انرژی سطح

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد

انرژی آزاد سطحی یا انرژی سطح کمیتی است که اختلال در پیوندهای بین مولکولی هنگام ایجاد یک سطح جدید را توصیف میکند. در فیزیک جامدات ، مولکولهای روی سطح انرژی بیشتری در مقایسه با مولکولهای موجود در بخش عمده (حجم) مواد دارند ، در غیر این صورت نیروی محرکه ای در حجم مواد ایجاد خواهد شد تا به سطح تبدیل شوند ، که در ادامه بخش عمده ای از مواد را از بین می برد (نگاه کنید به تصعید ). بنابراین ممکن است انرژی سطح به عنوان انرژی اضافی در سطح یک ماده نسبت به حجم (عمده) ماده تعریف شود یا این که کار مورد نیاز برای ساختن یک سطح جدید از یک سطح خاص (قدیمی) تعریف شود. راه دیگر برای درک و شهود انرژی سطح ، بررسی ارتباط آن با کار مورد نیاز برای برش یک نمونه حجم و ایجاد دو سطح جدید است.

برش یک جسم جامد به قطعات کوچکتر ، پیوندهای سطحی آن را ازبین می برد و بنابراین انرژی آزاد را افزایش می دهد. اگر برش به صورت برگشت پذیر انجام شود ،در نتیجه آن بقای انرژی به معنای آن است که انرژی حاصل از فرایند برش برابر با انرژی درونی در دو سطح جدید ایجاد شده خواهد بود. بنابراین ، مقدار انرژی سطح ماده می تواند حاصل از پیوستگی (چسبندگی) بین مواد باشد. در عمل ، همه این موارد برای حالتی است که جسم در خلا بریده شده باشد. سطوح اغلب شکل خود را به دور از مدل ساده "پیوند شکسته" که در بالا ذکر شد تغییر می دهند. به نظر می رسد که آنها مناطق بسیار پویا (دینامیکی) هستند که به راحتی و سریع ساختار بندی مجدد یا واکنش نشان می دهند ، به طوری که انرژی اغلب توسط فرایندهای منفعل یا جذب کاهش می یابد.

برای تعیین انرژی سطح یک ماده می توان از اندازه گیری زاویه تماس استفاده کرد.
برای تعیین انرژی سطح یک ماده می توان از اندازه گیری زاویه تماس استفاده کرد.

محاسبه انرژی سطح

اندازه گیری انرژی سطح با اندازه گیری زاویه تماس

متداول ترین روش اندازه گیری انرژی سطح از طریق آزمایش های زاویه تماس است.[۱] در این روش ، زاویه تماس سطح با چندین مایع ، معمولاً آب و دیودودمتان اندازه گیری می شود. با توجه به نتایج زاویه تماس و دانستن کشش سطحی مایعات ، می توان انرژی سطح را محاسبه کرد. در عمل ، این تجزیه و تحلیل به طور خودکار توسط یک زاویه تماس سنج انجام می شود.[۲]

چندین مدل مختلف برای محاسبه انرژی سطح بر اساس خواندن و روش اندازه گیری زاویه تماس وجود دارد.[۳] متداول ترین روش OWRK است که نیاز به استفاده از دو لیکویید پروب دارد و در نهایت انرژی کل سطح را می دهد و آن را به اجزای قطبی و پراکندگی تقسیم می کند.

وش زاویه تماس با توجه به سادگی ، کاربرد در طیف گسترده ای از سطوح و سرعت ، روش استاندارد اندازه گیری انرژی سطح محسوب میشود. این نوع اندازه گیری می تواند کاملاً خودکار و استاندارد شده باشد.[۴]

اندازه گیری انرژی سطح جامد - روش های دیگر

انرژی سطح یک مایع ممکن است با کشش یک غشای مایع (که باعث افزایش سطح و در نتیجه انرژی سطح می شود) اندازه گیری شود. در این حالت ، برای افزایش سطح یک توده مایع توسط یک مقدار ، δA ، یک مقدار کار ، γδA ، لازم است (در حالی که γ چگالی انرژی سطح مایع است). با این وجود ، از چنین روشی نمی توان برای اندازه گیری انرژی سطح جامد استفاده کرد زیرا کشش غشای جامد علاوه بر افزایش انرژی سطح ، باعث افزایش انرژی الاستیک در حجم ماده می شود.

انرژی سطح یک جامد معمولاً در دماهای بالا اندازه گیری می شود. در چنین دماهایی خزش جامد و حتی موقعیت سطح تغییر می کند ، اما با این حال حجم تقریباً ثابت است. اگر γ چگالی انرژی سطح میله استوانه ای شکل با شعاع و طول در دمای بالا و یک تنش تک محوره ثابت باشد درنهایت در معادله ، تغییرات کل انرژی آزاد هلملولتز حذف میشوند و ما خواهیم داشت:

در حالیکه که انرژی آزاد Helmholtz و سطح میله است:

همچنین ، از آنجا که حجم ( ) میله ثابت است ، تغییر ( ) حجم صفر است ، یعنی:

بنابراین ، چگالی انرژی سطح می تواند به صورت زیر بیان شود:

چگالی انرژی سطح جامد را می توان با جایگذاری ، و در معادله محاسبه کرد.

این روش تنها در صورتی معتبر است که جامد ایزوتروپیک باشد، به این معنی که انرژی سطح برای کلیه جهت های کریستالوگرافی (بلورنگاری) یکسان است. در حالی که این تنها برای مواد جامد آمورف (شیشه ای) و مایعات صادق است ، ایزوتروپی تقریب خوبی برای بسیاری از مواد دیگر است. به طور خاص ، اگر نمونه چند ضلعی باشد (بیشتر فلزات) یا توسط پودر (بیشتر سرامیک ها) ساخته شده است ، این یک تقریب خوب است.

محاسبه انرژی سطح جامد تغییر شکل یافته

در تغییر شکل مواد جامد ، می توان انرژی سطح را به عنوان "انرژی مورد نیاز برای ایجاد یک واحد سطح" تعریف کرد. در واقع انرژی سطح تابعی است از تفاوت بین کل انرژیهای سیستم قبل و بعد از تغییر شکل :

محاسبه انرژی سطح از اصول اولیه (برای مثال ، تئوری عملکردی چگالی) یک روش جایگزین برای اندازه گیری عملی است. انرژی سطح از متغیرهای زیر محاسبه می شود: عرض باند d ، تعداد الکترون های ظرفیتی لایه d ، و عدد هم آرایی (کوئوردیناسیون ) اتم ها در سطح و بخش عمده جامد.[۵]

محاسبه انرژی تشکیل سطح جامد کریستالی

در تئوری چگالی تابعی ، انرژی سطح را می توان از عبارت زیر محاسبه کرد:

درحالیکه که انرژی لایه سطح با استفاده از تئوری چگالی تابعی است. تعداد اتم ها در لایه سطح است. انرژی عمده ای برای هر اتم است. مساحت سطح است برای یک لایه دو سطح داریم و آنها از یک نوع هستند که با عدد 2 در مخرج خود را بروز میدهند. برای تضمین این امر ، باید دال (ورقه / لایه) را با دقت ایجاد کنیم تا مطمئن شویم که سطوح بالا و پایین از یک نوع هستند.

انرژی سطحی

حضور یک رابط ، کلیه پارامترهای ترمودینامیکی یک سیستم را تحت تأثیر قرار می دهد. دو مدل وجود دارد که معمولاً برای نشان دادن پدیده های سطحی استفاده می شود ، که عبارتند از مدل رابط ایده‌آل گیبس و مدل گوگنهایم است. به منظور نشان دادن ترمودینامیک یک سیستم میان سطحی با استفاده از مدل گیبس ، این سیستم را می توان به سه قسمت تقسیم کرد: دو مایع غیرقابل برگشت با حجم و و یک لایه مرزی بینهایت باریک معروف به صفحه تقسیم گیبس (σ) که این دو حجم را از هم جدا می کند.

مدل گوگنهایم. یک اینترفاز گسترده (سیگما) دو فاز آلفا و بتا را تقسیم می کند. گوگنهایم حجم منطقه بین سطحی را غیر قابل صرف نظر میداند (در نظر میگیرد) ، که به اندازه مدل گیبس کاربردی نیست.
مدل گیبس. مدل گیبس رابط را ایده‌آل (بدون حجم) فرض می کند به طوری که حجم کل سیستم فقط فاز های آلفا و بتا را شامل می شود.

حجم کل سیستم (مدل گیبس):

تمام مقادیر گسترده سیستم را می توان به عنوان مجموعه ای از سه مؤلفه نوشت: فاز حجمی a ، فاز حجمی b ، و رابط سیگما. برخی از مثال ها شامل انرژی داخلی ( ) تعداد مولکول های ماده د ام ( ) و آنتروپی ( )هستند:

در حالی که این کمیت ها می توانند بین هر مؤلفه ای متفاوت باشند ، مقدار کل درون سیستم ثابت است. در رابط ، این مقادیر ممکن است که با فازها متفاوت باشد. غلظت مولکولهای موجود در رابط را می توان چنین تعریف کرد:

این درحالیست که و غلظت ماده را به ترتیب در فاز های حجمی و نشان میدهند. میتوان تعریف جدیدی به اسم ارایه داد که به ما امکان می دهد تعداد مولکول ها در واحد سطح را توصیف کنیم:

تکنیک های تغییر انرژی سطح

متداول ترین پروتکل های اصلاح سطح عبارتند از: فعال سازی پلاسما ، عملیات شیمیایی مرطوب ، از جمله پیوند و روکش لایه های نازک.[۶][۷][۸]

تکنیک های زیادی برای تقویت ترشوندگی قابل استفاده است. از عملیات سطحی، مانند اصلاح کرونا ،[۹] اصلاح پلاسمایی و اسید اچینگ،[۱۰] می توان برای افزایش انرژی سطح بهره برد. برای کاهش انرژی سطح نیز می توان افزودنی هایی به مایع اضافه کرد. این روش اغلب در فرمولاسیون رنگ بکار می رود تا اطمینان حاصل شود که به طور مساوی روی یک سطح پخش خواهند شد.[۱۱]

جدول مقادیر انرژی سطحی

مواد گرایش انرژی سطح (mJ / m 2 )
Polytetrafluoroethylene (PTFE) [۱۲]19
شیشه [۱۳]83.4
گچ [۱۴]370
مس [۱۵]1650
اکسید منیزیم (100) صفحه [۱۶]1200
فلوراید کلسیم (111) صفحه [۱۶]450
لیتیوم فلوراید (100) صفحه [۱۶]340
کربنات کلسیم (1010) صفحه [۱۶]230
سدیم کلرید (100) صفحه [۱۷]300
سدیم کلرید (110) صفحه [۱۸]400
کلرید پتاسیم (100) صفحه [۱۷]110
فلوراید باریم (111) صفحه [۱۶]280
سیلیکون (111) صفحه [۱۶]1240

جستارهای وابسته

پیوند به بیرون

  1. انرژی آزاد سطح چیست؟
  2. زاویه تماس و انرژی سطح

منابع

  1. Marshall, Sally J.; Bayne, Stephen C.; Baier, Robert; Tomsia, Antoni P.; Marshall, Grayson W. (2010-02-01). "A review of adhesion science". Dental Materials. 26 (2): e11–e16. doi:10.1016/j.dental.2009.11.157. ISSN 0109-5641.
  2. Laurén، Susanna. «How To Measure Surface Free Energy?». blog.biolinscientific.com (به انگلیسی). دریافت‌شده در ۲۰۲۰-۰۱-۰۵.
  3. Scientific, Biolin. "Surface Free Energy | Measurements". www.biolinscientific.com. Retrieved 2020-01-05.
  4. 14:00-17:00. "ISO 19403-2:2017". ISO. Retrieved 2020-01-05.
  5. The Chemical Physics of Solid Surfaces (به english). 10 جلد. به کوشش D.P. Woodruff. Elsevier. 2002.
  6. Becker, Holger; Gärtner, Claudia (2008-01-01). "Polymer microfabrication technologies for microfluidic systems". Analytical and Bioanalytical Chemistry. 390 (1): 89–111. doi:10.1007/s00216-007-1692-2. ISSN 1618-2650.
  7. Mansky, P.; Liu, Y.; Huang, E.; Russell, T. P.; Hawker, C. (1997-03-07). "Controlling Polymer-Surface Interactions with Random Copolymer Brushes". Science. 275 (5305): 1458–1460. doi:10.1126/science.275.5305.1458. ISSN 0036-8075.
  8. Rastogi, Abhinav; Paik, Marvin Y.; Tanaka, Manabu; Ober, Christopher K. (2010-02-23). "Direct Patterning of Intrinsically Electron Beam Sensitive Polymer Brushes". ACS Nano. 4 (2): 771–780. doi:10.1021/nn901344u. ISSN 1936-0851.
  9. Sakata, Isao; Morita, Mitsuhiro; Tsuruta, Natsuhi; Morita, Kenzo (1993). "Activation of wood surface by corona treatment to improve adhesive bonding". Journal of Applied Polymer Science. 49 (7): 1251–1258. doi:10.1002/app.1993.070490714. ISSN 1097-4628.
  10. Rosales, J.I.; Marshall, G.W.; Marshall, S.J.; Watanabe, L.G.; Toledano, M.; Cabrerizo, M.A.; Osorio, R. (1999-09). "Acid-etching and Hydration Influence on Dentin Roughness and Wettability". Journal of Dental Research. 78 (9): 1554–1559. doi:10.1177/00220345990780091001. ISSN 0022-0345. Check date values in: |date= (help)
  11. Khan, Heena; Fell, John T; Macleod, Graeme S (2001-10-04). "The influence of additives on the spreading coefficient and adhesion of a film coating formulation to a model tablet surface". International Journal of Pharmaceutics. 227 (1): 113–119. doi:10.1016/S0378-5173(01)00789-X. ISSN 0378-5173.
  12. Adhesion & Adhesives - Science & Technology (به english). به کوشش Kinloch, A.J.. 1987.
  13. Rhee, S. K. (1977-04-01). "Surface energies of silicate glasses calculated from their wettability data". Journal of Materials Science. 12 (4): 823–824. doi:10.1007/BF00548176. ISSN 1573-4803.
  14. Dundon, Merle L.; Mack, Edward (1923-11-01). "THE SOLUBILITY AND SURFACE ENERGY OF CALCIUM SULFATE". Journal of the American Chemical Society. 45 (11): 2479–2485. doi:10.1021/ja01664a001. ISSN 0002-7863.
  15. Udin, Harry (1951-01-01). "Grain Boundary Effect in Surface Tension Measurement". JOM. 3 (1): 63–63. doi:10.1007/BF03398958. ISSN 1543-1851.
  16. ۱۶٫۰ ۱۶٫۱ ۱۶٫۲ ۱۶٫۳ ۱۶٫۴ ۱۶٫۵ Gilman, John J. (1960-12-01). "Direct Measurements of the Surface Energies of Crystals". Journal of Applied Physics. 31 (12): 2208–2218. doi:10.1063/1.1735524. ISSN 0021-8979.
  17. ۱۷٫۰ ۱۷٫۱ Physics and Chemistry of Interfaces (به english). به کوشش Butt, Hans-Jürgen, Kh Graf, and Michael Kappl. 2006.
  18. Lipsett, S. G.; Johnson, F. M. G.; Maass, O. (1927-04-01). "THE SURFACE ENERGY AND THE HEAT OF SOLUTION OF SOLID SODIUM CHLORIDE. I". Journal of the American Chemical Society. 49 (4): 925–943. doi:10.1021/ja01403a005. ISSN 0002-7863.