مائع کی سطح پر ایک لکیر کے ساتھ کام کرنے والی قوت

نیوٹن فی میٹر (N/m) یا ڈائن فی سینٹی میٹر (dyn/cm) میں ماپا جاتا ہے۔ اگر آپ ایک ایسے فریم کا تصور کریں جس کا ایک متحرک پہلو مائع فلم کے ساتھ رابطے میں ہو، تو سطحی تناؤ اس پہلو پر کھینچنے والی قوت ہے جسے اس کی لمبائی سے تقسیم کیا گیا ہے۔ یہ مکینیکل تعریف ہے۔

فارمولا: γ = F/L جہاں F = قوت، L = کنارے کی لمبائی

مثال: پانی @ 20°C = 72.8 mN/m کا مطلب ہے 0.0728 N قوت فی میٹر کنارے

نیا سطحی رقبہ بنانے کے لیے درکار توانائی

جول فی مربع میٹر (J/m²) یا ارگ فی مربع سینٹی میٹر (erg/cm²) میں ماپا جاتا ہے۔ نیا سطحی رقبہ بنانے کے لیے بین سالماتی قوتوں کے خلاف کام کی ضرورت ہوتی ہے۔ عددی طور پر سطحی تناؤ کے برابر ہے لیکن قوت کے نقطہ نظر کے بجائے توانائی کے نقطہ نظر کی نمائندگی کرتا ہے۔

فارمولا: γ = E/A جہاں E = توانائی، A = سطحی رقبے میں اضافہ

مثال: پانی @ 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (ایک ہی عدد، دوہری تشریح)

بین سالماتی قوتیں سطح کے رویے کا تعین کرتی ہیں

ہم آہنگی: یکساں مالیکیولز کے درمیان کشش (مائع-مائع)۔ چپکاؤ: مختلف مالیکیولز کے درمیان کشش (مائع-ٹھوس)۔ زیادہ ہم آہنگی → زیادہ سطحی تناؤ → بوندیں موتی بن جاتی ہیں۔ زیادہ چپکاؤ → مائع پھیلتا ہے (گیلا کرنا)۔ توازن رابطہ زاویہ اور کیپلری عمل کا تعین کرتا ہے۔

رابطہ زاویہ θ: cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (ینگ کا مساوات)

مثال: شیشے پر پانی کا θ کم ہوتا ہے (چپکاؤ > ہم آہنگی) → پھیلتا ہے۔ شیشے پر پارے کا θ زیادہ ہوتا ہے (ہم آہنگی >> چپکاؤ) → موتی بن جاتا ہے۔

سطحی تناؤ پر پہلے مقداری تجربات

جرمن ماہر طبیعیات سیگنر نے تیرتی ہوئی سوئیوں کا مطالعہ کیا اور مشاہدہ کیا کہ پانی کی سطحیں کھینچی ہوئی جھلیوں کی طرح برتاؤ کرتی ہیں۔ اس نے قوتوں کا حساب لگایا لیکن اس رجحان کی وضاحت کے لیے سالماتی نظریہ کی کمی تھی۔

رابطہ زاویہ کے لیے ینگ کا مساوات

برطانوی پولی میتھ ینگ نے سطحی تناؤ، رابطہ زاویہ، اور گیلے پن کے درمیان تعلق اخذ کیا: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV۔ یہ بنیادی مساوات آج بھی مادی سائنس اور مائیکرو فلوئیڈکس میں استعمال ہوتی ہے۔

دباؤ کے لیے ینگ-لاپلاس مساوات

لاپلاس نے ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) اخذ کیا جو یہ ظاہر کرتا ہے کہ خمیدہ انٹرفیس میں دباؤ کے فرق ہوتے ہیں۔ یہ وضاحت کرتا ہے کہ چھوٹے بلبلوں میں بڑے بلبلوں سے زیادہ اندرونی دباؤ کیوں ہوتا ہے—جو پھیپھڑوں کی فزیالوجی اور ایملشن کے استحکام کو سمجھنے کے لیے اہم ہے۔

سطحی تناؤ کا سالماتی نظریہ

ڈچ ماہر طبیعیات وان ڈیر والز نے بین سالماتی قوتوں کا استعمال کرتے ہوئے سطحی تناؤ کی وضاحت کی۔ سالماتی کشش پر ان کے کام نے 1910 کا نوبل انعام حاصل کیا اور کیپلیرٹی، چپکاؤ، اور نازک نقطہ کو سمجھنے کی بنیاد رکھی۔

مونولیئرز اور سطحی کیمسٹری

لینگموئیر نے پانی کی سطحوں پر سالماتی فلموں کا مطالعہ کیا، جس سے سطحی کیمسٹری کا شعبہ وجود میں آیا۔ سرفیکٹینٹس، جذب، اور سالماتی واقفیت پر ان کے کام نے 1932 کا نوبل انعام حاصل کیا۔ لینگموئیر-بلوجیٹ فلمیں ان کے نام پر رکھی گئی ہیں۔

سطحی تناؤ گیلے پن، پھیلاؤ، اور چپکاؤ کا تعین کرتا ہے:

• پینٹ کی تشکیل: سبسٹریٹس پر بہترین پھیلاؤ کے لیے γ کو 25-35 mN/m پر ایڈجسٹ کریں
• انک جیٹ پرنٹنگ: سیاہی میں گیلے پن کے لیے γ < سبسٹریٹ ہونا چاہیے (عام طور پر 25-40 mN/m)
• کورونا ٹریٹمنٹ: چپکاؤ کے لیے پولیمر کی سطحی توانائی کو 30 → 50+ mN/m تک بڑھاتا ہے
• پاؤڈر کوٹنگز: کم سطحی تناؤ ہموار کرنے اور چمک کی نشوونما میں مدد کرتا ہے
• اینٹی گرافٹی کوٹنگز: کم γ (15-20 mN/m) پینٹ کے چپکاؤ کو روکتا ہے
• کوالٹی کنٹرول: بیچ سے بیچ کی مستقل مزاجی کے لیے du Noüy رنگ ٹینسیومیٹر

ڈٹرجنٹ سطحی تناؤ کو کم کرکے کام کرتے ہیں:

• خالص پانی: γ = 72.8 mN/m (کپڑوں میں اچھی طرح سے داخل نہیں ہوتا)
• پانی + صابن: γ = 25-30 mN/m (داخل ہوتا ہے، گیلا کرتا ہے، تیل کو ہٹاتا ہے)
• کریٹیکل مائیسیل کنسنٹریشن (CMC): γ CMC تک تیزی سے گرتا ہے، پھر سطح مرتفع ہوجاتا ہے
• گیلا کرنے والے ایجنٹ: صنعتی کلینر γ کو <30 mN/m تک کم کرتے ہیں
• ڈش واشنگ مائع: چکنائی کو ہٹانے کے لیے γ ≈ 27-30 mN/m پر تیار کیا گیا ہے
• کیڑے مار دوا کے اسپرے: بہتر پتیوں کی کوریج کے لیے γ کو کم کرنے کے لیے سرفیکٹینٹس شامل کریں

تیل اور پانی کے درمیان انٹرفیشل تناؤ نکالنے پر اثر انداز ہوتا ہے:

• تیل-پانی کا انٹرفیشل تناؤ: عام طور پر 20-50 mN/m
• بہتر تیل کی بازیابی (EOR): γ کو <0.01 mN/m تک کم کرنے کے لیے سرفیکٹینٹس انجیکٹ کریں
• کم γ → تیل کی بوندیں ایملسیفائی ہوتی ہیں → غیر محفوظ چٹان سے بہتی ہیں → بازیابی میں اضافہ
• خام تیل کی خصوصیات: ارومیٹک مواد سطحی تناؤ پر اثر انداز ہوتا ہے
• پائپ لائن کا بہاؤ: کم γ ایملشن کے استحکام کو کم کرتا ہے، علیحدگی میں مدد کرتا ہے
• پینڈنٹ ڈراپ طریقہ ذخائر کے درجہ حرارت/دباؤ پر γ کی پیمائش کرتا ہے

سطحی تناؤ زندگی کے عمل کے لیے اہم ہے:

• پھیپھڑوں کا سرفیکٹینٹ: الیوولر γ کو 70 سے 25 mN/m تک کم کرتا ہے، گرنے سے بچاتا ہے
• قبل از وقت پیدا ہونے والے بچے: سرفیکٹینٹ کی کمی کی وجہ سے سانس کی تکلیف کا سنڈروم
• سیل کی جھلیاں: لپڈ بائلیئر γ ≈ 0.1-2 mN/m (لچک کے لیے بہت کم)
• خون کا پلازما: γ ≈ 50-60 mN/m، بیماری میں اضافہ (ذیابیطس، ایتھروسکلروسیس)
• آنسو کی فلم: لپڈ کی تہہ کے ساتھ کثیر پرتوں والا ڈھانچہ جو بخارات کو کم کرتا ہے
• کیڑوں کا سانس: ٹریچیل نظام پانی کے داخلے کو روکنے کے لیے سطحی تناؤ پر انحصار کرتا ہے

پانی کے کیڑے (Gerridae) پانی کے اعلی سطحی تناؤ (72.8 mN/m) کا فائدہ اٹھاتے ہوئے اپنے جسمانی وزن سے 15 گنا زیادہ وزن اٹھاتے ہیں۔ ان کی ٹانگیں مومی بالوں سے ڈھکی ہوتی ہیں جو سپر ہائیڈروفوبک ہوتی ہیں (رابطہ زاویہ >150°)۔ ہر ٹانگ پانی کی سطح میں ایک گڑھا بناتی ہے، اور سطحی تناؤ اوپر کی طرف قوت فراہم کرتا ہے۔ اگر آپ صابن شامل کریں (γ کو 30 mN/m تک کم کرتے ہوئے)، تو وہ فوراً ڈوب جاتے ہیں!

سطحی تناؤ دیئے گئے حجم کے لیے سطحی رقبہ کو کم سے کم کرنے کا کام کرتا ہے۔ کرہ کسی بھی حجم کے لیے کم سے کم سطحی رقبہ رکھتا ہے (آئسوپیریمیٹرک عدم مساوات)۔ صابن کے بلبلے اس کو خوبصورتی سے ظاہر کرتے ہیں: اندر کی ہوا باہر کی طرف دھکیلتی ہے، سطحی تناؤ اندر کی طرف کھینچتا ہے، اور توازن ایک کامل کرہ بناتا ہے۔ غیر کروی بلبلے (جیسے تار کے فریموں میں کیوبک) زیادہ توانائی رکھتے ہیں اور غیر مستحکم ہوتے ہیں۔

نوزائیدہ بچوں کے پھیپھڑوں میں پلمونری سرفیکٹینٹ (فاسفولیپڈز + پروٹین) ہوتا ہے جو الیوولر سطحی تناؤ کو 70 سے 25 mN/m تک کم کرتا ہے۔ اس کے بغیر، الیوولی سانس چھوڑنے کے دوران گر جاتے ہیں (ایٹیلیکٹیسس)۔ قبل از وقت پیدا ہونے والے بچوں میں کافی سرفیکٹینٹ کی کمی ہوتی ہے، جس کی وجہ سے سانس کی تکلیف کا سنڈروم (RDS) ہوتا ہے۔ مصنوعی سرفیکٹینٹ تھراپی (1990 کی دہائی) سے پہلے، RDS نوزائیدہ بچوں کی موت کی ایک بڑی وجہ تھی۔ اب، بقا کی شرح 95% سے تجاوز کر گئی ہے۔

ایک گلاس میں شراب ڈالیں اور دیکھیں: اطراف میں بوندیں بنتی ہیں، اوپر چڑھتی ہیں، اور پھر نیچے گرتی ہیں—'شراب کے آنسو'۔ یہ مارنگونی اثر ہے: الکحل پانی سے زیادہ تیزی سے بخارات بنتا ہے، جس سے سطحی تناؤ کا میلان پیدا ہوتا ہے (γ مقامی طور پر مختلف ہوتا ہے)۔ مائع کم-γ سے زیادہ-γ والے علاقوں کی طرف بہتا ہے، شراب کو اوپر کھینچتا ہے۔ جب بوندیں کافی بھاری ہوجاتی ہیں، تو کشش ثقل جیت جاتی ہے اور وہ گر جاتی ہیں۔ مارنگونی بہاؤ ویلڈنگ، کوٹنگ، اور کرسٹل کی نشوونما میں اہم ہیں۔

صابن کے مالیکیول ایمفیفیلک ہوتے ہیں: ہائیڈروفوبک دم (پانی سے نفرت کرتی ہے) + ہائیڈروفیلک سر (پانی سے محبت کرتا ہے)۔ محلول میں، دمیں پانی کی سطح سے باہر نکلتی ہیں، ہائیڈروجن بانڈنگ میں خلل ڈالتی ہیں اور γ کو 72 سے 25-30 mN/m تک کم کرتی ہیں۔ کریٹیکل مائیسیل کنسنٹریشن (CMC) پر، مالیکیول کروی مائیسیل بناتے ہیں جن کی دمیں اندر (تیل کو پھنساتی ہیں) اور سر باہر ہوتے ہیں۔ یہی وجہ ہے کہ صابن چکنائی کو ہٹاتا ہے: تیل مائیسیل کے اندر حل ہوجاتا ہے اور دھل جاتا ہے۔

پانی پر کافور کا ایک کرسٹل گرائیں اور یہ سطح پر ایک چھوٹی کشتی کی طرح گھومتا ہے۔ کافور غیر متناسب طور پر گھلتا ہے، جس سے سطحی تناؤ کا میلان پیدا ہوتا ہے (پیچھے زیادہ γ، آگے کم)۔ سطح کرسٹل کو زیادہ-γ والے علاقوں کی طرف کھینچتی ہے—ایک سطحی تناؤ کی موٹر! یہ 1890 میں ماہر طبیعیات C.V. Boys نے دکھایا تھا۔ جدید کیمیا دان مائیکرو روبوٹس اور دواؤں کی ترسیل کی گاڑیوں کے لیے اسی طرح کا مارنگونی پروپلشن استعمال کرتے ہیں۔

یہ ایک بنیادی تھرموڈینامک تعلق ہے، کوئی اتفاق نہیں۔ جہتی طور پر: [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² اور [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s²۔ ان کی بنیادی جہتیں یکساں ہیں! طبیعی طور پر: 1 m² نئی سطح بنانے کے لیے کام = قوت × فاصلہ = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J۔ لہذا γ جو قوت/لمبائی کے طور پر ماپا جاتا ہے وہ γ کے برابر ہے جو توانائی/رقبہ کے طور پر ماپا جاتا ہے۔ پانی @ 20°C: 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (ایک ہی عدد، دوہری تشریح)۔

ہم آہنگی: یکساں مالیکیولز کے درمیان کشش (پانی-پانی)۔ چپکاؤ: مختلف مالیکیولز کے درمیان کشش (پانی-شیشہ)۔ زیادہ ہم آہنگی → زیادہ سطحی تناؤ → بوندیں موتی بن جاتی ہیں (شیشے پر پارہ)۔ ہم آہنگی کے مقابلے میں زیادہ چپکاؤ → مائع پھیلتا ہے (صاف شیشے پر پانی)۔ توازن ینگ کے مساوات کے ذریعے رابطہ زاویہ θ کا تعین کرتا ہے: cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV۔ گیلا پن تب ہوتا ہے جب θ < 90°؛ موتی بننا تب ہوتا ہے جب θ > 90°۔ سپر ہائیڈروفوبک سطحیں (کنول کا پتا) کا θ > 150° ہوتا ہے۔

صابن کے مالیکیول ایمفیفیلک ہوتے ہیں: ہائیڈروفوبک دم + ہائیڈروفیلک سر۔ پانی-ہوا کے انٹرفیس پر، دمیں باہر کی طرف رخ کرتی ہیں (پانی سے بچتے ہوئے)، سر اندر کی طرف رخ کرتے ہیں (پانی کی طرف متوجہ ہوتے ہیں)۔ یہ سطح پر پانی کے مالیکیولز کے درمیان ہائیڈروجن بانڈنگ میں خلل ڈالتا ہے، سطحی تناؤ کو 72.8 سے 25-30 mN/m تک کم کرتا ہے۔ کم γ پانی کو کپڑوں کو گیلا کرنے اور چکنائی میں داخل ہونے دیتا ہے۔ کریٹیکل مائیسیل کنسنٹریشن (CMC، عام طور پر 0.1-1%) پر، مالیکیول مائیسیل بناتے ہیں جو تیل کو حل کرتے ہیں۔

زیادہ درجہ حرارت مالیکیولز کو زیادہ حرکی توانائی دیتا ہے، جس سے بین سالماتی کشش (ہائیڈروجن بانڈز، وان ڈیر والز قوتیں) کمزور ہوتی ہیں۔ سطح کے مالیکیولز میں کم خالص اندرونی کھنچاؤ ہوتا ہے → کم سطحی تناؤ۔ پانی کے لیے: γ ~0.15 mN/m فی °C کم ہوتا ہے۔ نازک درجہ حرارت پر (پانی کے لیے 374°C، 647 K)، مائع-گیس کا امتیاز ختم ہوجاتا ہے اور γ → 0۔ Eötvös کا اصول اس کی مقدار بیان کرتا ہے: γ·V^(2/3) = k(T_c - T) جہاں V = مولر حجم، T_c = نازک درجہ حرارت۔

چار اہم طریقے: (1) Du Noüy رنگ: پلاٹینم کی انگوٹھی کو سطح سے کھینچا جاتا ہے، قوت کی پیمائش کی جاتی ہے (سب سے عام، ±0.1 mN/m)۔ (2) Wilhelmy پلیٹ: ایک پتلی پلیٹ کو سطح کو چھوتے ہوئے لٹکایا جاتا ہے، قوت کو مسلسل ماپا جاتا ہے (سب سے زیادہ درستگی، ±0.01 mN/m)۔ (3) پینڈنٹ ڈراپ: بوند کی شکل کا ینگ-لاپلاس مساوات کا استعمال کرتے ہوئے نظریاتی طور پر تجزیہ کیا جاتا ہے (اعلی T/P پر کام کرتا ہے)۔ (4) کیپلری رائز: مائع ایک تنگ ٹیوب میں چڑھتا ہے، اونچائی کی پیمائش کی جاتی ہے: γ = ρghr/(2cosθ) جہاں ρ = کثافت، h = اونچائی، r = رداس، θ = رابطہ زاویہ۔

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) ایک خمیدہ انٹرفیس کے پار دباؤ کے فرق کو بیان کرتا ہے۔ R₁, R₂ گھماؤ کے بنیادی رداس ہیں۔ ایک کرہ کے لیے (بلبلہ، بوند): ΔP = 2γ/R۔ چھوٹے بلبلوں میں بڑے بلبلوں سے زیادہ اندرونی دباؤ ہوتا ہے۔ مثال: 1 ملی میٹر پانی کی بوند کا ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm) ہے۔ یہ وضاحت کرتا ہے کہ فوم میں چھوٹے بلبلے کیوں سکڑتے ہیں (گیس چھوٹے سے بڑے کی طرف پھیلتی ہے) اور پھیپھڑوں کے الیوولی کو سرفیکٹینٹ کی ضرورت کیوں ہوتی ہے (γ کو کم کرتا ہے تاکہ وہ گر نہ جائیں)۔

پارہ: مضبوط ہم آہنگی (دھاتی بانڈنگ، γ = 486 mN/m) >> شیشے سے کمزور چپکاؤ → رابطہ زاویہ θ ≈ 140° → موتی بناتا ہے۔ پانی: معتدل ہم آہنگی (ہائیڈروجن بانڈنگ، γ = 72.8 mN/m) < شیشے سے مضبوط چپکاؤ (سطح -OH گروپوں کے ساتھ ہائیڈروجن بانڈز) → θ ≈ 0-20° → پھیلتا ہے۔ ینگ کا مساوات: cos θ = (γ_ٹھوس-بخارات - γ_ٹھوس-مائع)/γ_مائع-بخارات۔ جب چپکاؤ > ہم آہنگی، cos θ > 0، لہذا θ < 90° (گیلا پن)۔

نہیں۔ سطحی تناؤ ہمیشہ مثبت ہوتا ہے—یہ نئی سطحی رقبہ بنانے کی توانائی کی لاگت کی نمائندگی کرتا ہے۔ منفی γ کا مطلب یہ ہوگا کہ سطحیں خود بخود پھیل جائیں گی، جو تھرموڈینامکس کی خلاف ورزی ہے (اینٹروپی بڑھتی ہے، لیکن بلک فیز زیادہ مستحکم ہے)۔ تاہم، دو مائعات کے درمیان انٹرفیشل تناؤ بہت کم (صفر کے قریب) ہو سکتا ہے: بہتر تیل کی بازیابی میں، سرفیکٹینٹس تیل-پانی کے γ کو <0.01 mN/m تک کم کرتے ہیں، جس سے خود بخود ایملسیفیکیشن ہوتا ہے۔ نازک نقطہ پر، γ = 0 بالکل (مائع-گیس کا امتیاز ختم ہوجاتا ہے)۔