A folyadékfelületen egy vonal mentén ható erő

Newton per méterben (N/m) vagy din per centiméterben (dyn/cm) mérik. Ha elképzel egy keretet, amelynek mozgatható oldala érintkezik egy folyadékfilmmel, a felületi feszültség az az erő, amely ezt az oldalt húzza, osztva annak hosszával. Ez a mechanikai definíció.

Képlet: γ = F/L, ahol F = erő, L = az él hossza

Példa: Víz @ 20°C = 72.8 mN/m, ami 0.0728 N erőt jelent méterenkénti élre

Új felület létrehozásához szükséges energia

Joule per négyzetméterben (J/m²) vagy erg per négyzetcentiméterben (erg/cm²) mérik. Új felület létrehozása munkát igényel a molekulák közötti erők ellenében. Számértékileg azonos a felületi feszültséggel, de az energia szempontját képviseli az erő szempontja helyett.

Képlet: γ = E/A, ahol E = energia, A = felületnövekedés

Példa: Víz @ 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (ugyanaz a szám, kettős értelmezés)

A molekulák közötti erők határozzák meg a felület viselkedését

Kohézió: vonzás azonos molekulák között (folyadék-folyadék). Adhézió: vonzás különböző molekulák között (folyadék-szilárd). Magas kohézió → magas felületi feszültség → a cseppek gyöngyöznek. Magas adhézió → a folyadék szétterül (nedvesítés). Az egyensúly határozza meg az érintkezési szöget és a kapilláris hatást.

Érintkezési szög θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (Young-egyenlet)

Példa: A víz üvegen alacsony θ-val rendelkezik (adhézió > kohézió) → szétterül. A higany üvegen magas θ-val rendelkezik (kohézió >> adhézió) → gyöngyözik.

Első mennyiségi kísérletek a felületi feszültségről

A német fizikus, Segner úszó tűket tanulmányozott, és megfigyelte, hogy a vízfelületek megfeszített hártyaként viselkednek. Kiszámította az erőket, de hiányzott a molekuláris elmélet a jelenség magyarázatához.

Young-egyenlet az érintkezési szögre

A brit polihisztor, Young levezette a felületi feszültség, az érintkezési szög és a nedvesítés közötti kapcsolatot: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Ezt az alapvető egyenletet ma is használják az anyagtudományban és a mikrofluidikában.

Young-Laplace-egyenlet a nyomásra

Laplace levezette a ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) egyenletet, amely megmutatja, hogy a görbült felületek nyomáskülönbséggel rendelkeznek. Ez magyarázza, miért van a kis buborékoknak nagyobb belső nyomásuk, mint a nagyoknak – ami kritikus a tüdő fiziológiájának és az emulziók stabilitásának megértéséhez.

A felületi feszültség molekuláris elmélete

A holland fizikus, van der Waals a molekulák közötti erőkkel magyarázta a felületi feszültséget. A molekuláris vonzásról szóló munkája 1910-ben Nobel-díjat érdemelt, és megalapozta a kapillaritás, az adhézió és a kritikus pont megértését.

Monorétegek és felületkémia

Langmuir molekuláris filmeket tanulmányozott vízfelületeken, létrehozva a felületkémia területét. A felületaktív anyagokról, az adszorpcióról és a molekuláris orientációról szóló munkája 1932-ben Nobel-díjat érdemelt. A Langmuir-Blodgett-filmeket róla nevezték el.

A felületi feszültség határozza meg a nedvesítést, a terülést és az adhéziót:

• Festék-összetétel: Állítsa a γ-t 25-35 mN/m-re az optimális terüléshez a hordozókon
• Tintasugaras nyomtatás: A tintának γ < hordozóval kell rendelkeznie a nedvesítéshez (jellemzően 25-40 mN/m)
• Koronakezelés: Növeli a polimer felületi energiáját 30 → 50+ mN/m-re az adhézió érdekében
• Porbevonatok: Az alacsony felületi feszültség segíti a szintezést és a fényesség kialakulását
• Graffiti-ellenes bevonatok: Az alacsony γ (15-20 mN/m) megakadályozza a festék tapadását
• Minőségellenőrzés: du Noüy-gyűrűs tenziométer a tételről tételre való konzisztencia érdekében

A mosószerek a felületi feszültség csökkentésével működnek:

• Tiszta víz: γ = 72.8 mN/m (nem hatol be jól a textíliákba)
• Víz + szappan: γ = 25-30 mN/m (behatol, nedvesít, eltávolítja az olajat)
• Kritikus Micellakoncentráció (CMC): A γ meredeken csökken a CMC-ig, majd stabilizálódik
• Nedvesítőszerek: Az ipari tisztítószerek a γ-t <30 mN/m-re csökkentik
• Mosogatószer: γ ≈ 27-30 mN/m-re formulázva a zsíreltávolításhoz
• Növényvédőszer-permetezők: Adjon hozzá felületaktív anyagokat a γ csökkentéséhez a jobb levélfedés érdekében

Az olaj és a víz közötti határfelületi feszültség befolyásolja a kitermelést:

• Olaj-víz határfelületi feszültség: Jellemzően 20-50 mN/m
• Fokozott olajkitermelés (EOR): Fecskendezzen be felületaktív anyagokat a γ <0.01 mN/m-re csökkentéséhez
• Alacsony γ → az olajcseppek emulgeálódnak → áramlanak a porózus kőzeten keresztül → megnövekedett kitermelés
• Nyersolaj jellemzése: Az aromás tartalom befolyásolja a felületi feszültséget
• Csővezetéki áramlás: Az alacsonyabb γ csökkenti az emulzió stabilitását, segíti a szétválasztást
• A függő csepp módszer méri a γ-t a tároló hőmérsékletén/nyomásán

A felületi feszültség kritikus az életfolyamatok számára:

• Tüdő felületaktív anyag: Csökkenti az alveoláris γ-t 70-ről 25 mN/m-re, megakadályozva az összeesést
• Koraszülöttek: Légzési distressz szindróma az elégtelen felületaktív anyag miatt
• Sejtmembránok: A lipid kettősréteg γ-ja ≈ 0.1-2 mN/m (nagyon alacsony a rugalmassághoz)
• Vérplazma: γ ≈ 50-60 mN/m, megnövekedett betegségek (cukorbetegség, érelmeszesedés) esetén
• Könnyfilm: Többrétegű szerkezet lipidréteggel, amely csökkenti a párolgást
• Rovarok légzése: A légcsőrendszer a felületi feszültségre támaszkodik a víz bejutásának megakadályozása érdekében

A vízi poloskák (Gerridae) a víz magas felületi feszültségét (72.8 mN/m) használják ki, hogy testsúlyuk 15-szörösét is elbírják. Lábukat viaszos szőrök borítják, amelyek szuperhidrofóbok (érintkezési szög >150°). Minden láb egy bemélyedést hoz létre a víz felszínén, és a felületi feszültség biztosítja a felfelé irányuló erőt. Ha szappant ad hozzá (csökkentve a γ-t 30 mN/m-re), azonnal elsüllyednek!

A felületi feszültség arra törekszik, hogy minimalizálja a felületet egy adott térfogathoz. A gömbnek van a legkisebb felülete bármely térfogathoz (izoperimetrikus egyenlőtlenség). A szappanbuborékok ezt gyönyörűen demonstrálják: a benne lévő levegő kifelé nyom, a felületi feszültség befelé húz, és az egyensúly tökéletes gömböt hoz létre. A nem gömb alakú buborékoknak (mint például a drótkeretekben lévő kockáknak) nagyobb az energiájuk és instabilak.

Az újszülöttek tüdeje tüdő felületaktív anyagot (foszfolipideket + fehérjéket) tartalmaz, amely csökkenti az alveoláris felületi feszültséget 70-ről 25 mN/m-re. Enélkül az alveolusok kilégzéskor összeesnek (atelectasia). A koraszülötteknek nincs elegendő felületaktív anyaguk, ami légzési distressz szindrómát (RDS) okoz. A szintetikus felületaktív anyag terápia (1990-es évek) előtt az RDS volt az újszülöttkori halálozás egyik vezető oka. Most a túlélési arány meghaladja a 95%-ot.

Öntsön bort egy pohárba, és figyelje: cseppek képződnek az oldalán, felfelé másznak, majd visszahullanak – a „bor könnyei”. Ez a Marangoni-effektus: az alkohol gyorsabban párolog, mint a víz, ami felületi feszültség gradienseket hoz létre (a γ térben változik). A folyadék az alacsony γ-jú területekről a magas γ-jú területek felé áramlik, felfelé húzva a bort. Amikor a cseppek elég nehézzé válnak, a gravitáció győz, és leesnek. A Marangoni-áramlások kritikusak a hegesztésben, a bevonatolásban és a kristálynövekedésben.

A szappanmolekulák amfifilek: hidrofób farok (utálja a vizet) + hidrofil fej (szereti a vizet). Oldatban a farkak kiállnak a víz felszínéből, megzavarva a hidrogénkötéseket és csökkentve a γ-t 72-ről 25-30 mN/m-re. A Kritikus Micellakoncentrációnál (CMC) a molekulák gömb alakú micellákat képeznek, a farkukkal befelé (megkötve az olajat) és a fejükkel kifelé. Ezért távolítja el a szappan a zsírt: az olaj feloldódik a micellák belsejében és lemosódik.

Dobjon egy kámforkristályt a vízre, és az úgy száguld a felszínen, mint egy apró csónak. A kámfor aszimmetrikusan oldódik, felületi feszültség gradienst hozva létre (magasabb γ hátul, alacsonyabb elöl). A felület a kristályt a magas γ-jú területek felé húzza – egy felületi feszültség motor! Ezt C.V. Boys fizikus mutatta be 1890-ben. A modern vegyészek hasonló Marangoni-meghajtást használnak mikrorobotokhoz és gyógyszerszállító járművekhez.

Ez egy alapvető termodinamikai kapcsolat, nem véletlen. Dimenzióikban: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² és [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Azonos alapdimenziókkal rendelkeznek! Fizikailag: 1 m² új felület létrehozásához munka = erő × távolság = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J szükséges. Tehát az erő/hossz-ként mért γ egyenlő az energia/terület-ként mért γ-val. Víz @ 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (ugyanaz a szám, kettős értelmezés).

Kohézió: vonzás azonos molekulák között (víz-víz). Adhézió: vonzás különböző molekulák között (víz-üveg). Magas kohézió → magas felületi feszültség → a cseppek gyöngyöznek (higany üvegen). Magas adhézió a kohézióhoz képest → a folyadék szétterül (víz tiszta üvegen). Az egyensúly határozza meg az érintkezési szöget θ a Young-egyenleten keresztül: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Nedvesítés történik, ha θ < 90°; gyöngyözés, ha θ > 90°. A szuperhidrofób felületek (lótuszlevél) θ > 150°-kal rendelkeznek.

A szappanmolekulák amfifilek: hidrofób farok + hidrofil fej. A víz-levegő határfelületen a farkak kifelé orientálódnak (elkerülve a vizet), a fejek pedig befelé (a víz vonzza őket). Ez megzavarja a hidrogénkötéseket a vízmolekulák között a felületen, csökkentve a felületi feszültséget 72.8-ról 25-30 mN/m-re. Az alacsonyabb γ lehetővé teszi a víz számára, hogy nedvesítse a textíliákat és behatoljon a zsírba. A Kritikus Micellakoncentrációnál (CMC, általában 0.1-1%) a molekulák micellákat képeznek, amelyek feloldják az olajat.

A magasabb hőmérséklet több mozgási energiát ad a molekuláknak, gyengítve a molekulák közötti vonzásokat (hidrogénkötések, van der Waals-erők). A felületi molekuláknak kisebb nettó befelé irányuló húzásuk van → alacsonyabb felületi feszültség. Víz esetében: a γ ~0.15 mN/m-rel csökken °C-onként. A kritikus hőmérsékleten (víz esetében 374°C, 647 K) a folyadék-gáz megkülönböztetés eltűnik, és γ → 0. Az Eötvös-szabály ezt számszerűsíti: γ·V^(2/3) = k(T_c - T), ahol V = moláris térfogat, T_c = kritikus hőmérséklet.

Négy fő módszer: (1) du Noüy-gyűrű: Egy platina gyűrűt húznak le a felületről, az erőt mérik (leggyakoribb, ±0.1 mN/m). (2) Wilhelmy-lemez: Egy vékony lemez lóg a felületet érintve, az erőt folyamatosan mérik (legnagyobb pontosság, ±0.01 mN/m). (3) Függő csepp: A csepp alakját optikailag elemzik a Young-Laplace-egyenlet segítségével (magas T/P-n működik). (4) Kapilláris emelkedés: A folyadék egy szűk csőben emelkedik, a magasságot mérik: γ = ρghr/(2cosθ), ahol ρ = sűrűség, h = magasság, r = sugár, θ = érintkezési szög.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) leírja a nyomáskülönbséget egy görbült felületen keresztül. R₁ és R₂ a fő görbületi sugarak. Gömb (buborék, csepp) esetén: ΔP = 2γ/R. A kis buborékoknak nagyobb a belső nyomásuk, mint a nagyoknak. Példa: egy 1 mm-es vízcsepp ΔP-je = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). Ez magyarázza, miért zsugorodnak a kis buborékok a habban (a gáz a kicsiből a nagyba diffundál), és miért van szükségük a tüdő alveolusainak felületaktív anyagra (csökkenti a γ-t, hogy ne essenek össze).

Higany: Erős kohézió (fémes kötések, γ = 486 mN/m) >> gyenge adhézió az üveghez → érintkezési szög θ ≈ 140° → gyöngyözik. Víz: Mérsékelt kohézió (hidrogénkötések, γ = 72.8 mN/m) < erős adhézió az üveghez (hidrogénkötések a felületi -OH csoportokkal) → θ ≈ 0-20° → szétterül. Young-egyenlet: cos θ = (γ_szilárd-gőz - γ_szilárd-folyadék)/γ_folyadék-gőz. Amikor az adhézió > kohézió, cos θ > 0, tehát θ < 90° (nedvesítés).

Nem. A felületi feszültség mindig pozitív – ez képviseli az új felület létrehozásának energiaköltségét. A negatív γ azt jelentené, hogy a felületek spontán módon kiterjednének, megsértve a termodinamikát (az entrópia növekszik, de a tömbfázis stabilabb). Azonban a két folyadék közötti határfelületi feszültség nagyon alacsony lehet (közel nulla): a fokozott olajkitermelés során a felületaktív anyagok a γ olaj-víz értékét <0.01 mN/m-re csökkentik, ami spontán emulgeálódást okoz. A kritikus ponton a γ = 0 pontosan (a folyadék-gáz megkülönböztetés eltűnik).