Kraft som virker langs en linje på væskeoverflaten

Måles i newton per meter (N/m) eller dyn per centimeter (dyn/cm). Hvis du forestiller deg en ramme med en bevegelig side i kontakt med en væskefilm, er overflatespenningen kraften som trekker på den siden delt på lengden. Dette er den mekaniske definisjonen.

Formel: γ = F/L der F = kraft, L = kantlengde

Eksempel: Vann @ 20°C = 72.8 mN/m betyr 0.0728 N kraft per meter kant

Energi som kreves for å skape nytt overflateareal

Måles i joule per kvadratmeter (J/m²) eller erg per kvadratcentimeter (erg/cm²). Å skape nytt overflateareal krever arbeid mot intermolekylære krefter. Numerisk identisk med overflatespenning, men representerer energiperspektivet i stedet for kraftperspektivet.

Formel: γ = E/A der E = energi, A = økning i overflateareal

Eksempel: Vann @ 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (samme tall, dobbel tolkning)

Intermolekylære krefter bestemmer overflatens oppførsel

Kohesjon: tiltrekning mellom like molekyler (væske-væske). Adhesjon: tiltrekning mellom ulike molekyler (væske-faststoff). Høy kohesjon → høy overflatespenning → dråper perler seg. Høy adhesjon → væske sprer seg (fukting). Balansen bestemmer kontaktvinkelen og kapillarvirkningen.

Kontaktvinkel θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (Youngs ligning)

Eksempel: Vann på glass har lav θ (adhesjon > kohesjon) → sprer seg. Kvikksølv på glass har høy θ (kohesjon >> adhesjon) → perler seg.

Første kvantitative eksperimenter på overflatespenning

Den tyske fysikeren Segner studerte flytende nåler og observerte at vannoverflater oppfører seg som strukne membraner. Han beregnet krefter, men manglet en molekylær teori for å forklare fenomenet.

Youngs ligning for kontaktvinkel

Den britiske polymaten Young utledet forholdet mellom overflatespenning, kontaktvinkel og fukting: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Denne grunnleggende ligningen brukes fortsatt i dag i materialvitenskap og mikrofluidikk.

Young-Laplace-ligningen for trykk

Laplace utledet ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂), som viser at buede grensesnitt har trykkforskjeller. Det forklarer hvorfor små bobler har høyere internt trykk enn store – avgjørende for å forstå lungefysiologi og emulsjonsstabilitet.

Molekylær teori om overflatespenning

Den nederlandske fysikeren van der Waals forklarte overflatespenning ved hjelp av intermolekylære krefter. Arbeidet hans med molekylær tiltrekning ga ham Nobelprisen i 1910 og la grunnlaget for forståelsen av kapillaritet, adhesjon og det kritiske punktet.

Monolag og overflatekjemi

Langmuir studerte molekylære filmer på vannoverflater, og skapte feltet overflatekjemi. Arbeidet hans med overflateaktive stoffer, adsorpsjon og molekylær orientering ga ham Nobelprisen i 1932. Langmuir-Blodgett-filmer er oppkalt etter ham.

Overflatespenning bestemmer fukting, spredning og adhesjon:

• Malingformulering: Juster γ til 25-35 mN/m for optimal spredning på substrater
• Blekkstråleutskrift: Blekk må ha γ < substrat for fukting (typisk 25-40 mN/m)
• Koronabehandling: Øker polymerens overflateenergi fra 30 → 50+ mN/m for adhesjon
• Pulverlakker: Lav overflatespenning hjelper til med utjevning og glansutvikling
• Anti-graffiti-belegg: Lav γ (15-20 mN/m) forhindrer malingsadhesjon
• Kvalitetskontroll: du Noüy-ring tensiometer for batch-til-batch konsistens

Vaskemidler virker ved å redusere overflatespenningen:

• Rent vann: γ = 72.8 mN/m (trenger ikke godt inn i tekstiler)
• Vann + såpe: γ = 25-30 mN/m (trenger inn, fukter, fjerner olje)
• Kritisk Micellkonsentrasjon (CMC): γ synker kraftig til CMC, deretter flater det ut
• Fuktemidler: Industrielle rengjøringsmidler reduserer γ til <30 mN/m
• Oppvaskmiddel: Formulert til γ ≈ 27-30 mN/m for fjerning av fett
• Pesticidsprøyter: Tilsett overflateaktive stoffer for å redusere γ for bedre bladdekk

Grensesnittspenning mellom olje og vann påvirker utvinning:

• Olje-vann grensesnittspenning: Vanligvis 20-50 mN/m
• Forbedret oljeutvinning (EOR): Injiser overflateaktive stoffer for å redusere γ til <0.01 mN/m
• Lav γ → oljedråper emulgerer → strømmer gjennom porøs bergart → økt utvinning
• Karakterisering av råolje: Aromatisk innhold påvirker overflatespenningen
• Rørledningsstrøm: Lavere γ reduserer emulsjonsstabiliteten, hjelper separasjon
• Pendant drop-metoden måler γ ved reservoartemperatur/-trykk

Overflatespenning er avgjørende for livsprosesser:

• Lungesurfaktant: Reduserer alveolær γ fra 70 til 25 mN/m, og forhindrer kollaps
• For tidlig fødte spedbarn: Respiratorisk distress-syndrom på grunn av utilstrekkelig surfaktant
• Cellemembraner: Lipid-dobbeltlags γ ≈ 0.1-2 mN/m (veldig lavt for fleksibilitet)
• Blodplasma: γ ≈ 50-60 mN/m, økt ved sykdommer (diabetes, aterosklerose)
• Tårefilm: Flerlagsstruktur med et lipidlag som reduserer fordampning
• Insekters åndedrett: Trakésystemet er avhengig av overflatespenning for å forhindre vanninntrengning

Vannløpere (Gerridae) utnytter vannets høye overflatespenning (72.8 mN/m) til å bære 15 ganger sin egen kroppsvekt. Bena deres er dekket av voksaktige hår som er superhydrofobe (kontaktvinkel >150°). Hvert ben lager en fordypning i vannoverflaten, og overflatespenningen gir den oppadgående kraften. Hvis du tilsetter såpe (som reduserer γ til 30 mN/m), synker de umiddelbart!

Overflatespenning virker for å minimere overflatearealet for et gitt volum. Kula har det minste overflatearealet for ethvert volum (isoperimetrisk ulikhet). Såpebobler demonstrerer dette vakkert: luften inni presser utover, overflatespenningen trekker innover, og likevekten skaper en perfekt kule. Ikke-sfæriske bobler (som kubiske i trådrammer) har høyere energi og er ustabile.

Nyfødtes lunger inneholder lungesurfaktant (fosfolipider + proteiner) som reduserer alveolær overflatespenning fra 70 til 25 mN/m. Uten det kollapser alveolene under utånding (atelektase). For tidlig fødte spedbarn mangler tilstrekkelig surfaktant, noe som forårsaker respiratorisk distress-syndrom (RDS). Før syntetisk surfaktant-terapi (1990-tallet) var RDS en ledende årsak til nyfødtdødelighet. Nå overstiger overlevelsesratene 95%.

Hell vin i et glass og se: dråper dannes på sidene, klatrer oppover, og faller ned igjen – 'vintårer'. Dette er Marangoni-effekten: alkohol fordamper raskere enn vann, og skaper overflatespenningsgradienter (γ varierer romlig). Væske strømmer fra områder med lav γ til områder med høy γ, og trekker vinen oppover. Når dråpene blir tunge nok, vinner tyngdekraften og de faller. Marangoni-strømmer er avgjørende i sveising, belegg og krystallvekst.

Såpemolekyler er amfifile: en hydrofob hale (hater vann) + et hydrofilt hode (elsker vann). I løsning stikker halene ut av vannoverflaten, forstyrrer hydrogenbindingene og reduserer γ fra 72 til 25-30 mN/m. Ved den Kritiske Micellkonsentrasjonen (CMC) danner molekylene sfæriske miceller med halene inni (fanger olje) og hodene utenpå. Derfor fjerner såpe fett: oljen blir løseliggjort inne i micellene og vasket bort.

Slipp en kamferkrystall på vann, og den suser rundt på overflaten som en liten båt. Kamfer løses opp asymmetrisk, og skaper en overflatespenningsgradient (høyere γ bak, lavere foran). Overflaten trekker krystallen mot områder med høy γ – en overflatespenningsmotor! Dette ble demonstrert av fysikeren C.V. Boys i 1890. Moderne kjemikere bruker lignende Marangoni-fremdrift for mikroroboter og medikamentleveringsfartøy.

Dette er et grunnleggende termodynamisk forhold, ikke en tilfeldighet. Dimensjonalt: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² og [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². De har identiske grunnleggende dimensjoner! Fysisk: å skape 1 m² ny overflate krever arbeid = kraft × avstand = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Så γ målt som kraft/lengde er lik γ målt som energi/areal. Vann @ 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (samme tall, dobbel tolkning).

Kohesjon: tiltrekning mellom like molekyler (vann-vann). Adhesjon: tiltrekning mellom ulike molekyler (vann-glass). Høy kohesjon → høy overflatespenning → dråper perler seg (kvikksølv på glass). Høy adhesjon i forhold til kohesjon → væske sprer seg (vann på rent glass). Balansen bestemmer kontaktvinkelen θ via Youngs ligning: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Fukting skjer når θ < 90°; perling når θ > 90°. Superhydrofobe overflater (lotusblad) har θ > 150°.

Såpemolekyler er amfifile: en hydrofob hale + et hydrofilt hode. Ved vann-luft-grensesnittet orienterer halene seg utover (unngår vann), og hodene orienterer seg innover (tiltrukket av vann). Dette forstyrrer hydrogenbindingene mellom vannmolekylene på overflaten, og reduserer overflatespenningen fra 72.8 til 25-30 mN/m. Lavere γ lar vann fukte tekstiler og trenge inn i fett. Ved den Kritiske Micellkonsentrasjonen (CMC, typisk 0.1-1%) danner molekylene miceller som løseliggjør olje.

Høyere temperatur gir molekylene mer kinetisk energi, og svekker de intermolekylære tiltrekningene (hydrogenbindinger, van der Waals-krefter). Overflatemolekylene har mindre netto innoverrettet trekk → lavere overflatespenning. For vann: γ synker med ~0.15 mN/m per °C. Ved den kritiske temperaturen (374°C for vann, 647 K) forsvinner skillet mellom væske og gass, og γ → 0. Eötvös' regel kvantifiserer dette: γ·V^(2/3) = k(T_c - T), der V = molarvolum, T_c = kritisk temperatur.

Fire hovedmetoder: (1) du Noüy-ring: En platinaring trekkes fra overflaten, kraften måles (vanligst, ±0.1 mN/m). (2) Wilhelmy-plate: En tynn plate henges ned og berører overflaten, kraften måles kontinuerlig (høyest presisjon, ±0.01 mN/m). (3) Pendant drop: Formen på en hengende dråpe analyseres optisk ved hjelp av Young-Laplace-ligningen (fungerer ved høye T/P). (4) Kapillarstigning: Væske stiger i et smalt rør, høyden måles: γ = ρghr/(2cosθ), der ρ = tetthet, h = høyde, r = radius, θ = kontaktvinkel.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) beskriver trykkforskjellen over et buet grensesnitt. R₁ og R₂ er de viktigste krumningsradiene. For en kule (boble, dråpe): ΔP = 2γ/R. Små bobler har høyere internt trykk enn store. Eksempel: en 1 mm vanndråpe har ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). Dette forklarer hvorfor små bobler i skum krymper (gass diffunderer fra små til store) og hvorfor lungealveolene trenger surfaktant (reduserer γ slik at de ikke kollapser).

Kvikksølv: Sterk kohesjon (metallbindinger, γ = 486 mN/m) >> svak adhesjon til glass → kontaktvinkel θ ≈ 140° → perler seg. Vann: Moderat kohesjon (hydrogenbindinger, γ = 72.8 mN/m) < sterk adhesjon til glass (hydrogenbindinger med overflate -OH-grupper) → θ ≈ 0-20° → sprer seg. Youngs ligning: cos θ = (γ_faststoff-damp - γ_faststoff-væske)/γ_væske-damp. Når adhesjon > kohesjon, er cos θ > 0, så θ < 90° (fukting).

Nei. Overflatespenning er alltid positiv – den representerer energikostnaden for å skape nytt overflateareal. En negativ γ ville bety at overflater spontant utvider seg, og bryter med termodynamikken (entropien øker, men bulkfasen er mer stabil). Imidlertid kan grensesnittspenningen mellom to væsker være veldig lav (nær null): i forbedret oljeutvinning reduserer overflateaktive stoffer olje-vann-γ til <0.01 mN/m, og forårsaker spontan emulgering. Ved det kritiske punktet er γ = 0 nøyaktig (skillet mellom væske og gass forsvinner).