Forza che agisce lungo una linea sulla superficie del liquido

Misurata in newton per metro (N/m) o dine per centimetro (dyn/cm). Se immagini una cornice con un lato mobile a contatto con un film liquido, la tensione superficiale è la forza che tira quel lato divisa per la sua lunghezza. Questa è la definizione meccanica.

Formula: γ = F/L dove F = forza, L = lunghezza del bordo

Esempio: Acqua a 20°C = 72.8 mN/m significa 0.0728 N di forza per metro di bordo

Energia richiesta per creare una nuova area superficiale

Misurata in joule per metro quadrato (J/m²) o erg per centimetro quadrato (erg/cm²). Creare una nuova area superficiale richiede lavoro contro le forze intermolecolari. Numericamente identica alla tensione superficiale, ma rappresenta la prospettiva energetica anziché quella della forza.

Formula: γ = E/A dove E = energia, A = aumento dell'area superficiale

Esempio: Acqua a 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (stesso numero, duplice interpretazione)

Le forze intermolecolari determinano il comportamento della superficie

Coesione: attrazione tra molecole simili (liquido-liquido). Adesione: attrazione tra molecole diverse (liquido-solido). Alta coesione → alta tensione superficiale → le gocce si appallottolano. Alta adesione → il liquido si spande (bagnabilità). L'equilibrio determina l'angolo di contatto e l'azione capillare.

Angolo di contatto θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (equazione di Young)

Esempio: L'acqua su vetro ha un basso θ (adesione > coesione) → si spande. Il mercurio su vetro ha un alto θ (coesione >> adesione) → si appallottola.

Primi esperimenti quantitativi sulla tensione superficiale

Il fisico tedesco Segner studiò aghi galleggianti e osservò che le superfici dell'acqua si comportano come membrane tese. Calcolò le forze ma non aveva una teoria molecolare per spiegare il fenomeno.

Equazione di Young per l'angolo di contatto

Il polimata britannico Young derivò la relazione tra tensione superficiale, angolo di contatto e bagnabilità: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Questa equazione fondamentale è ancora utilizzata oggi nella scienza dei materiali e nella microfluidica.

Equazione di Young-Laplace per la pressione

Laplace derivò ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂), dimostrando che le interfacce curve hanno differenze di pressione. Spiega perché le bolle piccole hanno una pressione interna maggiore di quelle grandi, il che è fondamentale per comprendere la fisiologia polmonare e la stabilità delle emulsioni.

Teoria molecolare della tensione superficiale

Il fisico olandese van der Waals spiegò la tensione superficiale usando le forze intermolecolari. Il suo lavoro sull'attrazione molecolare gli valse il Premio Nobel nel 1910 e pose le basi per la comprensione della capillarità, dell'adesione e del punto critico.

Monostrati e chimica delle superfici

Langmuir studiò i film molecolari sulle superfici dell'acqua, creando il campo della chimica delle superfici. Il suo lavoro sui tensioattivi, l'adsorbimento e l'orientamento molecolare gli valse il Premio Nobel nel 1932. I film di Langmuir-Blodgett portano il suo nome.

La tensione superficiale determina la bagnabilità, la diffusione e l'adesione:

• Formulazione di vernici: Regolare γ a 25-35 mN/m per una diffusione ottimale sui substrati
• Stampa a getto d'inchiostro: L'inchiostro deve avere γ < substrato per la bagnabilità (tipicamente 25-40 mN/m)
• Trattamento corona: Aumenta l'energia superficiale del polimero da 30 → 50+ mN/m per l'adesione
• Vernici in polvere: La bassa tensione superficiale aiuta il livellamento e lo sviluppo della brillantezza
• Rivestimenti anti-graffiti: Un basso γ (15-20 mN/m) previene l'adesione della vernice
• Controllo qualità: Tensiometro ad anello di du Noüy per la coerenza tra i lotti

I detergenti agiscono riducendo la tensione superficiale:

• Acqua pura: γ = 72.8 mN/m (non penetra bene nei tessuti)
• Acqua + sapone: γ = 25-30 mN/m (penetra, bagna, rimuove l'olio)
• Concentrazione Micellare Critica (CMC): γ diminuisce bruscamente fino alla CMC, poi si stabilizza
• Agenti bagnanti: I pulitori industriali riducono γ a <30 mN/m
• Detersivo per piatti: Formulato a γ ≈ 27-30 mN/m per la rimozione del grasso
• Spruzzatori di pesticidi: Aggiungere tensioattivi per ridurre γ per una migliore copertura delle foglie

La tensione interfacciale tra petrolio e acqua influisce sull'estrazione:

• Tensione interfacciale olio-acqua: Tipicamente 20-50 mN/m
• Recupero avanzato del petrolio (EOR): Iniettare tensioattivi per ridurre γ a <0.01 mN/m
• Basso γ → le goccioline di petrolio si emulsionano → fluiscono attraverso la roccia porosa → recupero aumentato
• Caratterizzazione del greggio: Il contenuto di aromatici influisce sulla tensione superficiale
• Flusso in pipeline: Un γ più basso riduce la stabilità dell'emulsione, aiuta la separazione
• Il metodo della goccia pendente misura γ alla temperatura/pressione del giacimento

La tensione superficiale è fondamentale per i processi vitali:

• Surfaccante polmonare: Riduce la γ alveolare da 70 a 25 mN/m, prevenendo il collasso
• Neonati prematuri: Sindrome da distress respiratorio a causa di surfattante insufficiente
• Membrane cellulari: γ del doppio strato lipidico ≈ 0.1-2 mN/m (molto basso per la flessibilità)
• Plasma sanguigno: γ ≈ 50-60 mN/m, aumentato in malattie (diabete, aterosclerosi)
• Film lacrimale: Struttura multistrato con uno strato lipidico che riduce l'evaporazione
• Respirazione degli insetti: Il sistema tracheale si basa sulla tensione superficiale per prevenire l'ingresso di acqua

I gerridi (Gerridae) sfruttano l'alta tensione superficiale dell'acqua (72.8 mN/m) per sostenere 15 volte il loro peso corporeo. Le loro zampe sono ricoperte di peli cerosi superidrofobici (angolo di contatto >150°). Ogni zampa crea una fossetta sulla superficie dell'acqua e la tensione superficiale fornisce la forza verso l'alto. Se si aggiunge sapone (riducendo γ a 30 mN/m), affondano immediatamente!

La tensione superficiale agisce per minimizzare l'area superficiale per un dato volume. La sfera ha l'area superficiale minima per qualsiasi volume (disuguaglianza isoperimetrica). Le bolle di sapone lo dimostrano magnificamente: l'aria all'interno spinge verso l'esterno, la tensione superficiale tira verso l'interno e l'equilibrio crea una sfera perfetta. Le bolle non sferiche (come quelle cubiche in cornici di filo) hanno un'energia più alta e sono instabili.

I polmoni dei neonati contengono surfattante polmonare (fosfolipidi + proteine) che riduce la tensione superficiale alveolare da 70 a 25 mN/m. Senza di esso, gli alveoli collassano durante l'espirazione (atelettasia). I neonati prematuri mancano di surfattante sufficiente, causando la Sindrome da Distress Respiratorio (RDS). Prima della terapia con surfattante sintetico (anni '90), la RDS era una delle principali cause di morte neonatale. Ora, i tassi di sopravvivenza superano il 95%.

Versa del vino in un bicchiere e osserva: si formano delle goccioline sui lati, salgono verso l'alto e ricadono giù: le 'lacrime del vino'. Questo è l'effetto Marangoni: l'alcol evapora più velocemente dell'acqua, creando gradienti di tensione superficiale (γ varia spazialmente). Il liquido fluisce da regioni a bassa γ a regioni ad alta γ, trascinando il vino verso l'alto. Quando le goccioline diventano abbastanza pesanti, la gravità vince e cadono. I flussi di Marangoni sono fondamentali nella saldatura, nei rivestimenti e nella crescita dei cristalli.

Le molecole di sapone sono anfifiliche: una coda idrofobica (odia l'acqua) + una testa idrofila (ama l'acqua). In soluzione, le code sporgono dalla superficie dell'acqua, interrompendo i legami a idrogeno e riducendo γ da 72 a 25-30 mN/m. Alla Concentrazione Micellare Critica (CMC), le molecole formano micelle sferiche con le code all'interno (intrappolando l'olio) e le teste all'esterno. Ecco perché il sapone rimuove il grasso: l'olio viene solubilizzato all'interno delle micelle e lavato via.

Lascia cadere un cristallo di canfora sull'acqua e sfreccerà sulla superficie come una piccola barca. La canfora si dissolve in modo asimmetrico, creando un gradiente di tensione superficiale (γ più alta dietro, più bassa davanti). La superficie tira il cristallo verso le regioni ad alta γ: un motore a tensione superficiale! Questo fu dimostrato dal fisico C.V. Boys nel 1890. I chimici moderni usano una propulsione Marangoni simile per microrobot e veicoli per la somministrazione di farmaci.

Questa è una relazione termodinamica fondamentale, non una coincidenza. Dimensionalmente: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² e [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Hanno dimensioni di base identiche! Fisicamente: creare 1 m² di nuova superficie richiede un lavoro = forza × distanza = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Quindi γ misurata come forza/lunghezza è uguale a γ misurata come energia/area. Acqua a 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (stesso numero, duplice interpretazione).

Coesione: attrazione tra molecole simili (acqua-acqua). Adesione: attrazione tra molecole diverse (acqua-vetro). Alta coesione → alta tensione superficiale → le gocce si appallottolano (mercurio su vetro). Alta adesione rispetto alla coesione → il liquido si spande (acqua su vetro pulito). L'equilibrio determina l'angolo di contatto θ tramite l'equazione di Young: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. La bagnabilità si verifica quando θ < 90°; l'appallottolamento quando θ > 90°. Le superfici superidrofobiche (foglia di loto) hanno θ > 150°.

Le molecole di sapone sono anfifiliche: una coda idrofobica + una testa idrofila. All'interfaccia acqua-aria, le code si orientano verso l'esterno (evitando l'acqua), le teste verso l'interno (attratte dall'acqua). Questo interrompe i legami a idrogeno tra le molecole d'acqua sulla superficie, riducendo la tensione superficiale da 72.8 a 25-30 mN/m. Un γ più basso permette all'acqua di bagnare i tessuti e penetrare il grasso. Alla Concentrazione Micellare Critica (CMC, tipicamente 0.1-1%), le molecole formano micelle che solubilizzano l'olio.

Una temperatura più alta dà alle molecole più energia cinetica, indebolendo le attrazioni intermolecolari (legami a idrogeno, forze di van der Waals). Le molecole di superficie hanno una minore trazione netta verso l'interno → minore tensione superficiale. Per l'acqua: γ diminuisce di ~0.15 mN/m per °C. Alla temperatura critica (374°C per l'acqua, 647 K), la distinzione liquido-gas scompare e γ → 0. La regola di Eötvös lo quantifica: γ·V^(2/3) = k(T_c - T) dove V = volume molare, T_c = temperatura critica.

Quattro metodi principali: (1) Anello di du Noüy: Un anello di platino viene tirato dalla superficie, si misura la forza (il più comune, ±0.1 mN/m). (2) Piastra di Wilhelmy: Una sottile piastra sospesa che tocca la superficie, la forza viene misurata continuamente (massima precisione, ±0.01 mN/m). (3) Goccia pendente: La forma della goccia viene analizzata otticamente utilizzando l'equazione di Young-Laplace (funziona ad alte T/P). (4) Risalita capillare: Il liquido sale in un tubo stretto, si misura l'altezza: γ = ρghr/(2cosθ) dove ρ = densità, h = altezza, r = raggio, θ = angolo di contatto.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) descrive la differenza di pressione attraverso un'interfaccia curva. R₁ e R₂ sono i principali raggi di curvatura. Per una sfera (bolla, goccia): ΔP = 2γ/R. Le bolle piccole hanno una pressione interna maggiore di quelle grandi. Esempio: una goccia d'acqua di 1 mm ha un ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). Questo spiega perché le bolle piccole in una schiuma si restringono (il gas si diffonde dalle piccole alle grandi) e perché gli alveoli polmonari hanno bisogno di surfattante (riduce γ in modo che non collassino).

Mercurio: Forte coesione (legami metallici, γ = 486 mN/m) >> debole adesione al vetro → angolo di contatto θ ≈ 140° → si appallottola. Acqua: Coesione moderata (legami a idrogeno, γ = 72.8 mN/m) < forte adesione al vetro (legami a idrogeno con i gruppi -OH di superficie) → θ ≈ 0-20° → si spande. Equazione di Young: cos θ = (γ_solido-vapore - γ_solido-liquido)/γ_liquido-vapore. Quando l'adesione > coesione, cos θ > 0, quindi θ < 90° (bagnabilità).

No. La tensione superficiale è sempre positiva: rappresenta il costo energetico per creare una nuova area superficiale. Un γ negativo significherebbe che le superfici si espanderebbero spontaneamente, violando la termodinamica (l'entropia aumenta, ma la fase di massa è più stabile). Tuttavia, la tensione interfacciale tra due liquidi può essere molto bassa (vicina a zero): nel recupero avanzato del petrolio, i tensioattivi riducono la γ olio-acqua a <0.01 mN/m, causando un'emulsificazione spontanea. Al punto critico, γ = 0 esattamente (la distinzione liquido-gas scompare).