نیرویی که در امتداد یک خط بر روی سطح مایع عمل می‌کند

با واحد نیوتن بر متر (N/m) یا دین بر سانتی‌متر (dyn/cm) اندازه‌گیری می‌شود. اگر یک قاب با یک ضلع متحرک در تماس با یک فیلم مایع را تصور کنید، کشش سطحی نیرویی است که آن ضلع را می‌کشد تقسیم بر طول آن. این تعریف مکانیکی است.

فرمول: γ = F/L که در آن F = نیرو، L = طول لبه

مثال: آب در دمای ۲۰ درجه سانتی‌گراد = ۷۲.۸ mN/m یعنی ۰.۰۷۲۸ نیوتن نیرو در هر متر لبه

انرژی لازم برای ایجاد مساحت سطح جدید

با واحد ژول بر متر مربع (J/m²) یا ارگ بر سانتی‌متر مربع (erg/cm²) اندازه‌گیری می‌شود. ایجاد مساحت سطح جدید نیاز به کار در برابر نیروهای بین مولکولی دارد. از نظر عددی با کشش سطحی یکسان است اما دیدگاه انرژی را به جای دیدگاه نیرو نشان می‌دهد.

فرمول: γ = E/A که در آن E = انرژی، A = افزایش مساحت سطح

مثال: آب در دمای ۲۰ درجه سانتی‌گراد = ۷۲.۸ mJ/m² = ۷۲.۸ mN/m (همان عدد، تفسیر دوگانه)

نیروهای بین مولکولی رفتار سطح را تعیین می‌کنند

چسبندگی درونی: جاذبه بین مولکول‌های مشابه (مایع-مایع). چسبندگی بیرونی: جاذبه بین مولکول‌های غیر مشابه (مایع-جامد). چسبندگی درونی بالا → کشش سطحی بالا → قطرات به صورت مهره در می‌آیند. چسبندگی بیرونی بالا → مایع پخش می‌شود (ترشوندگی). تعادل زاویه تماس و عمل مویرگی را تعیین می‌کند.

زاویه تماس θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (معادله یانگ)

مثال: آب روی شیشه θ پایینی دارد (چسبندگی بیرونی > چسبندگی درونی) → پخش می‌شود. جیوه روی شیشه θ بالایی دارد (چسبندگی درونی >> چسبندگی بیرونی) → به صورت مهره در می‌آید.

اولین آزمایش‌های کمی روی کشش سطحی

فیزیکدان آلمانی، سگنر، سوزن‌های شناور را مطالعه کرد و مشاهده کرد که سطوح آب مانند غشاءهای کشیده عمل می‌کنند. او نیروها را محاسبه کرد اما فاقد نظریه مولکولی برای توضیح این پدیده بود.

معادله یانگ برای زاویه تماس

دانشمند بریتانیایی، یانگ، رابطه بین کشش سطحی، زاویه تماس و ترشوندگی را استخراج کرد: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. این معادله بنیادی هنوز هم امروزه در علم مواد و میکروسیالات استفاده می‌شود.

معادله یانگ-لاپلاس برای فشار

لاپلاس ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) را استخراج کرد و نشان داد که سطوح مشترک منحنی دارای اختلاف فشار هستند. این توضیح می‌دهد که چرا حباب‌های کوچک فشار داخلی بالاتری نسبت به حباب‌های بزرگ دارند - که برای درک فیزیولوژی ریه و پایداری امولسیون‌ها حیاتی است.

نظریه مولکولی کشش سطحی

فیزیکدان هلندی، وان در والس، کشش سطحی را با استفاده از نیروهای بین مولکولی توضیح داد. کار او در مورد جاذبه مولکولی جایزه نوبل ۱۹۱۰ را برای او به ارمغان آورد و زمینه را برای درک مویرگی، چسبندگی و نقطه بحرانی فراهم کرد.

تک‌لایه‌ها و شیمی سطح

لانگمویر فیلم‌های مولکولی را بر روی سطوح آب مطالعه کرد و زمینه شیمی سطح را ایجاد کرد. کار او بر روی سورفکتانت‌ها، جذب سطحی و جهت‌گیری مولکولی جایزه نوبل ۱۹۳۲ را برای او به ارمغان آورد. فیلم‌های لانگمویر-بلادجت به نام او نامگذاری شده‌اند.

کشش سطحی ترشوندگی، پخش شدن و چسبندگی را تعیین می‌کند:

• فرمولاسیون رنگ: برای پخش شدن بهینه بر روی زیرلایه، γ را روی ۲۵-۳۵ mN/m تنظیم کنید
• چاپ جوهرافشان: برای ترشوندگی، جوهر باید γ < زیرلایه داشته باشد (معمولاً ۲۵-۴۰ mN/m)
• تیمار کرونا: برای چسبندگی، انرژی سطحی پلیمر را از ۳۰ به بیش از ۵۰ mN/m افزایش می‌دهد
• پوشش‌های پودری: کشش سطحی پایین به تسطیح و ایجاد براقیت کمک می‌کند
• پوشش‌های ضد گرافیتی: γ پایین (۱۵-۲۰ mN/m) از چسبندگی رنگ جلوگیری می‌کند
• کنترل کیفیت: تانسیومتر حلقه دو نوآی برای ثبات بین بچ‌ها

مواد شوینده با کاهش کشش سطحی کار می‌کنند:

• آب خالص: γ = ۷۲.۸ mN/m (به خوبی در پارچه‌ها نفوذ نمی‌کند)
• آب + صابون: γ = ۲۵-۳۰ mN/m (نفوذ می‌کند، تر می‌کند، روغن را پاک می‌کند)
• غلظت بحرانی میسل (CMC): γ تا CMC به شدت کاهش می‌یابد، سپس ثابت می‌ماند
• عوامل ترکننده: پاک‌کننده‌های صنعتی γ را به کمتر از ۳۰ mN/m کاهش می‌دهند
• مایع ظرفشویی: برای حذف چربی، با γ ≈ ۲۷-۳۰ mN/m فرموله شده است
• سمپاش‌های آفت‌کش: برای پوشش بهتر برگ، سورفکتانت‌ها را برای کاهش γ اضافه کنید

کشش بین سطحی بین نفت و آب بر استخراج تأثیر می‌گذارد:

• کشش بین سطحی نفت-آب: معمولاً ۲۰-۵۰ mN/m
• بازیافت پیشرفته نفت (EOR): برای کاهش γ به کمتر از ۰.۰۱ mN/m، سورفکتانت‌ها را تزریق کنید
• γ پایین → قطرات نفت امولسیون می‌شوند → از طریق سنگ متخلخل جریان می‌یابند → بازیافت افزایش می‌یابد
• مشخصه‌یابی نفت خام: محتوای آروماتیک بر کشش سطحی تأثیر می‌گذارد
• جریان خط لوله: γ پایین‌تر پایداری امولسیون را کاهش می‌دهد، به جداسازی کمک می‌کند
• روش قطره آویزان γ را در دما/فشار مخزن اندازه‌گیری می‌کند

کشش سطحی برای فرآیندهای حیاتی بسیار مهم است:

• سورفکتانت ریوی: γ آلوئولی را از ۷۰ به ۲۵ mN/m کاهش می‌دهد و از فروپاشی جلوگیری می‌کند
• نوزادان نارس: سندرم دیسترس تنفسی به دلیل سورفکتانت ناکافی
• غشاءهای سلولی: γ دولایه لیپیدی ≈ ۰.۱-۲ mN/m (بسیار کم برای انعطاف‌پذیری)
• پلاسمای خون: γ ≈ ۵۰-۶۰ mN/m، در بیماری‌ها افزایش می‌یابد (دیابت، آترواسکلروز)
• فیلم اشک: ساختار چند لایه با لایه لیپیدی که تبخیر را کاهش می‌دهد
• تنفس حشرات: سیستم تراشه‌ای برای جلوگیری از ورود آب به کشش سطحی متکی است

حشرات آب‌نورد (Gerridae) از کشش سطحی بالای آب (۷۲.۸ mN/m) برای تحمل ۱۵ برابر وزن بدن خود استفاده می‌کنند. پاهای آنها با موهای مومی پوشیده شده است که فوق آبگریز هستند (زاویه تماس >۱۵۰ درجه). هر پا یک فرورفتگی در سطح آب ایجاد می‌کند و کشش سطحی نیروی رو به بالا را فراهم می‌کند. اگر صابون اضافه کنید (کاهش γ به ۳۰ mN/m)، آنها بلافاصله غرق می‌شوند!

کشش سطحی برای به حداقل رساندن مساحت سطح برای یک حجم معین عمل می‌کند. کره برای هر حجمی کمترین مساحت سطح را دارد (نامساوی ایزوپریمتریک). حباب‌های صابون این را به زیبایی نشان می‌دهند: هوای داخل به بیرون فشار می‌آورد، کشش سطحی به داخل می‌کشد و تعادل یک کره کامل ایجاد می‌کند. حباب‌های غیر کروی (مانند حباب‌های مکعبی در قاب‌های سیمی) انرژی بالاتری دارند و ناپایدار هستند.

ریه‌های نوزادان حاوی سورفکتانت ریوی (فسفولیپیدها + پروتئین‌ها) است که کشش سطحی آلوئولی را از ۷۰ به ۲۵ mN/m کاهش می‌دهد. بدون آن، آلوئول‌ها در حین بازدم فرو می‌ریزند (آتلکتازی). نوزادان نارس سورفکتانت کافی ندارند، که باعث سندرم دیسترس تنفسی (RDS) می‌شود. قبل از درمان با سورفکتانت مصنوعی (دهه ۱۹۹۰)، RDS یکی از علل اصلی مرگ و میر نوزادان بود. اکنون، نرخ بقا از ۹۵٪ فراتر رفته است.

شراب را در یک لیوان بریزید و تماشا کنید: قطراتی در کناره‌ها تشکیل می‌شوند، به سمت بالا صعود می‌کنند و دوباره به پایین می‌افتند - «اشک‌های شراب». این اثر مارانگونی است: الکل سریع‌تر از آب تبخیر می‌شود و گرادیان‌های کشش سطحی ایجاد می‌کند (γ به صورت مکانی تغییر می‌کند). مایع از مناطق با γ پایین به مناطق با γ بالا جریان می‌یابد و شراب را به سمت بالا می‌کشد. وقتی قطرات به اندازه کافی سنگین می‌شوند، گرانش پیروز می‌شود و آنها می‌افتند. جریان‌های مارانگونی در جوشکاری، پوشش‌دهی و رشد کریستال حیاتی هستند.

مولکول‌های صابون آمفی‌فیلیک هستند: دم آبگریز (از آب متنفر است) + سر آبدوست (آب را دوست دارد). در محلول، دم‌ها از سطح آب بیرون می‌زنند، پیوندهای هیدروژنی را مختل می‌کنند و γ را از ۷۲ به ۲۵-۳۰ mN/m کاهش می‌دهند. در غلظت بحرانی میسل (CMC)، مولکول‌ها میسل‌های کروی با دم‌ها در داخل (روغن را به دام می‌اندازند) و سرها در خارج تشکیل می‌دهند. به همین دلیل است که صابون چربی را از بین می‌برد: روغن در داخل میسل‌ها حل می‌شود و شسته می‌شود.

یک کریستال کافور را روی آب بیندازید و مانند یک قایق کوچک در سطح حرکت می‌کند. کافور به طور نامتقارن حل می‌شود و یک گرادیان کشش سطحی ایجاد می‌کند (γ بالاتر در پشت، پایین‌تر در جلو). سطح، کریستال را به سمت مناطق با γ بالا می‌کشد - یک موتور کشش سطحی! این توسط فیزیکدان C.V. Boys در سال ۱۸۹۰ نشان داده شد. شیمیدانان مدرن از نیروی محرکه مارانگونی مشابهی برای میکروربات‌ها و وسایل نقلیه دارورسانی استفاده می‌کنند.

این یک رابطه بنیادی ترمودینامیکی است، نه یک تصادف. از نظر ابعادی: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² و [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². آنها ابعاد پایه یکسانی دارند! از نظر فیزیکی: ایجاد ۱ متر مربع سطح جدید نیاز به کار = نیرو × فاصله = (γ N/m) × (۱ متر) × (۱ متر) = γ ژول دارد. بنابراین γ اندازه‌گیری شده به عنوان نیرو/طول برابر با γ اندازه‌گیری شده به عنوان انرژی/سطح است. آب در دمای ۲۰ درجه سانتی‌گراد: ۷۲.۸ mN/m = ۷۲.۸ mJ/m² (همان عدد، تفسیر دوگانه).

چسبندگی درونی: جاذبه بین مولکول‌های مشابه (آب-آب). چسبندگی بیرونی: جاذبه بین مولکول‌های غیر مشابه (آب-شیشه). چسبندگی درونی بالا → کشش سطحی بالا → قطرات به صورت مهره در می‌آیند (جیوه روی شیشه). چسبندگی بیرونی بالا نسبت به چسبندگی درونی → مایع پخش می‌شود (آب روی شیشه تمیز). تعادل زاویه تماس θ را از طریق معادله یانگ تعیین می‌کند: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. ترشوندگی زمانی رخ می‌دهد که θ < ۹۰ درجه؛ مهره شدن زمانی رخ می‌دهد که θ > ۹۰ درجه. سطوح فوق آبگریز (برگ نیلوفر آبی) θ > ۱۵۰ درجه دارند.

مولکول‌های صابون آمفی‌فیلیک هستند: دم آبگریز + سر آبدوست. در سطح مشترک آب و هوا، دم‌ها به سمت بیرون جهت‌گیری می‌کنند (از آب دوری می‌کنند) و سرها به سمت داخل (توسط آب جذب می‌شوند). این امر پیوندهای هیدروژنی بین مولکول‌های آب در سطح را مختل می‌کند و کشش سطحی را از ۷۲.۸ به ۲۵-۳۰ mN/m کاهش می‌دهد. γ پایین‌تر به آب اجازه می‌دهد تا پارچه‌ها را تر کند و به چربی نفوذ کند. در غلظت بحرانی میسل (CMC، معمولاً ۰.۱-۱٪)، مولکول‌ها میسل‌هایی را تشکیل می‌دهند که روغن را حل می‌کنند.

دمای بالاتر به مولکول‌ها انرژی جنبشی بیشتری می‌دهد و جاذبه‌های بین مولکولی (پیوندهای هیدروژنی، نیروهای وان در والس) را تضعیف می‌کند. مولکول‌های سطح کشش خالص کمتری به سمت داخل دارند → کشش سطحی پایین‌تر. برای آب: γ تقریباً ۰.۱۵ mN/m در هر درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد. در دمای بحرانی (۳۷۴ درجه سانتی‌گراد برای آب، ۶۴۷ کلوین)، تمایز مایع و گاز از بین می‌رود و γ → ۰. قاعده اوتووش این را کمی می‌کند: γ·V^(2/3) = k(T_c - T) که در آن V = حجم مولی، T_c = دمای بحرانی.

چهار روش اصلی: (۱) حلقه دو نوآی: یک حلقه پلاتینی از سطح کشیده می‌شود، نیرو اندازه‌گیری می‌شود (رایج‌ترین، ±۰.۱ mN/m). (۲) صفحه ویلهلمی: یک صفحه نازک معلق که سطح را لمس می‌کند، نیرو به طور مداوم اندازه‌گیری می‌شود (بالاترین دقت، ±۰.۰۱ mN/m). (۳) قطره آویزان: شکل قطره با استفاده از معادله یانگ-لاپلاس به صورت نوری تجزیه و تحلیل می‌شود (در T/P بالا کار می‌کند). (۴) صعود مویرگی: مایع در یک لوله باریک بالا می‌رود، ارتفاع اندازه‌گیری می‌شود: γ = ρghr/(2cosθ) که در آن ρ = چگالی، h = ارتفاع، r = شعاع، θ = زاویه تماس.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) اختلاف فشار را در یک سطح مشترک منحنی توصیف می‌کند. R₁ و R₂ شعاع‌های اصلی انحنا هستند. برای یک کره (حباب، قطره): ΔP = 2γ/R. حباب‌های کوچک فشار داخلی بالاتری نسبت به حباب‌های بزرگ دارند. مثال: یک قطره آب ۱ میلی‌متری ΔP = ۲×۰.۰۷۲۸/۰.۰۰۰۵ = ۲۹۱ پاسکال (۰.۰۰۳ اتمسفر) دارد. این توضیح می‌دهد که چرا حباب‌های کوچک در کف کوچک می‌شوند (گاز از کوچک به بزرگ پخش می‌شود) و چرا آلوئول‌های ریه به سورفکتانت نیاز دارند (γ را کاهش می‌دهد تا فرو نریزند).

جیوه: چسبندگی درونی قوی (پیوندهای فلزی، γ = ۴۸۶ mN/m) >> چسبندگی بیرونی ضعیف به شیشه → زاویه تماس θ ≈ ۱۴۰ درجه → به صورت قطره در می‌آید. آب: چسبندگی درونی متوسط (پیوندهای هیدروژنی، γ = ۷۲.۸ mN/m) < چسبندگی بیرونی قوی به شیشه (پیوندهای هیدروژنی با گروه‌های -OH سطح) → θ ≈ ۰-۲۰ درجه → پخش می‌شود. معادله یانگ: cos θ = (γ_جامد-بخار - γ_جامد-مایع)/γ_مایع-بخار. زمانی که چسبندگی بیرونی > چسبندگی درونی، cos θ > ۰، بنابراین θ < ۹۰ درجه (ترشوندگی).

خیر. کشش سطحی همیشه مثبت است - این هزینه انرژی برای ایجاد مساحت سطح جدید را نشان می‌دهد. γ منفی به این معنی است که سطوح به طور خود به خود منبسط می‌شوند و ترمودینامیک را نقض می‌کنند (آنتروپی افزایش می‌یابد، اما فاز توده پایدارتر است). با این حال، کشش بین سطحی بین دو مایع می‌تواند بسیار کم باشد (نزدیک به صفر): در بازیافت پیشرفته نفت، سورفکتانت‌ها γ نفت-آب را به کمتر از ۰.۰۱ mN/m کاهش می‌دهند و باعث امولسیون خود به خودی می‌شوند. در نقطه بحرانی، γ = ۰ دقیقاً (تمایز مایع و گاز از بین می‌رود).