Surface Tension and Wetting

Чому рідини утворюють краплі взагалі?

Молекули всередині рідини рівномірно притягуються до сусідніх молекул з усіх боків, але молекули на поверхні мають сусідів лише з одного боку, що створює в них чисту внутрішню силу тяжіння. Рідина мінімізує цей дисбаланс, мінімізуючи площу поверхні, що для краплини без інших сил означає притягування до сфери. Ця внутрішня сила, виміряна як енергія на одиницю площі або еквівалентно сила на одиницю довжини, є поверхневою напругою, а для чистої води за кімнатної температури вона становить приблизно 72 міліньютон на метр — надзвичайно високе значення для рідини, завдяки водневим зв’язкам між молекулами води.

Рівняння Юнга: три напруги в рівновазі

Розмістіть краплю рідини на твердій поверхні, і з'явиться нова рівновага на лінії, де зустрічаються рідина, тверда речовина та навколишній повітр –. Томас Юнг описав це в 1805 році як рівновагу між трьома інтерфейсними напругами, і кут, під яким край краплі утворює поверхню — кут контакту — визначає цю рівновагу:

γ_СВ = γ_СЛ + γ_РВ * cos(θ) (Рівняння Юнга) γ_СВ = напруга на межі тверде-вихідний газ γ_СЛ = напруга на межі тверде-рідина γ_РВ = поверхнева напруга рідини (що знижує поверхню) θ = кут рівноваги контакту Малий кут контакту означає, що інтерфейс між рідиною та твердою речовиною є енергетично сприятливим, тому крапля розтікається, щоб максимізувати контакт із поверхнею. Великий кут контакту означає протилежне: рідина б хотіла мінімізувати контакт із твердою речовиною, тому вона збирається у високу краплю.

gamma_SV = gamma_SL + gamma_LV * cos(theta)      (Young's equation)

gamma_SV = solid-vapour interfacial tension
gamma_SL = solid-liquid interfacial tension
gamma_LV = liquid-vapour surface tension (what surfactant lowers)
theta    = the equilibrium contact angle

жива демонстрація · пов'язана симуляція● LIVE

Гідрофобні проти гідрофілічних поверхонь

Поверхності класифікуються за величиною кута контакту води, який утримується на 90 градусах. Чисті скляні або оксидні поверхні, хімічні зв’язки з якими легко утворюються з полярних молекул води, є гідрофільними та тягнуться до кута контакту значно нижче 90 градусів, розтікаючи воду в тонкий шар. Парафін, багато пластиків і верхній шар автомобіля після полірування представляють неполярну поверхню з низькою енергією, з якої вода погано зв’язується, тому вони утримуються гідрофобними, за кутом контакту більше 90 градусів. Лист лотосу ще далі відштовхує це, поєднуючи восковий гідрофобний покриття та мікроскопічну текстуру поверхні для досягнення кута контакту вище 150 градусів — основа терміну «супергідрофобний» і більшості сучасних самоочисних покриттів.

Як поверхневий агент знижує кут нахилу

Молекула поверхнево-активного засобу з гідрофільним головком і гідрофобною хвостом дозволяє їй знаходитися безпосередньо на межі рідина-пара – це точно термін гамма_LV в рівнянні Юнга. Підвищення концентрації поверхнево-активного засобу до критичної міцельної концентрації призводить до різкого зниження гамма_LV — 72 мН/м для чистої води може зменшитися до приблизно 25-35 мН/м для типового миючого розчину. Повернувшись до рівняння Юнга, зменшення гамма_LV при фіксованих твердих термінах змушує cos(θ) збільшуватися, що означає, що кут θ також зменшується: такий же краплю, яка утворювала краплю на полірованому кожуху, розповсюджується в тонкий лист після розчинення достатньої кількості поверхнево-активного засобу в ній. Понад CMC додаткові поверхнево-активні речовини переважно утворюють більше міцелл у масовій рідині, а не ще більше знижують гамма_LV, тому покращення змочуваності вирівнюється на цій концентрації.

Чому це має значення за межами пральної кімнати

Одна й та сама система рівнянь Юнга діє при злитті фарби на стіні, змочуванні чорнила паперу, покритті пестицидами листя та утримання краплі дощу на лобовому склі замість того, щоб стікати. Інженери навмисно налаштовують поверхневу хімію — додаючи поверхнево-активну речовину в бакову систему, текстуруючи покриття або окислюючи метал — щоб змусити кут контакту йти в потрібному напрямку для застосування, використовуючи цей баланс із трьох напружень як елемент проектування.

Часті запитання

Який кут дотику вважається змочуванням проти незмочування?

Якщо кут дотику нижче 90 градусів, поверхня вважається гідрофільною та здатна до змочування; якщо кут дотику вище 90 градусів, вона є гідрофобною та незмочуваною. Супергідрофобні поверхні мають кут дотику, що перевищує приблизно 150 градусів, де краплі майже ідеально сферичні та відливають навіть при найменшому нахилі.

Чому миючий розчин з милом поширюється далі, ніж просто вода?

Поверхнево-активні речовини знижують термін поверхненої напруги у рівнянні Юнга, що зміщує баланс сил до поширення та зменшує рівноважний кут дотику. Та сама крапля води, яка стікала у вигляді крапель, розтікається в тонкий крапельний плин, коли достатньо поверхнево-активної речовини розчинено в ній.

Чи завжди додавання більшої кількості поверхнево-активних речовин знижує поверхневу напругу?

Ні. Поверхнева напруга різко падає, коли концентрація зростає до критичної міцелярної концентрації, а потім майже повністю вирівнюється. Після досягнення CMC додаткові молекули поверхнево-активних речовин утворюють міцелі в масиві рідини замість того, щоб ще більше наближати їх до поверхні, тому використання миючих засобів значно вище за значення CMC не приносить користі.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Surface Tension and Wetting і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.

▶ Відкрити симуляцію Surface Tension and Wetting

Поверхневий Натяг та Змочування: Як Миючі Засоби Змінюють Кут