التصاق

تملأ المواد اللاصقة الفراغات أو المسامات الموجودة على الأسطح، وتربطها ببعضها البعض عن طريق التشابك . وتُلاحظ ظواهر تشابك أخرى على نطاقات طولية مختلفة. فالخياطة مثال على مادتين تُشكلان رابطة ميكانيكية واسعة النطاق، بينما يُشكل الفيلكرو رابطة ميكانيكية متوسطة النطاق، وتُشكل بعض المواد اللاصقة النسيجية رابطة ميكانيكية صغيرة النطاق.

قد تتحد مادتان لتكوين مركب عند نقطة اتصالهما. وتكون أقوى الروابط عندما تتشارك ذرات المادتين الإلكترونات أو تتبادلها (وهي ما يُعرف على التوالي بالرابطة التساهمية أو الرابطة الأيونية ). أما الرابطة الأضعف فتتكون عندما تنجذب ذرة هيدروجين في جزيء ما إلى ذرة نيتروجين أو أكسجين أو فلور في جزيء آخر، وهي ظاهرة تُسمى الرابطة الهيدروجينية .

يحدث الالتصاق الكيميائي عندما تُكوّن ذرات سطحين منفصلين روابط أيونية أو تساهمية أو هيدروجينية. والمبدأ الهندسي الكامن وراء الالتصاق الكيميائي في هذا السياق واضحٌ تمامًا: إذا كانت جزيئات السطح قادرة على الارتباط، فإن السطحين سيرتبطان معًا بشبكة من هذه الروابط. تجدر الإشارة إلى أن قوى التجاذب الأيونية والتساهمية هذه لا تكون فعّالة إلا على مسافات صغيرة جدًا - أقل من نانومتر . وهذا يعني عمومًا أنه ليس من الضروري فقط تقريب الأسطح التي لديها القدرة على تكوين روابط كيميائية من بعضها البعض، بل إن هذه الروابط تكون هشة نسبيًا، نظرًا لضرورة إبقاء السطحين متقاربين. ^{[ 3 ]}

في الالتصاق التشتتي، المعروف أيضًا بالامتزاز الفيزيائي ، ترتبط مادتان معًا بقوى فان دير فالس : وهي قوى تجاذب بين جزيئين، لكل منهما منطقة ذات شحنة موجبة وأخرى سالبة طفيفة. في الحالة البسيطة، تكون هذه الجزيئات قطبية بالنسبة لمتوسط ​​كثافة الشحنة ، بينما في الجزيئات الأكبر أو الأكثر تعقيدًا، قد توجد عدة "أقطاب" أو مناطق ذات شحنة موجبة أو سالبة أكبر. قد تكون هذه الأقطاب الموجبة والسالبة خاصية دائمة للجزيء ( قوى كيسوم ) أو تأثيرًا عابرًا يمكن أن يحدث في أي جزيء، حيث أن الحركة العشوائية للإلكترونات داخل الجزيئات قد تؤدي إلى تركيز مؤقت للإلكترونات في منطقة واحدة ( قوى لندن ).

في علم الأسطح ، يشير مصطلح الالتصاق في أغلب الأحيان إلى الالتصاق التشتتي. في نظام نموذجي ثلاثي الأطوار (صلب-سائل-غاز) (مثل قطرة سائل على سطح صلب محاط بالهواء)، تُستخدم زاوية التلامس لتقييم الالتصاق بشكل غير مباشر، بينما يسمح ميزان الالتصاق المركزي ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} بإجراء قياسات كمية مباشرة للالتصاق. عمومًا، تُعتبر الحالات التي تكون فيها زاوية التلامس منخفضة ذات التصاق أعلى لكل وحدة مساحة. يفترض هذا النهج أن انخفاض زاوية التلامس يتوافق مع طاقة سطحية أعلى. ^{[ 9 ]} نظريًا، العلاقة الأكثر دقة بين زاوية التلامس وشغل الالتصاق أكثر تعقيدًا، وتُعطى بمعادلة يونغ-دوبري . زاوية التلامس في النظام ثلاثي الأطوار ليست دالةً للالتصاق التشتتي (التفاعل بين جزيئات السائل وجزيئات المادة الصلبة) فحسب، بل أيضًا للتماسك (التفاعل بين جزيئات السائل نفسها). يؤدي الالتصاق القوي والتماسك الضعيف إلى درجة عالية من التبلل ، وهي حالة محبة للماء ذات زوايا تلامس منخفضة. وعلى العكس، يؤدي الالتصاق الضعيف والتماسك القوي إلى حالة كارهة للماء ذات زوايا تلامس عالية وتبلل ضعيف.

تُعدّ قوى تشتت لندن مفيدةً بشكلٍ خاص لوظيفة الأجهزة اللاصقة ، لأنها لا تتطلب وجود قطبية دائمة على أيٍّ من السطحين. وقد وصفها فريتز لندن في ثلاثينيات القرن العشرين ، ولاحظها العديد من الباحثين. تُعتبر قوى التشتت نتيجةً لميكانيكا الكم الإحصائية . افترض لندن أن قوى التجاذب بين الجزيئات، التي لا يُمكن تفسيرها بالتفاعل الأيوني أو التساهمي، يُمكن أن تنشأ عن العزوم القطبية داخل الجزيئات. يُمكن أن تُفسّر العزوم القطبية المتعددة التجاذب بين الجزيئات التي تمتلك عزومًا قطبية متعددة دائمة تُشارك في التفاعل الكهروستاتيكي . ومع ذلك، أظهرت البيانات التجريبية أن العديد من المركبات التي لوحظ أنها تخضع لقوى فان دير فالس لا تحتوي على أي عزوم قطبية متعددة على الإطلاق. اقترح لندن أن ثنائيات الأقطاب اللحظية تُستحثّ فقط بسبب تقارب الجزيئات من بعضها البعض. من خلال حلّ نظام ميكانيكا الكم لإلكترونين كمذبذبين توافقيين على مسافة محدودة من بعضهما البعض، مُزاحين حول مواضع سكونهما ويتفاعلان مع مجالات بعضهما البعض، بيّن لندن أن طاقة هذا النظام تُعطى بالمعادلة التالية:

${\displaystyle E=3h\nu -{\frac {3}{4}}{\frac {h\nu \alpha ^{2}}{R^{6}}}}$

بينما يُمثل الحد الأول طاقة نقطة الصفر ، يصف الحد الثاني السالب قوة تجاذب بين المذبذبات المتجاورة. ويمكن تعميم هذه الحجة على عدد كبير من المذبذبات المتصلة، وبالتالي تتجنب المشكلات التي قد تُبطل تأثيرات التجاذب واسعة النطاق الناتجة عن إلغاء ثنائيات الأقطاب الدائمة بفعل التناظر، على وجه الخصوص.

للطبيعة التراكمية لتأثير التشتت نتيجة مفيدة أخرى. لنفترض وجود ثنائي قطب تشتتي واحد ، يُشار إليه بثنائي القطب الأصلي. بما أن أي ثنائي قطب أصلي يكون موجهاً بطبيعته بحيث ينجذب إلى ثنائيات الأقطاب المجاورة التي يُحدثها، بينما لا ترتبط ثنائيات الأقطاب الأخرى الأبعد بثنائي القطب الأصلي بأي علاقة طورية (وبالتالي لا تُساهم في المتوسط ​​بشيء)، فإن هناك قوة جذب صافية في كتلة من هذه الجسيمات. عند النظر إلى جسيمات متطابقة، تُسمى هذه القوة قوة التماسك. ^{[ 10 ]}

عند مناقشة الالتصاق، يجب تحويل هذه النظرية إلى مصطلحات تتعلق بالأسطح. إذا كانت هناك طاقة تجاذب صافية للتماسك في كتلة من الجزيئات المتشابهة، فإن تقسيم هذه الكتلة لإنتاج سطحين سيؤدي إلى سطحين ذوي طاقة سطحية تشتتية، لأن شكل الطاقة يبقى كما هو. توفر هذه النظرية أساسًا لوجود قوى فان دير فالس على السطح، والتي توجد بين أي جزيئات تحتوي على إلكترونات . يمكن ملاحظة هذه القوى بسهولة من خلال القفز التلقائي للأسطح الملساء للتلامس . لا تبقى الأسطح الملساء للميكا والذهب والبوليمرات المختلفة ومحاليل الجيلاتين الصلبة منفصلة عندما تصبح المسافة بينها صغيرة بما يكفي - في حدود 1-10  نانومتر. تم التنبؤ بالمعادلة التي تصف هذه التجاذبات في ثلاثينيات القرن العشرين بواسطة دي بوير وهاماكر: ^{[ 3 ]}

${\displaystyle {\frac {P}{area}}=-{\frac {A}{24\pi z^{3}}}}$

حيث P هي القوة (سالبة للتجاذب)، و z هي مسافة الفصل، و A هو ثابت خاص بالمادة يسمى ثابت هامكر .

يظهر هذا التأثير بوضوح في التجارب التي تُصنع فيها طوابع من مادة بولي ثنائي ميثيل سيلوكسان (PDMS) ذات هياكل أعمدة دورية صغيرة. يُوضع السطح الحامل للأعمدة مقلوبًا على سطح أملس، بحيث ترتفع المساحة بين كل عمودين فوق السطح الأملس، كما لو كان سقفًا مدعومًا بأعمدة. وبسبب قوى التجاذب التشتتية هذه بين مادة PDMS والركيزة الملساء، ينهار السطح المرتفع - أو "السقف" - على الركيزة دون أي قوة خارجية باستثناء قوى فان دير فالس. ^{[ 11 ]} تُستخدم أسطح البوليمر الملساء البسيطة - الخالية من أي بنى مجهرية - بشكل شائع لهذه الخصائص اللاصقة التشتتية. تُعد الملصقات التي تلتصق بالزجاج دون استخدام أي مواد لاصقة كيميائية شائعة الاستخدام في الألعاب والزينة، كما أنها مفيدة كملصقات قابلة للإزالة لأنها لا تفقد خصائصها اللاصقة بسرعة، على عكس الأشرطة اللاصقة التي تستخدم مركبات كيميائية لاصقة.

تؤثر هذه القوى أيضًا على مسافات متناهية الصغر؛ إذ يُنجز 99% من العمل اللازم لكسر روابط فان دير فالس بمجرد أن تتباعد الأسطح مسافة تزيد عن نانومتر واحد. ^{[ 3 ]} ونتيجةً لهذه الحركة المحدودة في كلٍّ من روابط فان دير فالس والروابط الأيونية/التساهمية، فإن فعالية الالتصاق العملية الناتجة عن أيٍّ من هذين التفاعلين أو كليهما لا تزال دون المستوى المطلوب. وبمجرد بدء تشكل الشق، ينتشر بسهولة على طول السطح البيني نظرًا لهشاشة الروابط البينية. ^{[ 12 ]}

ونتيجةً لذلك، فإن زيادة مساحة السطح غالبًا ما لا تُحسّن قوة الالتصاق في هذه الحالة. ويعود ذلك إلى فشل التصدع المذكور آنفًا، حيث لا يتوزع الإجهاد عند السطح الفاصل بشكل منتظم، بل يتركز في منطقة الفشل. ^{[ 3 ]}

قد تسمح بعض المواد الموصلة بمرور الإلكترونات لتكوين فرق في الشحنة الكهربائية عند نقطة الالتقاء. ينتج عن ذلك بنية مشابهة للمكثف ، مما يخلق قوة تجاذب كهروستاتيكية بين المواد.

قد تندمج بعض المواد عند نقطة الالتقاء عن طريق الانتشار . يحدث هذا عندما تكون جزيئات المادتين متحركة وقابلة للذوبان في بعضها البعض. ويكون هذا فعالاً بشكل خاص مع سلاسل البوليمر حيث ينتشر أحد طرفي الجزيء في المادة الأخرى. وهي أيضاً الآلية المستخدمة في التلبيد . فعند ضغط مساحيق المعادن أو السيراميك معاً وتسخينها، تنتشر الذرات من جسيم إلى آخر، مما يؤدي إلى دمج الجسيمات في جسيم واحد. ^{[ 13 ]}

تُشبه قوى الانتشار إلى حدٍ ما الربط الميكانيكي على المستوى الجزيئي. يحدث الترابط الانتشارى عندما تخترق جزيئات من سطحٍ ما سطحًا مجاورًا مع بقائها مرتبطةً بطور سطحها الأصلي. ومن الأمثلة التوضيحية على ذلك أسطح البوليمرات المتداخلة. ينتج الترابط الانتشارى في هذه الأسطح عن تداخل أجزاء من سلاسل البوليمر من سطحٍ ما مع تلك الموجودة على سطحٍ مجاور. تؤثر حرية حركة البوليمرات تأثيرًا كبيرًا على قدرتها على التداخل، وبالتالي على الترابط الانتشارى. فعلى سبيل المثال، تكون البوليمرات المتشابكة أقل قدرةً على الانتشار والتداخل لأنها مرتبطة ببعضها عند نقاط تلامس متعددة، ولا تتمتع بحرية الالتفاف إلى السطح المجاور. أما البوليمرات غير المتشابكة ( اللدائن الحرارية )، فهي أكثر حريةً في التسلل إلى الطور المجاور عن طريق مدّ ذيول وحلقات عبر السطح البيني.

من الظروف الأخرى التي يحدث فيها الترابط الانتشارى ظاهرة "التقطيع". تقطيع السلاسل هو قطع سلاسل البوليمر، مما يؤدي إلى زيادة تركيز النهايات الطرفية . ويؤدي هذا التركيز المتزايد لنهايات السلاسل إلى زيادة تركيز ذيول البوليمر الممتدة عبر السطح البيني. ويمكن تحقيق التقطيع بسهولة عن طريق التعريض للأشعة فوق البنفسجية في وجود غاز الأكسجين، مما يشير إلى أن الأجهزة اللاصقة التي تستخدم الترابط الانتشارى تستفيد بالفعل من التعرض المطول للحرارة/الضوء والهواء. فكلما طالت مدة تعرض الجهاز لهذه الظروف، زاد عدد الذيول المتقطعة والمتفرعة عبر السطح البيني.

بمجرد عبور السطح الفاصل، تُشكّل الذيول والحلقات أي روابط مُلائمة. في حالة أسطح البوليمرات المتداخلة، يعني هذا زيادة قوى فان دير فالس. ورغم أن هذه الروابط قد تكون هشة، إلا أنها قوية للغاية عند تكوّن شبكة واسعة منها. تلعب الطبقة الخارجية لكل سطح دورًا حاسمًا في خصائص الالتصاق لهذه الأسطح الفاصلة، إذ أن حتى مقدارًا ضئيلاً من التداخل - مجرد ذيل أو ذيلين بطول 1.25 أنغستروم - يُمكن أن يزيد من روابط فان دير فالس بمقدار عشرة أضعاف. ^{[ 14 ]}

ربما يكون التمدد الجزيئي أهم هذه التأثيرات، ويُلاحظ غالبًا في الأشرطة اللاصقة. يحدث التمدد الجزيئي عندما يبدأ انفصال سطحين، فتمتد الجزيئات عند السطح الفاصل عبر الفجوة، بدلًا من أن تتشقق كما يحدث عند السطح الفاصل نفسه. وتتمثل أهم نتائج هذا التأثير في كبح انتشار الشق. فمن خلال منح الروابط السطحية الهشة بعض المرونة، تستطيع الجزيئات المتمددة عبر الفجوة منع الشق من الانتشار. ^{[ 3 ]} ويمكن فهم هذه الظاهرة أيضًا بمقارنتها بتركيز الإجهاد عند نقطة الفشل المذكورة سابقًا. فبما أن الإجهاد يتوزع الآن على مساحة معينة، تقل احتمالية أن يتجاوز الإجهاد عند أي نقطة معينة قوة الالتصاق الكلية بين السطحين. وإذا حدث الفشل عند سطح فاصل يحتوي على مادة لاصقة لزجة مرنة ، وانتشر الشق، فإنه يحدث بعملية تدريجية تُسمى "التفرع"، بدلًا من حدوث كسر سريع وهش. ^{[ 12 ]} ويمكن تطبيق التمدد الجزيئي على كلٍ من نظام الترابط الانتشارى ونظام الترابط الكيميائي. إن سلاسل الجزيئات التي تربط الفجوة ستكون إما الجزيئات التي انتشرت سابقًا عبر الواجهة أو المادة اللاصقة المرنة اللزجة، بشرط وجود حجم كبير منها عند الواجهة.

من المعروف أن التفاعل بين الآليات على المستوى الجزيئي والبنى السطحية الهرمية يؤدي إلى مستويات عالية من الاحتكاك الساكن والترابط بين أزواج الأسطح. ^{[ 18 ]} تستخدم الأجهزة اللاصقة المتطورة تقنيًا أحيانًا بنى مجهرية على الأسطح، مثل الأعمدة الدورية المتراصة بإحكام. هذه تقنيات محاكاة حيوية مستوحاة من قدرات الالتصاق لدى أقدام مفصليات الأرجل والفقاريات المختلفة (وأبرزها الوزغ ). من خلال دمج الفواصل الدورية في أسطح لاصقة ملساء، تكتسب الواجهة خصائص قيّمة في إيقاف الشقوق. ولأن بدء الشقوق يتطلب إجهادًا أكبر بكثير من انتشارها، فإن فصل هذه الأسطح يكون أصعب بكثير، إذ يجب إعادة بدء شق جديد في كل مرة يتم الوصول فيها إلى البنية المجهرية التالية. ^{[ 19 ]}

في هذه الحالة، تشير ظاهرة التخلف إلى إعادة تشكيل سطح التلامس اللاصق على مدى فترة زمنية، مما يجعل الشغل اللازم لفصل سطحين أكبر من الشغل الناتج عن تقريبهما (W > γ ₁ + γ ₂ ). ترتبط هذه الظاهرة في الغالب بالترابط الانتشارى. فكلما زاد الوقت المتاح لإعادة تشكيل سطحين مرتبطين بالترابط الانتشارى، زاد الانتشار، وازدادت قوة الالتصاق. يُعد تفاعل بعض أسطح البوليمرات مع الأشعة فوق البنفسجية وغاز الأكسجين مثالًا على التخلف، ولكنه يحدث أيضًا بمرور الوقت حتى بدون هذه العوامل.

إضافةً إلى إمكانية رصد التخلف المغناطيسي بتحديد ما إذا كانت المعادلة W > γ ₁ + γ ₂ صحيحة، يمكن أيضًا إيجاد دليل عليها بإجراء قياسات "التوقف والبدء". في هذه التجارب، ينزلق سطحان على بعضهما البعض باستمرار ويتوقفان أحيانًا لفترة زمنية محددة. تُظهر نتائج التجارب على أسطح البوليمر على البوليمر أنه إذا كان زمن التوقف قصيرًا بما يكفي، فإن استئناف الانزلاق السلس يكون سهلًا. أما إذا تجاوز زمن التوقف حدًا معينًا، فهناك زيادة أولية في مقاومة الحركة، مما يشير إلى أن زمن التوقف كان كافيًا لإعادة تشكيل الأسطح. ^{[ 14 ]}

يمكن وصف بعض التأثيرات الجوية على وظائف المواد اللاصقة باتباع نظرية طاقة السطح والتوتر السطحي . من المعروف أن _γ₁₂ = (½)W₁₂₁ ₌ (½)W₂₁₂ _. إذا كانت قيمة _γ₁₂ عالية، فإن كل نوع جزيئي يفضل التماسك عند ملامسته لنوع جزيئي آخر، بدلاً من الانفصال والاختلاط به. إذا صحّ ذلك، فإنه يترتب عليه أنه عندما يكون التوتر السطحي عاليًا، تكون قوة الالتصاق ضعيفة، لأن كل نوع جزيئي لا يفضل الارتباط بالآخر. يرتبط التوتر السطحي بين سائل وجسم صلب ارتباطًا مباشرًا بقابلية السائل للترطيب ( مقارنةً بالجسم الصلب)، وبالتالي يمكن استنتاج أن التماسك يزداد في السوائل غير المبللة ويقل في السوائل المبللة. أحد الأمثلة التي تؤكد ذلك هو مطاط بولي ثنائي ميثيل سيلوكسان ، والذي يبلغ عمل الالتصاق الذاتي فيه 43.6 مللي جول / م ² في الهواء، و74 مللي جول / م ² في الماء (سائل غير مبلل) و6 مللي جول / م ² في الميثانول (سائل مبلل).

يمكن توسيع نطاق هذه الحجة لتشمل فكرة أنه عندما يكون سطح ما في وسط يُسهّل الالتصاق به، فإنه سيقل احتمال التصاقه بسطح آخر، لأن هذا الوسط يشغل المواقع المحتملة على السطح التي كانت ستكون متاحة للالتصاق بسطح آخر. وينطبق هذا بشكل خاص على السوائل المبللة، وكذلك على جزيئات الغاز التي يمكن أن تُمتص على السطح المعني، وبالتالي تشغل مواقع الالتصاق المحتملة. هذه النقطة الأخيرة بديهية إلى حد كبير: فترك مادة لاصقة معرضة للهواء لفترة طويلة يُؤدي إلى اتساخها، وبالتالي انخفاض قوة التصاقها. وقد لوحظ ذلك في التجربة: فعند شطر الميكا في الهواء، تكون طاقة الشطر، W ₁₂₁ أو W _{mica/air/mica} ، أصغر من طاقة الشطر في الفراغ، W _{mica/vac/mica} ، بمقدار 13 ضعفًا. ^{[ 3 ]}

يرتبط الالتصاق الجانبي بانزلاق جسم على سطح ما، مثل انزلاق قطرة سائلة. عندما يكون الجسمان صلبين، سواء بوجود سائل بينهما أو بدونه، يُوصف الالتصاق الجانبي بالاحتكاك . مع ذلك، يختلف سلوك الالتصاق الجانبي بين قطرة سائلة وسطح ما اختلافًا كبيرًا من الناحية الاحتكاكية عن الاحتكاك بين الأجسام الصلبة، ويجعل التلامس اللاصق الطبيعي بين سطح مستوٍ وقطرة سائلة الالتصاق الجانبي في هذه الحالة مجالًا منفصلًا. يمكن قياس الالتصاق الجانبي باستخدام ميزان الالتصاق المركزي (CAB)، ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 6 ]} الذي يستخدم مزيجًا من قوى الطرد المركزي والجاذبية لفصل القوى العمودية والجانبية في المسألة.