Jėga, veikianti išilgai linijos skysčio paviršiuje

Matuojama niutonais metrui (N/m) arba dinomis centimetrui (dyn/cm). Jei įsivaizduotumėte rėmelį su judančia kraštine, liečiančia skysčio plėvelę, paviršiaus įtemptis būtų ta jėga, kuri traukia tą kraštinę, padalyta iš jos ilgio. Tai yra mechaninė apibrėžtis.

Formulė: γ = F/L, kur F = jėga, L = krašto ilgis

Pavyzdys: Vanduo @ 20°C = 72.8 mN/m reiškia 0.0728 N jėgą vienam krašto metrui

Energija, reikalinga sukurti naują paviršiaus plotą

Matuojama džauliais kvadratiniam metrui (J/m²) arba ergais kvadratiniam centimetrui (erg/cm²). Norint sukurti naują paviršiaus plotą, reikia atlikti darbą prieš tarpmolekulines jėgas. Skaitmeniškai identiška paviršiaus įtempčiai, bet atspindi energijos, o ne jėgos perspektyvą.

Formulė: γ = E/A, kur E = energija, A = paviršiaus ploto padidėjimas

Pavyzdys: Vanduo @ 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (tas pats skaičius, dvejopa interpretacija)

Tarpmolekulinės jėgos lemia paviršiaus elgseną

Kohezija: trauka tarp panašių molekulių (skystis-skystis). Adhezija: trauka tarp skirtingų molekulių (skystis-kietas kūnas). Didelė kohezija → didelė paviršiaus įtemptis → lašeliai susidaro į rutuliukus. Didelė adhezija → skystis išsisklaido (drėkinimas). Pusiausvyra lemia sąlyčio kampą ir kapiliarinį veikimą.

Sąlyčio kampas θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (Jungo lygtis)

Pavyzdys: Vanduo ant stiklo turi mažą θ (adhezija > kohezijos) → išsisklaido. Gyvsidabris ant stiklo turi didelį θ (kohezija >> adhezijos) → susidaro į rutuliukus.

Pirmieji kiekybiniai paviršiaus įtempties eksperimentai

Vokiečių fizikas Segneris tyrė plūduriuojančias adatas ir pastebėjo, kad vandens paviršiai elgiasi kaip įtemptos membranos. Jis apskaičiavo jėgas, bet neturėjo molekulinės teorijos paaiškinti šį reiškinį.

Jungo lygtis sąlyčio kampui

Britų polimatas Youngas išvedė ryšį tarp paviršiaus įtempties, sąlyčio kampo ir drėkinimo: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Ši pagrindinė lygtis iki šiol naudojama medžiagų moksle ir mikrofluidikoje.

Jungo-Laplaso lygtis slėgiui

Laplasas išvedė ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂), parodydamas, kad išlenkti paviršiai turi slėgio skirtumus. Tai paaiškina, kodėl maži burbuliukai turi didesnį vidinį slėgį nei dideli – tai labai svarbu suprantant plaučių fiziologiją ir emulsijų stabilumą.

Molekulinė paviršiaus įtempties teorija

Olandų fizikas van der Waalsas paaiškino paviršiaus įtemptį tarpmolekulinėmis jėgomis. Jo darbas apie molekulinę trauką pelnė jam 1910 m. Nobelio premiją ir padėjo pagrindus kapiliarumo, adhezijos ir kritinio taško supratimui.

Monosluoksniai ir paviršiaus chemija

Langmuiras tyrė molekulines plėveles ant vandens paviršių, taip sukuriant paviršiaus chemijos sritį. Jo darbas apie paviršiaus aktyviąsias medžiagas, adsorbciją ir molekulinę orientaciją pelnė jam 1932 m. Nobelio premiją. Langmuiro-Blodgett plėvelės pavadintos jo vardu.

Paviršiaus įtemptis lemia drėkinimą, sklaidą ir adheziją:

• Dažų formulavimas: Nustatykite γ į 25-35 mN/m optimaliam pasiskirstymui ant pagrindų
• Rašalinis spausdinimas: Rašalas turi turėti γ < pagrindo, kad drėkintų (paprastai 25-40 mN/m)
• Koronos apdorojimas: Padidina polimero paviršiaus energiją nuo 30 → 50+ mN/m adhezijai
• Miltelinės dangos: Maža paviršiaus įtemptis padeda išsilyginti ir sukurti blizgesį
• Antigrafiti dangos: Maža γ (15-20 mN/m) neleidžia dažams prilipti
• Kokybės kontrolė: du Noüy žiedo tensiometras partijų nuoseklumui užtikrinti

Plovikliai veikia mažindami paviršiaus įtemptį:

• Grynas vanduo: γ = 72.8 mN/m (blogai įsigeria į audinius)
• Vanduo + muilas: γ = 25-30 mN/m (įsigeria, drėkina, pašalina aliejų)
• Kritinė micelių koncentracija (KMK): γ staigiai krenta iki KMK, tada stabilizuojasi
• Drėkinimo priemonės: Pramoniniai valikliai mažina γ iki <30 mN/m
• Indų ploviklis: Sukurtas su γ ≈ 27-30 mN/m riebalų šalinimui
• Pesticidų purkštuvai: Pridėkite paviršiaus aktyviųjų medžiagų, kad sumažintumėte γ geresniam lapų padengimui

Tarpfazinis įtemptis tarp naftos ir vandens veikia gavybą:

• Naftos-vandens tarpfazinis įtemptis: Paprastai 20-50 mN/m
• Padidintas naftos išgavimas (EOR): Įšvirkškite paviršiaus aktyviųjų medžiagų, kad sumažintumėte γ iki <0.01 mN/m
• Maža γ → naftos lašeliai emulsuojasi → teka per poringą uolieną → padidėjęs išgavimas
• Žalios naftos apibūdinimas: Aromatinių junginių kiekis veikia paviršiaus įtemptį
• Vamzdynų srautas: Mažesnė γ mažina emulsijos stabilumą, padeda atskirti
• Kabančio lašo metodas matuoja γ telkinio temperatūroje/slėgyje

Paviršiaus įtemptis yra gyvybiškai svarbi gyvybės procesams:

• Plaučių surfaktantas: Mažina alveolių γ nuo 70 iki 25 mN/m, apsaugodamas nuo subliūškimo
• Neišnešioti kūdikiai: Kvėpavimo sutrikimo sindromas dėl nepakankamo surfaktanto
• Ląstelių membranos: Lipidų dvisluoksnio γ ≈ 0.1-2 mN/m (labai mažas lankstumui)
• Kraujo plazma: γ ≈ 50-60 mN/m, padidėja sergant (diabetas, aterosklerozė)
• Ašarų plėvelė: Daugiasluoksnė struktūra su lipidų sluoksniu, mažinančiu garavimą
• Vabzdžių kvėpavimas: Trachėjų sistema remiasi paviršiaus įtempimu, kad išvengtų vandens patekimo

Vandens čiuožikai (Gerridae) išnaudoja didelę vandens paviršiaus įtemptį (72.8 mN/m), kad išlaikytų 15 kartų didesnį svorį už savo kūno svorį. Jų kojos padengtos vaškiniais plaukeliais, kurie yra superhidrofobiški (sąlyčio kampas >150°). Kiekviena koja sukuria įdubimą vandens paviršiuje, o paviršiaus įtemptis suteikia jėgą aukštyn. Jei pridėsite muilo (sumažinsite γ iki 30 mN/m), jie iškart nuskęs!

Paviršiaus įtemptis veikia taip, kad sumažintų paviršiaus plotą tam tikram tūriui. Sfera turi mažiausią paviršiaus plotą bet kokiam tūriui (izoperimetrinė nelygybė). Muilo burbulai tai puikiai parodo: oras viduje stumia į išorę, paviršiaus įtemptis traukia į vidų, o pusiausvyra sukuria tobulą sferą. Ne sferiniai burbulai (pavyzdžiui, kubiniai vielos rėmuose) turi didesnę energiją ir yra nestabilūs.

Naujagimių plaučiuose yra plaučių surfaktanto (fosfolipidų + baltymų), kuris mažina alveolių paviršiaus įtemptį nuo 70 iki 25 mN/m. Be jo alveolės subliūkšta iškvepiant (atelektazė). Neišnešiotiems kūdikiams trūksta pakankamai surfaktanto, todėl kyla kvėpavimo sutrikimo sindromas (RDS). Prieš sintetinio surfaktanto terapiją (1990-aisiais) RDS buvo pagrindinė naujagimių mirties priežastis. Dabar išgyvenamumas viršija 95%.

Įpilkite vyno į taurę ir stebėkite: ant sienelių susidaro lašeliai, kyla aukštyn ir vėl krenta žemyn – „vyno ašaros“. Tai yra Marangonio efektas: alkoholis garuoja greičiau nei vanduo, sukuriant paviršiaus įtempties gradientus (γ kinta erdvėje). Skystis teka iš mažo γ sričių į didelio γ sritis, traukdamas vyną aukštyn. Kai lašeliai tampa pakankamai sunkūs, gravitacija nugali ir jie krenta. Marangonio srautai yra labai svarbūs suvirinant, dengiant ir auginant kristalus.

Muilo molekulės yra amfifilinės: hidrofobinė uodega (nekenčia vandens) + hidrofilinė galva (myli vandenį). Tirpale uodegos kyšo iš vandens paviršiaus, sutrikdydamos vandenilinius ryšius ir sumažindamos γ nuo 72 iki 25-30 mN/m. Esant kritinei micelių koncentracijai (KMK), molekulės sudaro sferines miceles, kurių uodegos yra viduje (sulaiko aliejų), o galvos – išorėje. Todėl muilas pašalina riebalus: aliejus tirpsta micelių viduje ir nuplaunamas.

Įmeskite kamparo kristalą į vandenį ir jis skries paviršiumi kaip maža valtis. Kamparas tirpsta asimetriškai, sukuriant paviršiaus įtempties gradientą (didesnis γ gale, mažesnis priekyje). Paviršius traukia kristalą link didelio γ sričių – paviršiaus įtempties variklis! Tai 1890 m. pademonstravo fizikas C.V. Boysas. Šiuolaikiniai chemikai naudoja panašų Marangonio varymą mikrorobotams ir vaistų tiekimo priemonėms.

Tai yra pagrindinis termodinaminis ryšys, o ne atsitiktinumas. Matmenų atžvilgiu: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² ir [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Jie turi identiškus pagrindinius matmenis! Fiziškai: norint sukurti 1 m² naujo paviršiaus, reikia darbo = jėga × atstumas = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Taigi, γ, išmatuota kaip jėga/ilgis, yra lygi γ, išmatuotai kaip energija/plotas. Vanduo @ 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (tas pats skaičius, dvejopa interpretacija).

Kohezija: trauka tarp panašių molekulių (vanduo-vanduo). Adhezija: trauka tarp skirtingų molekulių (vanduo-stiklas). Didelė kohezija → didelė paviršiaus įtemptis → lašeliai susidaro į rutuliukus (gyvsidabris ant stiklo). Didelė adhezija palyginti su kohezija → skystis išsisklaido (vanduo ant švaraus stiklo). Pusiausvyra lemia sąlyčio kampą θ per Jungo lygtį: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Drėkinimas vyksta, kai θ < 90°; rutuliukų susidarymas, kai θ > 90°. Superhidrofobiniai paviršiai (lotoso lapas) turi θ > 150°.

Muilo molekulės yra amfifilinės: hidrofobinė uodega + hidrofilinė galva. Vandens-oro sąlyčio paviršiuje uodegos orientuojasi į išorę (vengdamos vandens), o galvos – į vidų (traukiamos vandens). Tai sutrikdo vandenilinius ryšius tarp vandens molekulių paviršiuje, sumažinant paviršiaus įtemptį nuo 72.8 iki 25-30 mN/m. Mažesnė γ leidžia vandeniui drėkinti audinius ir prasiskverbti į riebalus. Esant kritinei micelių koncentracijai (KMK, paprastai 0.1-1%), molekulės sudaro miceles, kurios tirpina aliejų.

Aukštesnė temperatūra suteikia molekulėms daugiau kinetinės energijos, silpnindama tarpmolekulines traukas (vandeniliniai ryšiai, van der Waalso jėgos). Paviršiaus molekulės turi mažesnę grynąją trauką į vidų → mažesnė paviršiaus įtemptis. Vandeniui: γ mažėja ~0.15 mN/m per °C. Kritinėje temperatūroje (vandeniui 374°C, 647 K) skirtumas tarp skysčio ir dujų išnyksta, o γ → 0. Eötvöso taisyklė tai kiekybiškai apibrėžia: γ·V^(2/3) = k(T_c - T), kur V = molinis tūris, T_c = kritinė temperatūra.

Keturi pagrindiniai metodai: (1) du Noüy žiedas: Platinos žiedas traukiamas nuo paviršiaus, matuojama jėga (dažniausiai naudojamas, ±0.1 mN/m). (2) Wilhelmy plokštelė: Plona plokštelė kabo liesdama paviršių, jėga matuojama nuolat (didžiausias tikslumas, ±0.01 mN/m). (3) Kabantis lašas: Lašo forma analizuojama optiškai naudojant Jungo-Laplaso lygtį (veikia esant aukštam T/P). (4) Kapiliarinis pakilimas: Skystis kyla siaurame vamzdelyje, matuojamas aukštis: γ = ρghr/(2cosθ), kur ρ = tankis, h = aukštis, r = spindulys, θ = sąlyčio kampas.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) aprašo slėgio skirtumą per išlenktą paviršių. R₁ ir R₂ yra pagrindiniai kreivumo spinduliai. Sferai (burbului, lašui): ΔP = 2γ/R. Maži burbuliukai turi didesnį vidinį slėgį nei dideli. Pavyzdys: 1 mm vandens lašas turi ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). Tai paaiškina, kodėl maži burbuliukai putose traukiasi (dujos difunduoja iš mažų į didelius) ir kodėl plaučių alveolėms reikia surfaktanto (mažina γ, kad jos nesubliūkštų).

Gyvsidabris: Stipri kohezija (metaliniai ryšiai, γ = 486 mN/m) >> silpna adhezija prie stiklo → sąlyčio kampas θ ≈ 140° → susidaro į rutuliukus. Vanduo: Vidutinė kohezija (vandeniliniai ryšiai, γ = 72.8 mN/m) < stipri adhezija prie stiklo (vandeniliniai ryšiai su paviršiaus -OH grupėmis) → θ ≈ 0-20° → išsisklaido. Jungo lygtis: cos θ = (γ_kietas-garai - γ_kietas-skystis)/γ_skystis-garai. Kai adhezija > kohezijos, cos θ > 0, taigi θ < 90° (drėkinimas).

Ne. Paviršiaus įtemptis visada yra teigiama – ji atspindi energijos sąnaudas kuriant naują paviršiaus plotą. Neigiama γ reikštų, kad paviršiai spontaniškai plėstųsi, pažeisdami termodinamiką (entropija didėja, bet tūrinė fazė yra stabilesnė). Tačiau tarpfazinis įtemptis tarp dviejų skysčių gali būti labai mažas (artimas nuliui): padidintame naftos išgavime paviršiaus aktyviosios medžiagos mažina naftos-vandens γ iki <0.01 mN/m, sukeldamos spontanišką emulgaciją. Kritiniame taške γ = 0 tiksliai (skirtumas tarp skysčio ir dujų išnyksta).