Nguvu inayofanya kazi kando ya mstari kwenye uso wa kioevu

Hupimwa kwa newton kwa mita (N/m) au dyne kwa sentimita (dyn/cm). Ukifikiria fremu yenye upande unaoweza kusogea unaogusana na filamu ya kioevu, mvutano wa uso ni nguvu inayovuta upande huo ikigawanywa na urefu wake. Hii ndiyo ufafanuzi wa kimakenika.

Fomula: γ = F/L ambapo F = nguvu, L = urefu wa ukingo

Mfano: Maji @ 20°C = 72.8 mN/m inamaanisha nguvu ya 0.0728 N kwa kila mita ya ukingo

Nishati inayohitajika kuunda eneo jipya la uso

Hupimwa kwa joule kwa mita ya mraba (J/m²) au erg kwa sentimita ya mraba (erg/cm²). Kuunda eneo jipya la uso kunahitaji kazi dhidi ya nguvu za intermolecular. Kwa nambari ni sawa na mvutano wa uso lakini inawakilisha mtazamo wa nishati badala ya mtazamo wa nguvu.

Fomula: γ = E/A ambapo E = nishati, A = ongezeko la eneo la uso

Mfano: Maji @ 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (nambari sawa, tafsiri mbili)

Nguvu za intermolecular huamua tabia ya uso

Mshikamano: mvuto kati ya molekuli zinazofanana (kioevu-kioevu). Mshikamano: mvuto kati ya molekuli tofauti (kioevu-mango). Mshikamano wa juu → mvutano wa juu wa uso → matone huunda shanga. Mshikamano wa juu → kioevu huenea (kulowanisha). Usawa huamua pembe ya mguso na hatua ya kapilari.

Pembe ya mguso θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (mlinganyo wa Young)

Mfano: Maji kwenye glasi yana θ ya chini (mshikamano > mshikamano) → huenea. Zebaki kwenye glasi ina θ ya juu (mshikamano >> mshikamano) → huunda shanga.

Majaribio ya kwanza ya kiasi juu ya mvutano wa uso

Mwanafizikia wa Ujerumani Segner alisoma sindano zinazoelea na aliona kuwa nyuso za maji hufanya kama utando uliokazwa. Alikokotoa nguvu lakini hakuwa na nadharia ya molekuli kuelezea jambo hilo.

Mlinganyo wa Young kwa pembe ya mguso

Mwanachuoni wa Uingereza Young alitoa uhusiano kati ya mvutano wa uso, pembe ya mguso, na kulowanisha: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Mlinganyo huu wa msingi bado unatumika leo katika sayansi ya vifaa na microfluidics.

Mlinganyo wa Young-Laplace kwa shinikizo

Laplace alitoa ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂), akionyesha kuwa nyuso zilizopindika zina tofauti za shinikizo. Inafafanua kwa nini mapovu madogo yana shinikizo la ndani la juu kuliko makubwa—muhimu kwa kuelewa fiziolojia ya mapafu na utulivu wa emulsi.

Nadharia ya molekuli ya mvutano wa uso

Mwanafizikia wa Uholanzi van der Waals alielezea mvutano wa uso kwa kutumia nguvu za intermolecular. Kazi yake juu ya mvuto wa molekuli ilimpatia Tuzo ya Nobel ya 1910 na kuweka msingi wa kuelewa kapilari, mshikamano, na hatua muhimu.

Monolayers na kemia ya uso

Langmuir alisoma filamu za molekuli kwenye nyuso za maji, na kuunda uwanja wa kemia ya uso. Kazi yake juu ya surfaktanti, adsorption, na mwelekeo wa molekuli ilimpatia Tuzo ya Nobel ya 1932. Filamu za Langmuir-Blodgett zimepewa jina lake.

Mvutano wa uso huamua kulowanisha, kuenea, na kushikamana:

• Uundaji wa rangi: Rekebisha γ hadi 25-35 mN/m kwa ueneaji bora kwenye substrati
• Uchapishaji wa wino: Wino lazima uwe na γ < substrati kwa kulowanisha (kawaida 25-40 mN/m)
• Matibabu ya korona: Huongeza nishati ya uso ya polima kutoka 30 → 50+ mN/m kwa kushikamana
• Mipako ya poda: Mvutano wa chini wa uso husaidia kusawazisha na kukuza mng'ao
• Mipako dhidi ya grafiti: γ ya chini (15-20 mN/m) huzuia ushikamano wa rangi
• Udhibiti wa ubora: Tensiometer ya pete ya du Noüy kwa uthabiti wa kundi kwa kundi

Sabuni hufanya kazi kwa kupunguza mvutano wa uso:

• Maji safi: γ = 72.8 mN/m (hayapenyezi vizuri kwenye vitambaa)
• Maji + sabuni: γ = 25-30 mN/m (hupenya, hulowanisha, huondoa mafuta)
• Mkusanyiko Muhimu wa Miseli (CMC): γ hushuka sana hadi CMC, kisha husawazika
• Wakala wa kulowanisha: Visafishaji vya viwandani hupunguza γ hadi <30 mN/m
• Kioevu cha kuoshea vyombo: Kimeundwa kwa γ ≈ 27-30 mN/m kwa kuondoa grisi
• Vinyunyizio vya dawa za kuulia wadudu: Ongeza surfaktanti ili kupunguza γ kwa ufunikaji bora wa majani

Mvutano wa kiolesura kati ya mafuta na maji huathiri uchimbaji:

• Mvutano wa kiolesura cha mafuta-maji: Kawaida 20-50 mN/m
• Upatikanaji wa Mafuta Ulioboreshwa (EOR): Dunga surfaktanti ili kupunguza γ hadi <0.01 mN/m
• γ ya chini → matone ya mafuta huemulsify → hutiririka kupitia mwamba wenye vinyweleo → upatikanaji ulioongezeka
• Tabia ya mafuta yasiyosafishwa: Maudhui ya kunukia huathiri mvutano wa uso
• Mtiririko wa bomba: γ ya chini hupunguza utulivu wa emulsi, husaidia kutenganisha
• Njia ya tone lililoning'inia hupima γ kwenye joto/shinikizo la hifadhi

Mvutano wa uso ni muhimu kwa michakato ya maisha:

• Surfaktanti ya mapafu: Hupunguza γ ya alveoli kutoka 70 hadi 25 mN/m, na kuzuia kuporomoka
• Watoto wachanga waliozaliwa kabla ya wakati: Ugonjwa wa shida ya kupumua kutokana na surfaktanti isiyotosha
• Utando wa seli: γ ya safu mbili ya lipidi ≈ 0.1-2 mN/m (chini sana kwa unyumbulifu)
• Plasma ya damu: γ ≈ 50-60 mN/m, huongezeka katika magonjwa (kisukari, atherosclerosis)
• Filamu ya machozi: Muundo wa tabaka nyingi na safu ya lipidi inayopunguza uvukizi
• Upumuaji wa wadudu: Mfumo wa trakea hutegemea mvutano wa uso kuzuia maji kuingia

Wadudu wa maji (Gerridae) hutumia mvutano wa juu wa uso wa maji (72.8 mN/m) kusaidia mara 15 ya uzito wao wa mwili. Miguu yao imefunikwa na nywele za nta ambazo ni superhydrophobic (pembe ya mguso >150°). Kila mguu huunda dimple kwenye uso wa maji, na mvutano wa uso hutoa nguvu ya juu. Ukiongeza sabuni (kupunguza γ hadi 30 mN/m), huzama mara moja!

Mvutano wa uso hufanya kazi kupunguza eneo la uso kwa kiasi fulani. Tufe lina eneo la chini kabisa la uso kwa kiasi chochote (usawa wa isoperimetric). Mapovu ya sabuni huonyesha hili vizuri: hewa ndani husukuma nje, mvutano wa uso huvuta ndani, na usawa huunda tufe kamili. Mapovu yasiyo ya duara (kama yale ya mchemraba kwenye fremu za waya) yana nishati ya juu na hayana utulivu.

Mapafu ya watoto wachanga yana surfaktanti ya mapafu (fosfolipidi + protini) ambayo hupunguza mvutano wa uso wa alveoli kutoka 70 hadi 25 mN/m. Bila hiyo, alveoli huporomoka wakati wa kutoa pumzi (atelectasis). Watoto wachanga waliozaliwa kabla ya wakati hawana surfaktanti ya kutosha, na kusababisha Ugonjwa wa Shida ya Kupumua (RDS). Kabla ya tiba ya surfaktanti ya sintetiki (miaka ya 1990), RDS ilikuwa sababu kuu ya vifo vya watoto wachanga. Sasa, viwango vya kuishi vinazidi 95%.

Mimina mvinyo kwenye glasi na utazame: matone huunda kwenye pande, hupanda juu, na huanguka chini tena—'machozi ya mvinyo'. Hii ni athari ya Marangoni: pombe huvukiza haraka kuliko maji, na kuunda gradient za mvutano wa uso (γ hutofautiana anga). Kioevu hutiririka kutoka maeneo ya γ ya chini hadi maeneo ya γ ya juu, na kuvuta mvinyo juu. Wakati matone yanapokuwa mazito ya kutosha, mvuto hushinda na huanguka. Mitiririko ya Marangoni ni muhimu katika kulehemu, kupaka, na ukuaji wa kioo.

Molekuli za sabuni ni amphiphilic: mkia wa hydrophobic (huchukia maji) + kichwa cha hydrophilic (hupenda maji). Katika suluhisho, mikia hutoka nje ya uso wa maji, na kuvuruga uhusiano wa hidrojeni na kupunguza γ kutoka 72 hadi 25-30 mN/m. Kwenye Mkusanyiko Muhimu wa Miseli (CMC), molekuli huunda miseli za duara na mikia ndani (ikitega mafuta) na vichwa nje. Hii ndiyo sababu sabuni huondoa grisi: mafuta huyeyushwa ndani ya miseli na kuoshwa.

Dondosha kioo cha kafuri kwenye maji na kitazunguka kwenye uso kama boti ndogo. Kafuri huyeyuka kwa njia isiyo ya ulinganifu, na kuunda gradient ya mvutano wa uso (γ ya juu nyuma, ya chini mbele). Uso huvuta kioo kuelekea maeneo ya γ ya juu—injini ya mvutano wa uso! Hii ilionyeshwa na mwanafizikia C.V. Boys mnamo 1890. Wanakemia wa kisasa hutumia msukumo kama huo wa Marangoni kwa microrobots na magari ya kupeleka dawa.

Huu ni uhusiano wa msingi wa kithermodinamiki, sio bahati mbaya. Kwa vipimo: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² na [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Zina vipimo vya msingi vinavyofanana! Kimwili: kuunda 1 m² ya uso mpya kunahitaji kazi = nguvu × umbali = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Kwa hivyo γ iliyopimwa kama nguvu/urefu ni sawa na γ iliyopimwa kama nishati/eneo. Maji @ 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (nambari sawa, tafsiri mbili).

Mshikamano: mvuto kati ya molekuli zinazofanana (maji-maji). Mshikamano: mvuto kati ya molekuli tofauti (maji-glasi). Mshikamano wa juu → mvutano wa juu wa uso → matone huunda shanga (zebaki kwenye glasi). Mshikamano wa juu ikilinganishwa na mshikamano → kioevu huenea (maji kwenye glasi safi). Usawa huamua pembe ya mguso θ kupitia mlinganyo wa Young: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Kulowanisha hutokea wakati θ < 90°; kuunda shanga wakati θ > 90°. Nyuso za superhydrophobic (jani la lotus) zina θ > 150°.

Molekuli za sabuni ni amphiphilic: mkia wa hydrophobic + kichwa cha hydrophilic. Kwenye kiolesura cha maji-hewa, mikia huelekea nje (ikiepuka maji), na vichwa huelekea ndani (vikivutiwa na maji). Hii huvuruga uhusiano wa hidrojeni kati ya molekuli za maji kwenye uso, na kupunguza mvutano wa uso kutoka 72.8 hadi 25-30 mN/m. γ ya chini huruhusu maji kulowanisha vitambaa na kupenya kwenye grisi. Kwenye Mkusanyiko Muhimu wa Miseli (CMC, kawaida 0.1-1%), molekuli huunda miseli ambazo huyeyusha mafuta.

Joto la juu huwapa molekuli nishati zaidi ya kinetiki, na kudhoofisha vivutio vya intermolecular (uhusiano wa hidrojeni, nguvu za van der Waals). Molekuli za uso zina mvuto mdogo wa ndani → mvutano wa chini wa uso. Kwa maji: γ hupungua ~0.15 mN/m kwa kila °C. Kwenye joto la muhimu (374°C kwa maji, 647 K), tofauti ya kioevu-gesi hupotea na γ → 0. Utawala wa Eötvös unahesabu hili: γ·V^(2/3) = k(T_c - T) ambapo V = kiasi cha molar, T_c = joto la muhimu.

Njia nne kuu: (1) Pete ya du Noüy: Pete ya platinamu huvutwa kutoka kwenye uso, nguvu hupimwa (ya kawaida zaidi, ±0.1 mN/m). (2) Sahani ya Wilhelmy: Sahani nyembamba iliyoning'inizwa inayogusa uso, nguvu hupimwa mfululizo (usahihi wa juu zaidi, ±0.01 mN/m). (3) Tone lililoning'inia: Umbo la tone huchambuliwa kwa macho kwa kutumia mlinganyo wa Young-Laplace (hufanya kazi kwa T/P za juu). (4) Kupanda kwa kapilari: Kioevu hupanda kwenye bomba jembamba, urefu hupimwa: γ = ρghr/(2cosθ) ambapo ρ = msongamano, h = urefu, r = radius, θ = pembe ya mguso.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) inaelezea tofauti ya shinikizo kwenye kiolesura kilichopindika. R₁ na R₂ ni radii kuu za mzingo. Kwa duara (povu, tone): ΔP = 2γ/R. Mapovu madogo yana shinikizo la ndani la juu kuliko makubwa. Mfano: tone la maji la 1 mm lina ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). Hii inaelezea kwa nini mapovu madogo kwenye povu hupungua (gesi huenea kutoka ndogo hadi kubwa) na kwa nini alveoli za mapafu zinahitaji surfaktanti (hupunguza γ ili zisiporomoke).

Zebaki: Mshikamano mkali (uhusiano wa metali, γ = 486 mN/m) >> mshikamano dhaifu kwa glasi → pembe ya mguso θ ≈ 140° → huunda shanga. Maji: Mshikamano wa wastani (uhusiano wa hidrojeni, γ = 72.8 mN/m) < mshikamano mkali kwa glasi (uhusiano wa hidrojeni na vikundi vya -OH vya uso) → θ ≈ 0-20° → huenea. Mlinganyo wa Young: cos θ = (γ_mango-mvuke - γ_mango-kioevu)/γ_kioevu-mvuke. Wakati mshikamano > mshikamano, cos θ > 0, kwa hivyo θ < 90° (kulowanisha).

Hapana. Mvutano wa uso daima ni chanya—inawakilisha gharama ya nishati kuunda eneo jipya la uso. γ hasi ingemaanisha kuwa nyuso zingepanuka zenyewe, na kukiuka thermodinamiki (entropi huongezeka, lakini awamu ya wingi ni thabiti zaidi). Hata hivyo, mvutano wa kiolesura kati ya vioevu viwili unaweza kuwa chini sana (karibu na sifuri): katika upatikanaji wa mafuta ulioboreshwa, surfaktanti hupunguza γ ya mafuta-maji hadi <0.01 mN/m, na kusababisha emulsification ya hiari. Katika hatua muhimu, γ = 0 haswa (tofauti ya kioevu-gesi hupotea).