طاقة السطح

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 24 صور
الموسوعة الحرة
قياس زاوية التلامس
يمكن استخدام قياسات زاوية التلامس لتحديد طاقة سطح المادة.

في علم الأسطح ، تُقاس طاقة السطح (وتُعرف أيضًا بالطاقة الحرة البينية أو طاقة السطح الحرة ) بكمية تفكك الروابط بين الجزيئات التي تحدث عند تكوين سطح ما . في فيزياء الحالة الصلبة ، يجب أن تكون الأسطح أقل استقرارًا من الناحية الطاقية من كتلة المادة (أي أن ذرات السطح يجب أن تمتلك طاقة أكبر من ذرات الكتلة)، وإلا ستكون هناك قوة دافعة لتكوين الأسطح، مما يؤدي إلى إزالة كتلة المادة عن طريق التسامي . لذلك، يمكن تعريف طاقة السطح بأنها الطاقة الزائدة على سطح المادة مقارنةً بكتلتها، أو أنها الشغل اللازم لتكوين مساحة من سطح معين. ويمكن النظر إلى طاقة السطح أيضًا من خلال ربطها بالشغل اللازم لقطع عينة من الكتلة، مما يُنتج سطحين. توجد "طاقة زائدة" نتيجةً لعدم اكتمال الروابط بين السطحين المُكوَّنين.

يؤدي تقطيع جسم صلب إلى أجزاء إلى تفكك روابطه وزيادة مساحة سطحه، وبالتالي زيادة طاقة سطحه. إذا تم التقطيع بشكل عكسي ، فإن قانون حفظ الطاقة يعني أن الطاقة المستهلكة في عملية التقطيع ستكون مساوية للطاقة الكامنة في السطحين الجديدين المتكونين. وعليه، فإن طاقة سطح المادة ستكون نصف طاقة تماسكها ، مع ثبات جميع العوامل الأخرى؛ عمليًا، لا يصح هذا إلا لسطح تم تحضيره حديثًا في الفراغ . غالبًا ما تغير الأسطح شكلها بعيدًا عن نموذج " الرابطة المكسورة " البسيط المذكور آنفًا. فهي مناطق ديناميكية للغاية، قابلة لإعادة الترتيب أو التفاعل بسهولة ، مما يؤدي غالبًا إلى انخفاض الطاقة من خلال عمليات مثل التخميل أو الامتزاز .

تقدير

قياس

زاوية التلامس

الطريقة الأكثر شيوعًا لقياس طاقة السطح هي تجارب زاوية التلامس . [ 1 ] في هذه الطريقة، تُقاس زاوية التلامس للسطح باستخدام عدة سوائل، عادةً الماء وثنائي يوديد الميثان . بناءً على نتائج زاوية التلامس ومعرفة التوتر السطحي للسوائل، يمكن حساب طاقة السطح. عمليًا، يُجرى هذا التحليل تلقائيًا بواسطة جهاز قياس زاوية التلامس. [ 2 ]

توجد عدة نماذج مختلفة لحساب طاقة السطح بناءً على قراءات زاوية التلامس. [ 3 ] الطريقة الأكثر شيوعًا هي OWRK، والتي تتطلب استخدام سائلين للقياس، وتعطي نتيجةً لذلك طاقة السطح الكلية، بالإضافة إلى تقسيمها إلى مكونات قطبية ومشتتة.

تُعدّ طريقة زاوية التلامس الطريقة القياسية لقياس طاقة السطح نظرًا لبساطتها، وقابليتها للتطبيق على نطاق واسع من الأسطح، وسرعتها. ويمكن أتمتة القياس بالكامل، وهو موحد. [ 4 ]

بشكل عام، مع ازدياد طاقة السطح، تقل زاوية التلامس لأن مساحة أكبر من السائل تُمتص بواسطة السطح. وعلى العكس، مع انخفاض طاقة السطح، تزداد زاوية التلامس، لأن السطح لا يرغب في التفاعل مع السائل.

طرق أخرى

يمكن قياس طاقة سطح سائل عن طريق شد غشاء سائل (مما يزيد مساحة السطح وبالتالي طاقة السطح). في هذه الحالة، ولزيادة مساحة سطح كتلة من السائل بمقدار δA ، يلزم بذل شغل مقداره γδA (حيث γ هي كثافة طاقة سطح السائل). مع ذلك، لا يمكن استخدام هذه الطريقة لقياس طاقة سطح مادة صلبة، لأن شد غشاء صلب يُحدث طاقة مرنة في الكتلة بالإضافة إلى زيادة طاقة السطح.

عادةً ما تُقاس طاقة سطح المادة الصلبة عند درجات حرارة عالية. عند هذه الدرجات، تزحف المادة الصلبة ، وعلى الرغم من تغير مساحة سطحها، يبقى حجمها ثابتًا تقريبًا. إذا كانت γ هي كثافة طاقة سطح قضيب أسطواني نصف قطره r وطوله l عند درجة حرارة عالية وتحت تأثير شد أحادي المحور ثابت P ، فإن تغير طاقة هلمهولتز الحرة الكلية يتلاشى عند الاتزان، وبالتالي نحصل على

دلتاF=-P دلتال+γ دلتاأ=0⟹γ=Pدلتالدلتاأ{\displaystyle \delta F=-P~\delta l+\gamma ~\delta A=0\quad \implies \quad \gamma =P{\frac {\delta l}{\delta A}}}

حيث F هي طاقة هيلمهولتز الحرة و A هي مساحة سطح القضيب:

أ=2πر2+2πرل⟹دلتاأ=4πردلتار+2πلدلتار+2πردلتال{\displaystyle A=2\pi r^{2}+2\pi rl\quad \implies \quad \delta A=4\pi r\delta r+2\pi l\delta r+2\pi r\delta l}

كذلك، بما أن حجم القضيب ( V ) يظل ثابتًا، فإن تغير الحجم ( δV ) يساوي صفرًا، أي

V=πر2ل ثابت⟹دلتاV=2πرلدلتار+πر2دلتال=0⟹دلتار=-ر2لدلتال .{\displaystyle V=\pi r^{2}l{\text{ ثابت}}\quad \implies \quad \delta V=2\pi rl\delta r+\pi r^{2}\delta l=0\quad \implies \quad \delta r=-{\frac {r}{2l}}\delta l~.}

لذلك، يمكن التعبير عن كثافة طاقة السطح على النحو التالي:

γ=Pلπر(ل-2ر) .{\displaystyle \gamma ={\frac {Pl}{\pi r(l-2r)}}~.}

يمكن حساب كثافة طاقة السطح للمادة الصلبة عن طريق قياس P و r و l عند التوازن.

لا تُعتبر هذه الطريقة صالحة إلا إذا كان الجسم الصلب متجانس الخواص ، أي أن طاقة سطحه متساوية لجميع التوجهات البلورية . وبينما يصح هذا تمامًا للمواد الصلبة غير المتبلورة ( كالزجاج ) والسوائل، فإن تجانس الخواص يُعد تقريبًا جيدًا للعديد من المواد الأخرى. وعلى وجه الخصوص، إذا كانت العينة متعددة الحبيبات (معظم المعادن) أو مصنوعة بتقنية تلبيد المساحيق (معظم الخزفيات)، فإن هذا يُعد تقريبًا جيدًا.

في حالة المواد أحادية البلورة، كالأحجار الكريمة الطبيعية ، يؤدي تباين طاقة السطح إلى تكوين الأوجه . ويرتبط شكل البلورة (بافتراض ظروف نمو متوازنة ) بطاقة السطح وفقًا لنظرية وولف . وبالتالي، يمكن تحديد طاقة سطح الأوجه بدقة تصل إلى ثابت قياسي عن طريق قياس الأحجام النسبية لهذه الأوجه.

حساب

جسم صلب مشوه

في تشوه المواد الصلبة، يمكن اعتبار طاقة السطح بمثابة "الطاقة المطلوبة لإنشاء وحدة واحدة من مساحة السطح"، وهي دالة للفرق بين الطاقات الكلية للنظام قبل وبعد التشوه:

γ=1أ(هـ1-هـ0){\displaystyle \gamma ={\frac {1}{A}}\left(E_{1}-E_{0}\right)}.

يُعد حساب طاقة السطح من المبادئ الأساسية (على سبيل المثال، نظرية الكثافة الوظيفية ) منهجًا بديلًا للقياس. تُقدَّر طاقة السطح من المتغيرات التالية: عرض نطاق d، وعدد إلكترونات التكافؤ d ، وعدد التناسق للذرات على السطح وفي كتلة المادة الصلبة. [ 5 ]

طاقة تكوين السطح لمادة صلبة بلورية

في نظرية الكثافة الوظيفية ، يمكن حساب طاقة السطح من خلال الصيغة التالية:

γ=هـبلاطة-شمالهـحجم كبير2أ{\displaystyle \gamma ={\frac {E_{\text{slab}}-NE_{\text{bulk}}}{2A}}}

أين

E slab هي الطاقة الكلية للسطح اللوحي التي تم الحصول عليها باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية.
يمثل N عدد الذرات في الطبقة السطحية.
E bulk هي طاقة الكتلة لكل ذرة.
A هي مساحة السطح.

بالنسبة للوح، لدينا سطحان وهما من النوع نفسه، وهو ما ينعكس في الرقم 2 في المقام. ولضمان ذلك، نحتاج إلى إنشاء اللوح بعناية للتأكد من أن السطحين العلوي والسفلي من النوع نفسه.

تُحدد قوة التلامس اللاصق بشغل الالتصاق، والذي يُسمى أيضًا طاقة السطح النسبية لجسمين متلامسين. [ 6 ] يمكن تحديد طاقة السطح النسبية بفصل أجسام ذات شكل محدد مصنوعة من مادة عن سطح مصنوع من مادة أخرى. [ 7 ] على سبيل المثال، تبلغ طاقة السطح النسبية للسطح الفاصل بين " الزجاج الأكريليكي والجيلاتين " 0.03 نيوتن/ متر  . يمكن مشاهدة الإعداد التجريبي لقياس طاقة السطح النسبية ووظيفتها في الفيديو. [ 8 ]

التقدير من حرارة التسامي

لتقدير طاقة سطح مادة نقية ومتجانسة، يمكن نمذجة منطقة محددة من المادة على شكل مكعب. يتطلب نقل مكعب من داخل المادة إلى سطحها طاقة. تُدمج تكلفة هذه الطاقة في طاقة سطح المادة، والتي تُقاس بالمعادلة التالية:

نموذج المكعب. يمكن استخدام نموذج المكعب لنمذجة المواد النقية والمتجانسة أو مكون جزيئي فردي لتقدير طاقة سطحها.
γ=(zσ-zβ)12دبليوAAأ0{\displaystyle \gamma ={\frac {\left(z_{\sigma }-z_{\beta }\right){\frac {1}{2}}W_{\text{AA}}}{a_{0}}}}

حيث أن z σ و z β هما أرقام التنسيق المقابلة لسطح ومناطق الكتلة للمادة، وتساوي 5 و 6 على التوالي؛ a 0 هي مساحة سطح جزيء فردي، و W AA هي الطاقة بين الجزيئات الزوجية.

يمكن تحديد مساحة السطح عن طريق تربيع الجذر التكعيبي لحجم الجزيء:

أ0=Vجزيء23=(م¯ρشمالأ)23{\displaystyle a_{0}=V_{\text{molecule}}^{\frac {2}{3}}=\left({\frac {\bar {M}}{\rho N_{\text{A}}}}\right)^{\frac {2}{3}}}

هنا، M̄ يتوافق مع الكتلة المولية للجزيء، و ρ يتوافق مع الكثافة، و N A هو ثابت أفوجادرو .

لتحديد طاقة التفاعل بين الجزيئات، يجب كسر جميع الروابط بين جزيئات المادة. وهذا يسمح بدراسة شاملة للتفاعلات التي تحدث للجزيئات المفردة. أثناء التسامي، تنكسر الروابط بين الجزيئات، مما يؤدي إلى تحول المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية. لهذا السبب، يُعدّ حساب إنثالبي التسامي مفيدًا في تحديد طاقة التفاعل بين الجزيئات. ويمكن حساب إنثالبي التسامي باستخدام المعادلة التالية:

Δفرعيح=-12دبليوAAشمالأzب{\displaystyle \Delta _{\text{sub}}H=-{\frac {1}{2}}W_{\text{AA}}N_{\text{A}}z_{b}}

باستخدام القيم المُجدولة تجريبياً لإنثالبي التسامي، يُمكن تحديد طاقة التفاعل بين الجزيئات. وبإدخال هذه القيمة في معادلة طاقة السطح، يُمكن تقدير طاقة السطح.

يمكن استخدام المعادلة التالية كتقدير معقول لطاقة السطح:

γ≈-Δفرعيح(zσ-zβ)أ0شمالأzβ{\displaystyle \gamma \approx {\frac {-\Delta _{\text{sub}}H\left(z_{\sigma }-z_{\beta }\right)}{a_{0}N_{\text{A}}z_{\beta }}}}

الطاقة البينية

يؤثر وجود سطح فاصل عمومًا على جميع المعاملات الديناميكية الحرارية للنظام. هناك نموذجان شائعان لتوضيح الظواهر السطحية: نموذج جيبس ​​المثالي للسطح الفاصل ونموذج جوجنهايم. ولتوضيح الديناميكا الحرارية لنظام سطحي باستخدام نموذج جيبس، يمكن تقسيم النظام إلى ثلاثة أجزاء: سائلان غير قابلين للامتزاج بحجمين Vα و Vβ ، وطبقة حدية رقيقة للغاية تُعرف بمستوى جيبس ​​الفاصل ( σ ) تفصل بين هذين الحجمين.

نموذج غوغنهايم. يفصل طور بيني ممتد ( σ ) بين الطورين α و β . يأخذ غوغنهايم في الاعتبار حجم المنطقة البينية الممتدة، وهو أمر ليس عمليًا مثل نموذج غيبس.
نموذج جيبس. يفترض نموذج جيبس ​​أن الواجهة مثالية (بدون حجم) بحيث يتكون الحجم الكلي للنظام من طوري ألفا وبيتا فقط.

يبلغ الحجم الإجمالي للنظام ما يلي:

V=Vα+Vβ{\displaystyle V=V_{\alpha }+V_{\beta }}

يمكن كتابة جميع الكميات الشاملة للنظام كمجموع ثلاثة مكونات: الطور الحجمي α ، والطور الحجمي β ، والسطح البيني σ . ومن الأمثلة على ذلك الطاقة الداخلية U ، وعدد جزيئات المادة i ، والإنتروبيا S.

يو=يوα+يوβ+يوσشمالأنا=شمالأناα+شمالأناβ+شمالأناσS=Sα+Sβ+Sσ{\displaystyle {\begin{aligned}U&=U_{\alpha }+U_{\beta }+U_{\sigma }\\N_{i}&=N_{i\alpha }+N_{i\beta }+N_{i\sigma }\\S&=S_{\alpha }+S_{\beta }+S_{\sigma }\end{aligned}}}

على الرغم من أن هذه الكميات قد تختلف بين كل مكون، إلا أن مجموعها داخل النظام يظل ثابتًا. عند السطح البيني، قد تختلف هذه القيم عن تلك الموجودة داخل الأطوار الرئيسية. ويمكن تعريف تركيز الجزيئات الموجودة عند السطح البيني على النحو التالي:

شمالأناσ=شمالأنا-جأناαVα-جأناβVβ{\displaystyle N_{i\sigma }=N_{i}-c_{i\alpha }V_{\alpha }-c_{i\beta }V_{\beta }}

حيث يمثل c iα و c iβ تركيز المادة i في الطور الكلي α و β على التوالي.

من المفيد تعريف مصطلح جديد هو الفائض السطحي Γ i والذي يسمح لنا بوصف عدد الجزيئات لكل وحدة مساحة:

Γأنا=شمالأناαأ{\displaystyle \Gamma _{i}={\frac {N_{i\alpha }}{A}}}

ترطيب

معامل الانتشار

تلعب طاقة السطح دورًا في ظاهرة التبلل. لفهم ذلك، تخيل قطرة سائل على سطح صلب. إذا تغيرت طاقة سطح السطح عند إضافة القطرة، يُقال إن السطح يتبلل . ويمكن استخدام معامل الانتشار لتحديد ذلك رياضيًا.

S=γs-γل-γsl{\displaystyle S=\gamma _{\text{s}}-\gamma _{\text{l}}-\gamma _{\text{s-l}}}

حيث S هو معامل الانتشار، و γ s طاقة سطح الركيزة، و γ l طاقة سطح السائل، و γ s-l طاقة السطح البيني بين الركيزة والسائل.

إذا كانت قيمة S أقل من الصفر ، فإن السائل يبلل الركيزة جزئيًا. أما إذا كانت قيمة S أكبر من الصفر ، فإن السائل يبلل الركيزة كليًا. [ 9 ]

زوايا التلامس: عدم التبلل، والتبلل، والتبلل الكامل. زاوية التلامس هي الزاوية التي تربط بين سطح التماس بين المادة الصلبة والسائلة، وسطح التماس بين السائل والغاز.

زاوية التلامس

تتمثل إحدى طرق تحديد التبلل تجريبياً في النظر إلى زاوية التلامس ( θ )، وهي الزاوية التي تربط بين السطح البيني الصلب والسائل والسطح البيني السائل والغازي (كما هو موضح في الشكل).

إذا كانت θ = 0° ، فإن السائل يبلل الركيزة تمامًا.
إذا كانت 0° < θ < 90° ، يحدث ترطيب عالي.
إذا كانت 90° < θ < 180° ، يحدث ترطيب منخفض.
إذا كانت θ = 180° ، فإن السائل لا يبلل الركيزة على الإطلاق. [ 10 ]

تربط معادلة يونغ زاوية التلامس بطاقة السطح البيني:

γsg=γsl+γإل جيكوس⁡θ{\displaystyle \gamma _{\text{s-g}}=\gamma _{\text{s-l}}+\gamma _{\text{l-g}}\cos \theta }

حيث تمثل γ s-g طاقة السطح البيني بين الطورين الصلب والغازي، و γ s-l طاقة السطح البيني بين الركيزة والسائل، و γ l-g طاقة السطح البيني بين الطورين السائل والغازي، و θ زاوية التلامس بين السطح البيني الصلب-السائل والسائل-الغاز. [ 11 ]

ترطيب الركائز عالية ومنخفضة الطاقة

تتحدد طاقة المكون الأساسي للركيزة الصلبة بأنواع التفاعلات التي تربط مكوناتها. تترابط الركائز عالية الطاقة بروابط ، بينما تترابط الركائز منخفضة الطاقة بقوى . الروابط التساهمية والأيونية والمعدنية أقوى بكثير من قوى مثل قوى فان دير فالس والروابط الهيدروجينية . يسهل ترطيب الركائز عالية الطاقة أكثر من الركائز منخفضة الطاقة. [ 12 ] إضافةً إلى ذلك، يحدث ترطيب أكثر اكتمالًا إذا كانت طاقة سطح الركيزة أعلى بكثير من طاقة سطح السائل. [ 13 ]

تقنيات التعديل

تشمل أكثر بروتوكولات تعديل الأسطح شيوعًا التنشيط بالبلازما ، والمعالجة الكيميائية الرطبة، بما في ذلك التطعيم، وطلاء الأغشية الرقيقة. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] وتُعدّ محاكاة طاقة السطح تقنيةً تُمكّن من دمج تصنيع الجهاز وتعديلات سطحه، بما في ذلك النقش، في خطوة معالجة واحدة باستخدام مادة واحدة للجهاز. [ 17 ]

يمكن استخدام العديد من التقنيات لتحسين التبلل. تُستخدم معالجات الأسطح، مثل المعالجة بالتفريغ الكهربائي [ 18 ] ، والمعالجة بالبلازما، والحفر الحمضي [ 19 ]، لزيادة طاقة سطح الركيزة. كما يمكن إضافة مواد مضافة إلى السائل لتقليل توتره السطحي. تُستخدم هذه التقنية بكثرة في تركيبات الدهانات لضمان توزيعها بالتساوي على السطح [ 20 ] .

معادلة كلفن

نتيجةً للتوتر السطحي المتأصل في السوائل، تتشكل أسطح منحنية لتقليل المساحة. تنشأ هذه الظاهرة من التكلفة الطاقية لتكوين السطح. وبالتالي، تقل طاقة جيبس ​​الحرة للنظام إلى أدنى حد عندما يكون السطح منحنيًا.

ضغط بخار الأسطح المستوية والمنحنية. يكون ضغط بخار السطح المنحني أعلى من ضغط بخار السطح المستوي بسبب ضغط لابلاس الذي يزيد من الجهد الكيميائي للقطرة مما يؤدي إلى تبخرها أكثر من المعتاد.

تعتمد معادلة كلفن على مبادئ الديناميكا الحرارية، وتُستخدم لوصف تغيرات ضغط البخار الناتجة عن السوائل ذات الأسطح المنحنية. ويعود سبب هذا التغير في ضغط البخار إلى ضغط لابلاس. يكون ضغط بخار القطرة أعلى من ضغط بخار السطح المستوي، لأن زيادة ضغط لابلاس تُسهّل تبخر الجزيئات. في المقابل، في السوائل المحيطة بالفقاعة، ينخفض ​​الضغط بالنسبة للجزء الداخلي من الفقاعة، مما يُصعّب تبخر الجزيئات. ويمكن صياغة معادلة كلفن على النحو التالي:

Rتيln⁡P0كP0=γVم(1R1+1R2){\displaystyle RT\ln {\frac {P_{0}^{K}}{P_{0}}}=\gamma V_{m}\left({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}\right)}

حيث P K 0 هو ضغط بخار السطح المنحني، و P 0 هو ضغط بخار السطح المستوي، و γ هو التوتر السطحي ، و V m هو الحجم المولي للسائل، و R هو ثابت الغازات العام ، و T هي درجة الحرارة ( بالكلفن )، و R 1 و R 2 هما نصفا القطر الرئيسيان لانحناء السطح.

أصباغ معدلة السطح للطلاءات

تُتيح الأصباغ إمكانات هائلة في تعديل خصائص تطبيق الطلاء. ونظرًا لصغر حجم جزيئاتها وارتفاع طاقة سطحها، فإنها غالبًا ما تتطلب معالجة سطحية لتحسين سهولة تشتتها في الوسط السائل. وقد استُخدمت سابقًا مجموعة متنوعة من المعالجات السطحية، بما في ذلك الامتزاز على سطح الجزيء بوجود مجموعات قطبية، والطبقات الأحادية من البوليمرات، وطبقات الأكاسيد غير العضوية على سطح الأصباغ العضوية. [ 21 ]

تتشكل أسطح جديدة باستمرار مع تفتت جزيئات الصبغة الكبيرة إلى جزيئات أصغر. وتساهم هذه الأسطح المتشكلة حديثًا في زيادة طاقة السطح، مما يؤدي غالبًا إلى تماسك الجزيئات الناتجة معًا لتكوين تجمعات. ولأن الجزيئات المنتشرة في الأوساط السائلة تتحرك حركة حرارية أو براونية مستمرة ، فإنها تُظهر انجذابًا قويًا لجزيئات الصبغة الأخرى القريبة أثناء حركتها في الوسط واصطدامها به. [ 21 ] يُعزى هذا التجاذب الطبيعي إلى حد كبير إلى قوى فان دير فالس القوية قصيرة المدى ، نتيجةً لطاقة سطحها.

الهدف الرئيسي من تشتيت الصبغة هو تفتيت التجمعات وتكوين تشتتات مستقرة من جزيئات الصبغة ذات الحجم الأمثل. تتضمن هذه العملية عادةً ثلاث مراحل متميزة: الترطيب، وفك التجمعات، والتثبيت. يُفضّل وجود سطح سهل الترطيب عند تركيب طلاء يتطلب التصاقًا ومظهرًا جيدين. كما يقلل ذلك من مخاطر العيوب المرتبطة بالتوتر السطحي، مثل الزحف والتشقق وقشرة البرتقال . [ 22 ] يُعد هذا شرطًا أساسيًا لتشتيت الصبغة؛ فلكي يكون الترطيب فعالًا، يجب أن يكون التوتر السطحي لمادة حامل الصبغة أقل من طاقة السطح الحرة للصبغة. [ 21 ] يسمح هذا للمادة الحاملة بالتغلغل في مسامات تجمعات الصبغة، مما يضمن ترطيبًا كاملًا. أخيرًا، تتعرض الجزيئات لقوة تنافر لإبقائها منفصلة عن بعضها البعض، مما يقلل من احتمالية التكتل .

قد تستقرّ المشتتات من خلال ظاهرتين مختلفتين: التنافر الشحني والتنافر الفراغي أو الإنتروبي. [ 22 ] في التنافر الشحني، تتنافر الجسيمات التي تحمل شحنات كهروستاتيكية متشابهة. أما التنافر الفراغي أو الإنتروبي، فهو ظاهرة تُستخدم لوصف تأثير التنافر عند وجود طبقات ممتزة من المادة (مثل جزيئات البوليمر المنتفخة بالمذيب) على سطح جزيئات الصبغة في المشتت. تُمتز أجزاء معينة فقط (المثبتات) من جزيئات البوليمر، مع امتداد حلقاتها وذيولها المقابلة في المحلول. عندما تقترب الجسيمات من بعضها، تزدحم طبقاتها الممتزة، مما يُشكّل حاجزًا فراغيًا فعالًا يمنع التكتل . [ 23 ] يترافق تأثير الازدحام هذا مع انخفاض في الإنتروبيا، حيث يقلّ عدد التشكيلات الممكنة لجزيئات البوليمر في الطبقة الممتزة. ونتيجة لذلك، تزداد الطاقة، وغالبًا ما تُولّد قوى تنافر تُساعد في إبقاء الجسيمات منفصلة عن بعضها.

آليات استقرار التشتت: استقرار الشحنة والاستقرار الفراغي أو الإنتروبي. قوى التنافر الكهربائي مسؤولة عن الاستقرار من خلال الشحنة، بينما الإعاقة الفراغية مسؤولة عن الاستقرار من خلال الإنتروبيا.

طاقات سطح المواد الشائعة

مادةتوجيهطاقة السطح (مللي جول/ م² )
بولي تترافلوروإيثيلين (PTFE)19 [ 24 ]
زجاج83.4 [ 25 ]
جبس370 [ 26 ]
نحاس1650 [ 27 ]
أكسيد المغنيسيوم(100) طائرة1200 [ 28 ]
فلوريد الكالسيوم(111) طائرة450 [ 28 ]
فلوريد الليثيوم(100) طائرة340 [ 28 ]
كربونات الكالسيوم(1010) طائرة230 [ 28 ]
كلوريد الصوديوم(100) طائرة300 [ 29 ]
كلوريد الصوديوم(110) طائرة400 [ 30 ]
كلوريد البوتاسيوم(100) طائرة110 [ 29 ]
فلوريد الباريوم(111) طائرة280 [ 28 ]
السيليكون(111) طائرة1240 [ 28 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ مارشال، إس جيه؛ باين، إس سي؛ باير، آر؛ تومسيا، إيه بي؛ مارشال، جي دبليو (2010). "مراجعة لعلم الالتصاق". مواد طب الأسنان . 26 (2): e11– e16. doi : 10.1016/j.dental.2009.11.157 . PMID 20018362 . 
  2. ↑ لورين، س. "كيفية قياس طاقة السطح الحرة؟" . blog.biolinscientific.com . بيولين ساينتيفيك . تم الاطلاع عليه بتاريخ 31 ديسمبر 2019 .
  3. ↑ "الطاقة الحرة السطحية: القياسات" . biolinscientific.com . شركة بيولين العلمية . تم الاطلاع عليه بتاريخ 31 ديسمبر 2019 .
  4. ↑ "ISO 19403-2:2017. الدهانات والورنيشات - قابلية التبلل - الجزء 2: تحديد الطاقة السطحية الحرة للأسطح الصلبة عن طريق قياس زاوية التلامس" . ISO . 2017.
  5. ↑ وودروف، دي بي، محرر. (2002). الفيزياء الكيميائية للأسطح الصلبة . المجلد 10. إلسيفير. 
  6. ↑ ميكانيكا التلامس والاحتكاك: المبادئ الفيزيائية والتطبيقات . سبرينغر. 2017. ISBN 978-3-662-53080-1.
  7. ↑ بوبوف، ف. ل.؛ بورت، ر.؛ لي، ك. (سبتمبر 2017). "قوة التلامس اللاصق: تأثير هندسة التلامس وتدرجات المواد" . الاحتكاك . 5 (3): 308-325 . doi : 10.1007/s40544-017-0177-3 .
  8. ↑ قسم ديناميكيات الأنظمة وفيزياء الاحتكاك (6 ديسمبر 2017). "الاحتكاك العلمي: تماسك الأشكال المعقدة" . يوتيوب . مؤرشف من الأصل بتاريخ 12 ديسمبر 2021. تم الاطلاع عليه بتاريخ 28 يناير 2018 .
  9. ↑ بون، د.؛ إيغرز، ج.؛ إنديكو، ج.؛ مونييه، ج.؛ رولي، إ. (2009). "الترطيب والانتشار" . مراجعات الفيزياء الحديثة . 81 (2): 739-805 . Bibcode : 2009RvMP...81..739B . doi : 10.1103/revmodphys.81.739 .
  10. ↑ زيسمان، و. (1964). "علاقة زاوية التلامس عند الاتزان بتركيب السائل والصلب". زاوية التلامس، والترطيب، والالتصاق . التقدم في الكيمياء. المجلد 43. الصفحات 1-51. doi : 10.1021 / ba-1964-0043.ch001 . ISBN   0-8412-0044-0.{{cite book}}عدم توافق رقم ISBN / التاريخ ( مساعدة )
  11. ↑ أوينز، د.ك.؛ ويندت، ر.س. (1969). "تقدير طاقة السطح الحرة للبوليمرات". مجلة علوم البوليمرات التطبيقية . 13 (8): 1741-1747 . doi : 10.1002/app.1969.070130815 .
  12. ↑ دي جين، بي جي (1985). "التبلل: السكون والديناميكا". مراجعات الفيزياء الحديثة . 57 (3): 827-863 . Bibcode : 1985RvMP...57..827D . doi : 10.1103/revmodphys.57.827 .
  13. ↑ كيرن، ك.؛ ديفيد، ر.؛ بالمر، ر. ل.؛ كوزما، ج. (1986). "التبلل الكامل على ركائز "قوية": Xe/Pt(111)". رسائل المراجعة الفيزيائية . 56 (26): 2823-2826 . Bibcode : 1986PhRvL..56.2823K . doi : 10.1103/physrevlett.56.2823 . PMID 10033104 . 
  14. ↑ بيكر، هـ.؛ غارتنر، س. (2007). "تقنيات تصنيع البوليمرات الدقيقة لأنظمة الموائع الدقيقة". الكيمياء التحليلية والكيمياء الحيوية التحليلية . 390 (1): 89-111 . doi : 10.1007/s00216-007-1692-2 . PMID 17989961. S2CID 13813183 .  
  15. ↑ مانسكي (1997). "التحكم في تفاعلات البوليمر مع الأسطح باستخدام فرش البوليمر العشوائي". مجلة ساينس . 275 (5305): 1458-1460 . doi : 10.1126/science.275.5305.1458 . S2CID 136525970 . 
  16. ↑ راستوجي (2010). "التشكيل المباشر لفرش البوليمر الحساسة لحزمة الإلكترونات". ACS Nano . 4 (2): 771–780 . doi : 10.1021/nn901344u . PMID 20121228 . 
  17. ↑ باردون، ج.؛ هارالدسون، ت.؛ فان دير وينغارت، و. (2016). "محاكاة طاقة السطح: النسخ المتزامن للأنماط الميكروية المحبة للماء والكارهة للماء للغاية من خلال التجميع الذاتي للمونومرات الانتقائية للمساحة" . واجهات المواد المتقدمة . 3 (17) 1600404. doi : 10.1002/admi.201600404 . S2CID 138114323 . 
  18. ↑ ساكاتا، إي.؛ موريتا، إم.؛ تسورتا، إن.؛ موريتا، ك. (2003). "تنشيط سطح الخشب بواسطة معالجة كورونا لتحسين الترابط اللاصق". مجلة علوم البوليمرات التطبيقية . 49 (7): 1251-1258 . doi : 10.1002/app.1993.070490714 .
  19. ↑ روزاليس، جي آي؛ مارشال، جي دبليو؛ مارشال، إس جيه؛ وانتانابي، إل جي؛ توليدانو، إم؛ كابريزو، إم إيه؛ أوسوريو، آر. (1999). "تأثير التخريش الحمضي والترطيب على خشونة العاج وقابليته للترطيب". مجلة أبحاث طب الأسنان . 78 (9): 1554-1559 . doi : 10.1177/00220345990780091001 . PMID 10512390. S2CID 5807073 .  
  20. ↑ خان، هـ.؛ فيل، ج. ت.؛ ماكلويد، ج. س. (2001). "تأثير الإضافات على معامل الانتشار والتصاق تركيبة تغليف غشائي بسطح قرص نموذجي". المجلة الدولية للصيدلة . 227 ( 1-2 ): 113-119 . doi : 10.1016/s0378-5173(01)00789-x . PMID 11564545 . 
  21. 1 2 3 ويكس، زد دبليو (2007). الطلاءات العضوية: العلم والتكنولوجيا ( الطبعة الثالثة). نيويورك: وايلي إنترساينس. الصفحات 435-441 .  
  22. 1 2 تراكتون، أ.أ. (2006). مواد الطلاء وطلاءات الأسطح ( الطبعة الثالثة). فلوريدا: مجموعة تايلور وفرانسيس. ص 31-6 – 31-7 .  
  23. ↑ أوشرا، سي.؛ إيكشتاين، إي.؛ موهلباش، أ.؛ زينك، م.؛ رايم، ف. (2002). "تصميم مشتتات صبغية جديدة عن طريق البلمرة الجذرية المتحكم بها". التقدم في الطلاءات العضوية . 45 ( 2-3 ): 83-93 . doi : 10.1016/s0300-9440(02)00048-6 .
  24. ↑ كينلوخ، أ. ج. (1987). الالتصاق والمواد اللاصقة: العلم والتكنولوجيا . لندن: تشابمان وهول.
  25. ↑ ري، س. ك. (1977). "طاقات سطح زجاج السيليكات المحسوبة من بيانات قابلية التبلل". مجلة علوم المواد . 12 (4): 823-824 . Bibcode : 1977JMatS..12..823R . doi : 10.1007/BF00548176 . S2CID 136812418 . 
  26. ↑ دوندون، إم إل؛ ماك، إي. (1923). "ذوبانية وطاقة سطح كبريتات الكالسيوم". مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية . 45 (11): 2479-2485 . Bibcode : 1923JAChS..45.2479D . doi : 10.1021/ja01664a001 .
  27. ↑ أودين، هـ. (1951). "تأثير حدود الحبيبات في قياس التوتر السطحي" . مجلة JOM . 3 (1): 63. Bibcode : 1951JOM.....3a..63U . doi : 10.1007/BF03398958 .
  28. 1 2 3 4 5 6 جيلمان، ج. ج. (1960). "القياسات المباشرة لطاقات سطح البلورات". مجلة الفيزياء التطبيقية . 31 (12): 2208. Bibcode : 1960JAP....31.2208G . doi : 10.1063/1.1735524 .
  29. 1 2 بوت، هـ.-ج.؛ غراف، خ.؛ كابل، م. (2006). فيزياء وكيمياء الأسطح البينية . فاينهايم: وايلي-في سي إتش.
  30. ↑ ليبسيت، إس جي؛ جونسون، إف إم جي؛ ماس، أو. (1927). "طاقة السطح وحرارة ذوبان كلوريد الصوديوم الصلب. الجزء الأول". مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية . 49 (4): 925. Bibcode : 1927JAChS..49..925L . doi : 10.1021/ja01403a005 .