Voima, joka vaikuttaa nesteen pinnalla olevaa viivaa pitkin

Mittaillaan newtoneina metriä kohti (N/m) tai dyneinä senttimetriä kohti (dyn/cm). Jos kuvittelet kehyksen, jonka liikkuva sivu on kosketuksissa nestekalvoon, pintajännitys on siihen sivuun kohdistuva voima jaettuna sen pituudella. Tämä on mekaaninen määritelmä.

Kaava: γ = F/L, missä F = voima, L = reunan pituus

Esimerkki: Vesi @ 20°C = 72.8 mN/m tarkoittaa 0.0728 N voimaa metrin reunaa kohti

Energia, joka tarvitaan uuden pinta-alan luomiseen

Mittaillaan jouleina neliömetriä kohti (J/m²) tai ergeinä neliösenttimetriä kohti (erg/cm²). Uuden pinta-alan luominen vaatii työtä molekyylien välisiä voimia vastaan. Numeerisesti identtinen pintajännityksen kanssa, mutta edustaa energianäkökulmaa voimanäkökulman sijaan.

Kaava: γ = E/A, missä E = energia, A = pinta-alan kasvu

Esimerkki: Vesi @ 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (sama luku, kaksoistulkinta)

Molekyylien väliset voimat määräävät pinnan käyttäytymisen

Koheesio: vetovoima samanlaisten molekyylien välillä (neste-neste). Adheesio: vetovoima erilaisten molekyylien välillä (neste-kiinteä). Korkea koheesio → korkea pintajännitys → pisarat helmeilevät. Korkea adheesio → neste leviää (kostutus). Tasapaino määrittää kontaktikulman ja kapillaari-ilmiön.

Kontaktikulma θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (Youngin yhtälö)

Esimerkki: Vedellä lasilla on matala θ (adheesio > koheesio) → leviää. Elohopealla lasilla on korkea θ (koheesio >> adheesio) → helmeilee.

Ensimmäiset kvantitatiiviset kokeet pintajännityksestä

Saksalainen fyysikko Segner tutki kelluvia neuloja ja havaitsi, että veden pinnat käyttäytyvät kuin venytetyt kalvot. Hän laski voimia, mutta häneltä puuttui molekyyliteoria ilmiön selittämiseksi.

Youngin yhtälö kontaktikulmalle

Brittiläinen yleisnero Young johti yhtälön pintajännityksen, kontaktikulman ja kostutuksen välille: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Tämä perusyhtälö on edelleen käytössä materiaalitieteessä ja mikrofluidiikassa.

Young-Laplace-yhtälö paineelle

Laplace johti ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂), osoittaen, että kaarevilla rajapinnoilla on paine-eroja. Se selittää, miksi pienillä kuplilla on suurempi sisäinen paine kuin suurilla – mikä on kriittistä keuhkojen fysiologian ja emulsioiden stabiilisuuden ymmärtämisessä.

Pintajännityksen molekyyliteoria

Hollantilainen fyysikko van der Waals selitti pintajännityksen molekyylien välisten voimien avulla. Hänen työnsä molekyylien vetovoimasta ansaitsi hänelle Nobel-palkinnon vuonna 1910 ja loi perustan kapillaarisuuden, adheesion ja kriittisen pisteen ymmärtämiselle.

Monokerrokset ja pintakemia

Langmuir tutki molekyylikalvoja veden pinnalla, luoden pintakemian alan. Hänen työnsä pinta-aktiivisten aineiden, adsorption ja molekyylien suuntautumisen parissa ansaitsi hänelle Nobel-palkinnon vuonna 1932. Langmuir-Blodgett-kalvot on nimetty hänen mukaansa.

Pintajännitys määrittää kostutuksen, leviämisen ja adheesion:

• Maalin formulointi: Säädä γ 25-35 mN/m:iin optimaalisen leviämisen saavuttamiseksi alustoilla
• Mustesuihkutulostus: Musteella on oltava γ < alustan kostutusta varten (tyypillisesti 25-40 mN/m)
• Koronakäsittely: Lisää polymeerin pintaenergiaa 30 → 50+ mN/m:iin adheesion parantamiseksi
• Jauhemaalit: Alhainen pintajännitys auttaa tasoittumisessa ja kiillon kehittymisessä
• Graffitisuojat: Alhainen γ (15-20 mN/m) estää maalin tarttumisen
• Laadunvalvonta: du Noüy -rengastensiometri eräkohtaisen yhdenmukaisuuden varmistamiseksi

Pesuaineet toimivat vähentämällä pintajännitystä:

• Puhdas vesi: γ = 72.8 mN/m (ei tunkeudu hyvin kankaisiin)
• Vesi + saippua: γ = 25-30 mN/m (tunkeutuu, kostuttaa, poistaa öljyn)
• Kriittinen misellikonsentraatio (CMC): γ laskee jyrkästi CMC:hen asti, sitten tasaantuu
• Kostutusaineet: Teollisuuden puhdistusaineet vähentävät γ:n <30 mN/m:iin
• Astianpesuaine: Formuloitu γ ≈ 27-30 mN/m:iin rasvan poistamiseksi
• Torjunta-aineruiskut: Lisää pinta-aktiivisia aineita vähentääksesi γ:tä paremman lehtipeiton saavuttamiseksi

Öljyn ja veden välinen rajapintajännitys vaikuttaa talteenottoon:

• Öljy-vesi-rajapintajännitys: Tyypillisesti 20-50 mN/m
• Tehostettu öljyn talteenotto (EOR): Ruiskuta pinta-aktiivisia aineita vähentääksesi γ:n <0.01 mN/m:iin
• Alhainen γ → öljypisarat emulgoituvat → virtaavat huokoisen kiven läpi → lisääntynyt talteenotto
• Raakaöljyn karakterisointi: Aromaattinen pitoisuus vaikuttaa pintajännitykseen
• Putkistovirtaus: Alempi γ vähentää emulsion stabiilisuutta, auttaa erottamisessa
• Riippuvan pisaran menetelmä mittaa γ:n säiliön lämpötilassa/paineessa

Pintajännitys on kriittinen elämän prosesseille:

• Keuhkosurfaktantti: Vähentää alveolaarista γ:tä 70:stä 25 mN/m:iin, estäen romahtamisen
• Keskoset: Hengitysvaikeusoireyhtymä riittämättömän surfaktantin vuoksi
• Solukalvot: Lipidikalvon γ ≈ 0.1-2 mN/m (erittäin alhainen joustavuuden kannalta)
• Veriplasma: γ ≈ 50-60 mN/m, kohonnut sairauksissa (diabetes, ateroskleroosi)
• Kyynelkalvo: Monikerroksinen rakenne, jossa on lipidikerros, joka vähentää haihtumista
• Hyönteisten hengitys: Ilmaputkisto luottaa pintajännitykseen estääkseen veden pääsyn sisään

Vesimittarit (Gerridae) hyödyntävät veden korkeaa pintajännitystä (72.8 mN/m) kantaakseen 15 kertaa oman painonsa. Niiden jalat on päällystetty vahakarvoilla, jotka ovat superhydrofobisia (kontaktikulma >150°). Jokainen jalka luo kuopan veden pintaan, ja pintajännitys tuottaa nostovoiman. Jos lisäät saippuaa (vähentäen γ:n 30 mN/m:iin), ne uppoavat välittömästi!

Pintajännitys pyrkii minimoimaan pinta-alan tietylle tilavuudelle. Pallolla on pienin pinta-ala mille tahansa tilavuudelle (isoperimetrinen epäyhtälö). Saippuakuplat osoittavat tämän kauniisti: sisällä oleva ilma työntää ulospäin, pintajännitys vetää sisäänpäin, ja tasapaino luo täydellisen pallon. Ei-pallomaisilla kuplilla (kuten kuutiomaisilla lankakehikoissa) on korkeampi energia ja ne ovat epävakaita.

Vastasyntyneiden keuhkot sisältävät keuhkosurfaktanttia (fosfolipidejä + proteiineja), joka vähentää alveolaarista pintajännitystä 70:stä 25 mN/m:iin. Ilman sitä alveolit romahtavat uloshengityksen aikana (atelektaasi). Keskosilla ei ole riittävästi surfaktanttia, mikä aiheuttaa hengitysvaikeusoireyhtymän (RDS). Ennen synteettistä surfaktanttihoitoa (1990-luku) RDS oli johtava vastasyntyneiden kuolinsyy. Nyt eloonjäämisasteet ylittävät 95%.

Kaada viiniä lasiin ja katso: pisaroita muodostuu sivuille, ne kiipeävät ylöspäin ja putoavat takaisin alas – 'viinin kyyneleet'. Tämä on Marangoni-efekti: alkoholi haihtuu nopeammin kuin vesi, mikä luo pintajännitysgradientteja (γ vaihtelee paikallisesti). Neste virtaa alhaisen γ:n alueilta korkean γ:n alueille, vetäen viiniä ylöspäin. Kun pisarat tulevat tarpeeksi raskaiksi, painovoima voittaa ja ne putoavat. Marangoni-virtaukset ovat kriittisiä hitsauksessa, pinnoituksessa ja kristallien kasvussa.

Saippuamolekyylit ovat amfifiilisiä: hydrofobinen häntä (vihaa vettä) + hydrofiilinen pää (rakastaa vettä). Liuoksessa hännät työntyvät ulos veden pinnasta, häiritsevät vetysidoksia ja vähentävät γ:tä 72:sta 25-30 mN/m:iin. Kriittisessä misellikonsentraatiossa (CMC) molekyylit muodostavat pallomaisia misellejä, joiden hännät ovat sisällä (vangiten öljyä) ja päät ulkona. Siksi saippua poistaa rasvaa: öljy liukenee misellien sisään ja huuhtoutuu pois.

Pudota kamferikristalli veteen ja se kiitää pinnalla kuin pieni vene. Kamferi liukenee epäsymmetrisesti, mikä luo pintajännitysgradientin (korkeampi γ takana, matalampi edessä). Pinta vetää kristallia kohti korkean γ:n alueita – pintajännitysmoottori! Tämän osoitti fyysikko C.V. Boys vuonna 1890. Modernit kemistit käyttävät samanlaista Marangoni-propulsiota mikroroboteille ja lääkeaineiden kuljetusvälineille.

Tämä on perustavanlaatuinen termodynaaminen suhde, ei sattuma. Dimensionaalisesti: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² ja [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Niillä on identtiset perusdimensiot! Fysikaalisesti: 1 m²:n uuden pinnan luominen vaatii työtä = voima × etäisyys = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Joten γ mitattuna voimana/pituutena on yhtä suuri kuin γ mitattuna energiana/pinta-alana. Vesi @ 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (sama luku, kaksoistulkinta).

Koheesio: vetovoima samanlaisten molekyylien välillä (vesi-vesi). Adheesio: vetovoima erilaisten molekyylien välillä (vesi-lasi). Korkea koheesio → korkea pintajännitys → pisarat helmeilevät (elohopea lasilla). Korkea adheesio suhteessa koheesioon → neste leviää (vesi puhtaalla lasilla). Tasapaino määrittää kontaktikulman θ Youngin yhtälön kautta: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Kostutus tapahtuu, kun θ < 90°; helmeily, kun θ > 90°. Superhydrofobisilla pinnoilla (lootuksenlehti) on θ > 150°.

Saippuamolekyylit ovat amfifiilisiä: hydrofobinen häntä + hydrofiilinen pää. Vesi-ilma-rajapinnassa hännät suuntautuvat ulospäin (välttäen vettä) ja päät sisäänpäin (veden vetäminä). Tämä häiritsee vetysidoksia veden molekyylien välillä pinnalla, vähentäen pintajännitystä 72.8:sta 25-30 mN/m:iin. Matalampi γ antaa veden kostuttaa kankaita ja tunkeutua rasvaan. Kriittisessä misellikonsentraatiossa (CMC, tyypillisesti 0.1-1%) molekyylit muodostavat misellejä, jotka liuottavat öljyä.

Korkeampi lämpötila antaa molekyyleille enemmän kineettistä energiaa, mikä heikentää molekyylien välisiä vetovoimia (vetysidokset, van der Waalsin voimat). Pintamolekyyleillä on pienempi nettoveto sisäänpäin → matalampi pintajännitys. Vedellä: γ laskee ~0.15 mN/m per °C. Kriittisessä lämpötilassa (vedelle 374°C, 647 K) nesteen ja kaasun välinen ero katoaa ja γ → 0. Eötvösin sääntö kvantifioi tämän: γ·V^(2/3) = k(T_c - T), missä V = moolitilavuus, T_c = kriittinen lämpötila.

Neljä päämenetelmää: (1) du Noüy -rengas: Platinarengas vedetään pinnalta, voima mitataan (yleisin, ±0.1 mN/m). (2) Wilhelmy-levy: Ohut levy roikkuu koskettaen pintaa, voima mitataan jatkuvasti (korkein tarkkuus, ±0.01 mN/m). (3) Riippuva pisara: Pisaran muoto analysoidaan optisesti Young-Laplace-yhtälön avulla (toimii korkeissa T/P:ssä). (4) Kapillaarinousu: Neste nousee kapeassa putkessa, korkeus mitataan: γ = ρghr/(2cosθ), missä ρ = tiheys, h = korkeus, r = säde, θ = kontaktikulma.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) kuvaa paine-eroa kaarevan rajapinnan yli. R₁ ja R₂ ovat pääkaarevuussäteet. Pallolle (kupla, pisara): ΔP = 2γ/R. Pienillä kuplilla on suurempi sisäinen paine kuin suurilla. Esimerkki: 1 mm:n vesipisaralla on ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). Tämä selittää, miksi pienet kuplat vaahdossa kutistuvat (kaasu diffundoituu pienistä suuriin) ja miksi keuhkorakkulat tarvitsevat surfaktanttia (vähentää γ:tä, jotta ne eivät romahda).

Elohopea: Vahva koheesio (metalliset sidokset, γ = 486 mN/m) >> heikko adheesio lasiin → kontaktikulma θ ≈ 140° → helmeilee. Vesi: Kohtalainen koheesio (vetysidokset, γ = 72.8 mN/m) < vahva adheesio lasiin (vetysidokset pinnan -OH-ryhmien kanssa) → θ ≈ 0-20° → leviää. Youngin yhtälö: cos θ = (γ_kiinteä-höyry - γ_kiinteä-neste)/γ_neste-höyry. Kun adheesio > koheesio, cos θ > 0, joten θ < 90° (kostutus).

Ei. Pintajännitys on aina positiivinen – se edustaa energiakustannusta uuden pinta-alan luomiseksi. Negatiivinen γ tarkoittaisi, että pinnat laajenisivat spontaanisti, rikkoen termodynamiikan lakeja (entropia kasvaa, mutta bulk-faasi on vakaampi). Kahden nesteen välinen rajapintajännitys voi kuitenkin olla hyvin alhainen (lähellä nollaa): tehostetussa öljyn talteenotossa pinta-aktiiviset aineet vähentävät öljy-vesi-γ:n <0.01 mN/m:iin, aiheuttaen spontaanin emulgoitumisen. Kriittisessä pisteessä γ = 0 tarkalleen (nesteen ja kaasun välinen ero katoaa).