosloja ≈ 0.1-2 mN/m (vrlo nisko za fleksibilnost)
• Krvna plazma: γ ≈ 50-60 mN/m, povećan kod bolesti (dijabetes, ateroskleroza)
• Suzni film: Višeslojna struktura sa lipidnim slojem koji smanjuje isparavanje
• Disanje insekata: Trahealni sistem se oslanja na površinski napon da spriječi ulazak vode

Vodeni pauci (Gerridae) iskorištavaju visok površinski napon vode (72.8 mN/m) da podrže 15 puta svoju tjelesnu težinu. Noge su im premazane voštanim dlačicama koje su superhidrofobne (kontaktni ugao >150°). Svaka noga stvara udubljenje na površini vode, a površinski napon pruža silu prema gore. Ako dodate sapun (smanjujući γ na 30 mN/m), odmah tonu!

Površinski napon djeluje tako da minimizira površinu za dati volumen. Sfera ima minimalnu površinu za bilo koji volumen (izoperimetrijska nejednakost). Mjehurići od sapunice to prelijepo demonstriraju: zrak unutra gura prema van, površinski napon vuče prema unutra, a ravnoteža stvara savršenu sferu. Nesferični mjehurići (poput kubičnih u žičanim okvirima) imaju veću energiju i nestabilni su.

Pluća novorođenčadi sadrže plućni surfaktant (fosfolipidi + proteini) koji smanjuje alveolarni površinski napon sa 70 na 25 mN/m. Bez njega, alveole kolabiraju tokom izdisaja (atelektaza). Prijevremeno rođene bebe nemaju dovoljno surfaktanta, što uzrokuje Sindrom respiratornog distresa (RDS). Prije terapije sintetičkim surfaktantom (1990-ih), RDS je bio vodeći uzrok neonatalne smrti. Sada stope preživljavanja prelaze 95%.

Nalijte vino u čašu i gledajte: kapljice se formiraju sa strane, penju se prema gore i padaju nazad—'suze vina'. To je Marangonijev efekt: alkohol isparava brže od vode, stvarajući gradijente površinskog napona (γ varira prostorno). Tekućina teče iz područja niskog γ u područja visokog γ, vukući vino prema gore. Kada kapljice postanu dovoljno teške, gravitacija pobjeđuje i one padaju. Marangonijevi tokovi su ključni u zavarivanju, premazivanju i rastu kristala.

Molekule sapuna su amfifilne: hidrofobni rep (mrzi vodu) + hidrofilna glava (voli vodu). U otopini, repovi vire iz površine vode, remeteći vodikove veze i smanjujući γ sa 72 na 25-30 mN/m. Na Kritičnoj micelarnoj koncentraciji (CMC), molekule formiraju sferne micele s repovima unutra (hvatajući ulje) i glavama vani. Zato sapun uklanja masnoću: ulje se rastvara unutar micela i ispire se.

Bacite kristal kamfora na vodu i on će juriti po površini kao mali čamac. Kamfor se rastvara asimetrično, stvarajući gradijent površinskog napona (veći γ iza, niži ispred). Površina vuče kristal prema područjima visokog γ—motor na površinski napon! To je demonstrirao fizičar C.V. Boys 1890. godine. Moderni hemičari koriste sličnu Marangonijevu propulziju za mikrorobote i vozila za dostavu lijekova.

To je fundamentalni termodinamički odnos, a ne slučajnost. Dimenzionalno: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² i [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Imaju identične osnovne dimenzije! Fizički: stvaranje 1 m² nove površine zahtijeva rad = sila × udaljenost = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Dakle, γ izmjeren kao sila/dužina jednak je γ izmjerenom kao energija/površina. Voda na 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (isti broj, dvostruka interpretacija).

Kohezija: privlačenje između istih molekula (voda-voda). Adhezija: privlačenje između različitih molekula (voda-staklo). Visoka kohezija → visok površinski napon → kapljice se skupljaju (živa na staklu). Visoka adhezija u odnosu na koheziju → tekućina se širi (voda na čistom staklu). Ravnoteža određuje kontaktni ugao θ putem Youngove jednadžbe: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Kvašenje se dešava kada je θ < 90°; skupljanje u kapljice kada je θ > 90°. Superhidrofobne površine (list lotosa) imaju θ > 150°.

Molekule sapuna su amfifilne: hidrofobni rep + hidrofilna glava. Na granici voda-zrak, repovi su orijentisani prema van (izbjegavajući vodu), a glave prema unutra (privučene vodom). Ovo remeti vodikove veze između molekula vode na površini, smanjujući površinski napon sa 72.8 na 25-30 mN/m. Niži γ omogućava vodi da kvasi tkanine i prodire u masnoću. Na Kritičnoj micelarnoj koncentraciji (CMC, tipično 0.1-1%), molekule formiraju micele koje rastvaraju ulje.

Viša temperatura daje molekulama više kinetičke energije, slabeći međumolekularna privlačenja (vodikove veze, van der Waalsove sile). Površinske molekule imaju manje neto unutrašnje privlačenje → niži površinski napon. Za vodu: γ opada za ~0.15 mN/m po °C. Na kritičnoj temperaturi (374°C za vodu, 647 K), razlika između tekućine i plina nestaje i γ → 0. Eötvösovo pravilo to kvantificira: γ·V^(2/3) = k(T_c - T) gdje je V = molarni volumen, T_c = kritična temperatura.

Četiri glavne metode: (1) du Noüy prsten: Platinski prsten se povlači s površine, mjeri se sila (najčešće, ±0.1 mN/m). (2) Wilhelmyjeva pločica: Tanka pločica visi dodirujući površinu, sila se mjeri kontinuirano (najveća preciznost, ±0.01 mN/m). (3) Viseća kap: Oblik kapi se analizira optički koristeći Young-Laplaceovu jednadžbu (radi na visokim T/P). (4) Kapilarni uspon: Tekućina se penje u uskoj cijevi, mjeri se visina: γ = ρghr/(2cosθ) gdje je ρ = gustoća, h = visina, r = radijus, θ = kontaktni ugao.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) opisuje razliku pritiska preko zakrivljene površine. R₁ i R₂ su glavni radijusi zakrivljenosti. Za sferu (mjehurić, kap): ΔP = 2γ/R. Manji mjehurići imaju veći unutrašnji pritisak od velikih. Primjer: 1 mm kap vode ima ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). To objašnjava zašto se mali mjehurići u pjeni smanjuju (plin difundira iz manjih u veće) i zašto plućne alveole trebaju surfaktant (smanjuje γ da ne kolabiraju).

Živa: Jaka kohezija (metalne veze, γ = 486 mN/m) >> slaba adhezija na staklo → kontaktni ugao θ ≈ 140° → skuplja se u kapljice. Voda: Umjerena kohezija (vodikove veze, γ = 72.8 mN/m) < jaka adhezija na staklo (vodikove veze s površinskim -OH grupama) → θ ≈ 0-20° → širi se. Youngova jednadžba: cos θ = (γ_čvrsto-para - γ_čvrsto-tekućina)/γ_tekućina-para. Kada je adhezija > kohezije, cos θ > 0, pa je θ < 90° (kvašenje).

Ne. Površinski napon je uvijek pozitivan—predstavlja energetski trošak stvaranja nove površine. Negativan γ značio bi da se površine spontano šire, kršeći termodinamiku (entropija raste, ali je masivna faza stabilnija). Međutim, međufazni napon između dvije tekućine može biti vrlo nizak (blizu nule): kod unaprijeđenog crpljenja nafte, surfaktanti smanjuju γ nafta-voda na <0.01 mN/m, uzrokujući spontanu emulzifikaciju. Na kritičnoj tački, γ = 0 tačno (razlika između tekućine i plina nestaje).