Sila koja deluje duž linije na površini tečnosti

Meri se u njutnima po metru (N/m) ili dinima po centimetru (dyn/cm). Ako zamislite okvir s pomičnom stranom u kontaktu s tečnim filmom, površinski napon je sila koja vuče tu stranu podeljena s njenom dužinom. Ovo je mehanička definicija.

Formula: γ = F/L gde je F = sila, L = dužina ivice

Primer: Voda na 20°C = 72.8 mN/m znači 0.0728 N sile po metru ivice

Energija potrebna za stvaranje nove površine

Meri se u džulima po kvadratnom metru (J/m²) ili ergima po kvadratnom centimetru (erg/cm²). Stvaranje nove površine zahteva rad protiv međumolekularnih sila. Numerički je identična površinskom naponu, ali predstavlja energetsku perspektivu umesto perspektive sile.

Formula: γ = E/A gde je E = energija, A = povećanje površine

Primer: Voda na 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (isti broj, dvostruka interpretacija)

Međumolekularne sile određuju ponašanje površine

Kohezija: privlačenje između istih molekula (tečnost-tečnost). Adhezija: privlačenje između različitih molekula (tečnost-čvrsto telo). Visoka kohezija → visok površinski napon → kapljice se skupljaju. Visoka adhezija → tečnost se širi (kvašenje). Ravnoteža određuje kontaktni ugao i kapilarno delovanje.

Kontaktni ugao θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (Youngova jednačina)

Primer: Voda na staklu ima nizak θ (adhezija > kohezije) → širi se. Živa na staklu ima visok θ (kohezija >> adhezije) → skuplja se u kapljice.

Prvi kvantitativni eksperimenti o površinskom naponu

Nemački fizičar Segner proučavao je plutajuće igle i primetio da se površine vode ponašaju kao rastegnute membrane. Izračunao je sile, ali mu je nedostajala molekularna teorija da objasni fenomen.

Youngova jednačina za kontaktni ugao

Britanski polimat Young izveo je odnos između površinskog napona, kontaktnog ugla i kvašenja: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Ova fundamentalna jednačina se i danas koristi u nauci o materijalima i mikrofluidici.

Young-Laplaceova jednačina za pritisak

Laplace je izveo ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂), pokazujući da zakrivljene površine imaju razlike u pritisku. Objašnjava zašto manji mehurići imaju veći unutrašnji pritisak od velikih—što je ključno za razumevanje fiziologije pluća i stabilnosti emulzija.

Molekularna teorija površinskog napona

Holandski fizičar van der Waals objasnio je površinski napon koristeći međumolekularne sile. Njegov rad na molekularnoj privlačnosti doneo mu je Nobelovu nagradu 1910. godine i postavio temelje za razumevanje kapilarnosti, adhezije i kritične tačke.

Monoslojevi i površinska hemija

Langmuir je proučavao molekularne filmove na površinama vode, stvarajući polje površinske hemije. Njegov rad na surfaktantima, adsorpciji i molekularnoj orijentaciji doneo mu je Nobelovu nagradu 1932. godine. Langmuir-Blodgett filmovi su nazvani po njemu.

Površinski napon određuje kvašenje, širenje i adheziju:

• Formulacija boja: Podesite γ na 25-35 mN/m za optimalno širenje na podlogama
• Ink-jet štampanje: Mastilo mora imati γ < podloge za kvašenje (tipično 25-40 mN/m)
• Korona tretman: Povećava površinsku energiju polimera sa 30 → 50+ mN/m za adheziju
• Praškasti premazi: Nizak površinski napon pomaže nivelisanju i razvoju sjaja
• Premazi protiv grafita: Nizak γ (15-20 mN/m) sprečava adheziju boje
• Kontrola kvaliteta: du Noüy prsten tenziometar za konzistentnost od serije do serije

Deterdženti deluju smanjenjem površinskog napona:

• Čista voda: γ = 72.8 mN/m (ne prodire dobro u tkanine)
• Voda + sapun: γ = 25-30 mN/m (prodire, kvasi, uklanja ulje)
• Kritična micelarna koncentracija (CMC): γ naglo opada do CMC, a zatim se stabilizuje
• Sredstva za kvašenje: Industrijski čistači smanjuju γ na <30 mN/m
• Deterdžent za suđe: Formulisan na γ ≈ 27-30 mN/m za uklanjanje masnoće
• Prskalice za pesticide: Dodajte surfaktante da smanjite γ za bolju pokrivenost lišća

Međufazni napon između nafte i vode utiče na ekstrakciju:

• Međufazni napon nafta-voda: Tipično 20-50 mN/m
• Unapređeno crpljenje nafte (EOR): Ubrizgajte surfaktante da smanjite γ na <0.01 mN/m
• Nizak γ → kapljice nafte se emulgiraju → teku kroz poroznu stenu → povećano crpljenje
• Karakterizacija sirove nafte: Sadržaj aromata utiče na površinski napon
• Protok u cevovodu: Niži γ smanjuje stabilnost emulzije, pomaže razdvajanju
• Metoda viseće kapi meri γ na temperaturi/pritisku rezervoara

Površinski napon je ključan za životne procese:

• Plućni surfaktant: Smanjuje alveolarni γ sa 70 na 25 mN/m, sprečavajući kolaps
• Prevremeno rođene bebe: Sindrom respiratornog distresa zbog nedovoljnog surfaktanta
• Ćelijske membrane: γ lipidnog dvosloja ≈ 0.1-2 mN/m (vrlo nisko za fleksibilnost)
• Krvna plazma: γ ≈ 50-60 mN/m, povećan kod bolesti (dijabetes, ateroskleroza)
• Suzni film: Višeslojna struktura sa lipidnim slojem koji smanjuje isparavanje
• Disanje insekata: Trahealni sistem se oslanja na površinski napon da spreči ulazak vode

Vodeni pauci (Gerridae) iskorišćavaju visok površinski napon vode (72.8 mN/m) da podrže 15 puta svoju telesnu težinu. Noge su im premazane voštanim dlačicama koje su superhidrofobne (kontaktni ugao >150°). Svaka noga stvara udubljenje na površini vode, a površinski napon pruža silu prema gore. Ako dodate sapun (smanjujući γ na 30 mN/m), odmah tonu!

Površinski napon deluje tako da minimizira površinu za dati volumen. Sfera ima minimalnu površinu za bilo koji volumen (izoperimetrijska nejednakost). Mehurići od sapunice to prelepo demonstriraju: vazduh unutra gura prema van, površinski napon vuče prema unutra, a ravnoteža stvara savršenu sferu. Nesferični mehurići (poput kubičnih u žičanim okvirima) imaju veću energiju i nestabilni su.

Pluća novorođenčadi sadrže plućni surfaktant (fosfolipidi + proteini) koji smanjuje alveolarni površinski napon sa 70 na 25 mN/m. Bez njega, alveole kolabiraju tokom izdisaja (atelektaza). Prevremeno rođene bebe nemaju dovoljno surfaktanta, što uzrokuje Sindrom respiratornog distresa (RDS). Pre terapije sintetičkim surfaktantom (1990-ih), RDS je bio vodeći uzrok neonatalne smrti. Sada stope preživljavanja prelaze 95%.

Nalijte vino u čašu i gledajte: kapljice se formiraju sa strane, penju se prema gore i padaju nazad—'suze vina'. To je Marangonijev efekat: alkohol isparava brže od vode, stvarajući gradijente površinskog napona (γ varira prostorno). Tečnost teče iz područja niskog γ u područja visokog γ, vukući vino prema gore. Kada kapljice postanu dovoljno teške, gravitacija pobeđuje i one padaju. Marangonijevi tokovi su ključni u zavarivanju, premazivanju i rastu kristala.

Molekuli sapuna su amfifilni: hidrofobni rep (mrzi vodu) + hidrofilna glava (voli vodu). U rastvoru, repovi vire iz površine vode, remeteći vodonikove veze i smanjujući γ sa 72 na 25-30 mN/m. Na Kritičnoj micelarnoj koncentraciji (CMC), molekuli formiraju sferne micele s repovima unutra (hvatajući ulje) i glavama vani. Zato sapun uklanja masnoću: ulje se rastvara unutar micela i ispire se.

Bacite kristal kamfora na vodu i on će juriti po površini kao mali čamac. Kamfor se rastvara asimetrično, stvarajući gradijent površinskog napona (veći γ iza, niži ispred). Površina vuče kristal prema područjima visokog γ—motor na površinski napon! To je demonstrirao fizičar C.V. Boys 1890. godine. Moderni hemičari koriste sličnu Marangonijevu propulziju za mikrorobote i vozila za dostavu lekova.

To je fundamentalni termodinamički odnos, a ne slučajnost. Dimenzionalno: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² i [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Imaju identične osnovne dimenzije! Fizički: stvaranje 1 m² nove površine zahteva rad = sila × udaljenost = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Dakle, γ izmeren kao sila/dužina jednak je γ izmerenom kao energija/površina. Voda na 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (isti broj, dvostruka interpretacija).

Kohezija: privlačenje između istih molekula (voda-voda). Adhezija: privlačenje između različitih molekula (voda-staklo). Visoka kohezija → visok površinski napon → kapljice se skupljaju (živa na staklu). Visoka adhezija u odnosu na koheziju → tečnost se širi (voda na čistom staklu). Ravnoteža određuje kontaktni ugao θ putem Youngove jednačine: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Kvašenje se dešava kada je θ < 90°; skupljanje u kapljice kada je θ > 90°. Superhidrofobne površine (list lotosa) imaju θ > 150°.

Molekuli sapuna su amfifilni: hidrofobni rep + hidrofilna glava. Na granici voda-vazduh, repovi su orijentisani prema van (izbegavajući vodu), a glave prema unutra (privučene vodom). Ovo remeti vodonikove veze između molekula vode na površini, smanjujući površinski napon sa 72.8 na 25-30 mN/m. Niži γ omogućava vodi da kvasi tkanine i prodire u masnoću. Na Kritičnoj micelarnoj koncentraciji (CMC, tipično 0.1-1%), molekuli formiraju micele koje rastvaraju ulje.

Viša temperatura daje molekulama više kinetičke energije, slabeći međumolekularna privlačenja (vodonikove veze, van der Waalsove sile). Površinske molekule imaju manje neto unutrašnje privlačenje → niži površinski napon. Za vodu: γ opada za ~0.15 mN/m po °C. Na kritičnoj temperaturi (374°C za vodu, 647 K), razlika između tečnosti i plina nestaje i γ → 0. Eötvösovo pravilo to kvantifikuje: γ·V^(2/3) = k(T_c - T) gde je V = molarni volumen, T_c = kritična temperatura.

Četiri glavne metode: (1) du Noüy prsten: Platinski prsten se povlači s površine, meri se sila (najčešće, ±0.1 mN/m). (2) Wilhelmyjeva pločica: Tanka pločica visi dodirujući površinu, sila se meri kontinuirano (najveća preciznost, ±0.01 mN/m). (3) Viseća kap: Oblik kapi se analizira optički koristeći Young-Laplaceovu jednačinu (radi na visokim T/P). (4) Kapilarni uspon: Tečnost se penje u uskoj cevi, meri se visina: γ = ρghr/(2cosθ) gde je ρ = gustina, h = visina, r = radijus, θ = kontaktni ugao.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) opisuje razliku pritiska preko zakrivljene površine. R₁ i R₂ su glavni radijusi zakrivljenosti. Za sferu (mehur, kap): ΔP = 2γ/R. Manji mehurići imaju veći unutrašnji pritisak od velikih. Primer: 1 mm kap vode ima ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). To objašnjava zašto se mali mehurići u peni smanjuju (plin difundira iz manjih u veće) i zašto plućne alveole trebaju surfaktant (smanjuje γ da ne kolabiraju).

Živa: Jaka kohezija (metalne veze, γ = 486 mN/m) >> slaba adhezija na staklo → kontaktni ugao θ ≈ 140° → skuplja se u kapljice. Voda: Umerena kohezija (vodonikove veze, γ = 72.8 mN/m) < jaka adhezija na staklo (vodonikove veze s površinskim -OH grupama) → θ ≈ 0-20° → širi se. Youngova jednačina: cos θ = (γ_čvrsto-para - γ_čvrsto-tečnost)/γ_tečnost-para. Kada je adhezija > kohezije, cos θ > 0, pa je θ < 90° (kvašenje).

Ne. Površinski napon je uvek pozitivan—predstavlja energetski trošak stvaranja nove površine. Negativan γ značio bi da se površine spontano šire, kršeći termodinamiku (entropija raste, ali je masivna faza stabilnija). Međutim, međufazni napon između dve tečnosti može biti vrlo nizak (blizu nule): kod unapređenog crpljenja nafte, surfaktanti smanjuju γ nafta-voda na <0.01 mN/m, uzrokujući spontanu emulzifikaciju. Na kritičnoj tački, γ = 0 tačno (razlika između tečnosti i plina nestaje).