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. 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.

چندین مدل مختلف برای محاسبه انرژی سطح بر اساس خواندن و روش اندازه گیری زاویه تماس وجود دارد. 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.

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 ${\displaystyle r}$

${\displaystyle \delta F=-P\delta l+\gamma \delta A=0⟹\gamma =P\frac{\delta l}{\delta A}}$

در حالیکه که ${\displaystyle F}$

${\displaystyle A=2\pi r^2+2\pi rl⟹\delta A=4\pi r\delta r+2\pi l\delta r+2\pi r\delta l}$

همچنین ، از آنجا که حجم ( ${\displaystyle V}$

${\displaystyle V=\pi r^{2}l=\text{constant}⟹\delta V=2\pi rl\delta r+\pi r^2\delta l=0⟹\delta r=-\frac{r}{2l}\delta l.}$

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

${\displaystyle \gamma =\frac{Pl}{\pi r(l-2r)}.}$

چگالی انرژی سطح جامد را می توان با جایگذاری ${\displaystyle P}$

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.

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 :

${\displaystyle \gamma =\frac{1}{A}(E_1-E_0)}$

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.

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

${\displaystyle \gamma =\frac{E_{slab}-N\cdot E_{bulk}}{2A}}$

درحالیکه که ${\displaystyle E_{slab}}$

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 ${\displaystyle V_{\alpha }}$

حجم کل سیستم (مدل گیبس):

${\displaystyle V=V_{\alpha }+V_{\beta }}$

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 ( ${\displaystyle U}$

${\displaystyle U=U_{\alpha }+U_{\beta }+U_{\sigma }}$

${\displaystyle N_i=N_{\text{i}\alpha }+N_{\text{i}\beta }+N_{\text{i}\sigma }}$

${\displaystyle S=S_{\alpha }+S_{\beta }+S_{\sigma }}$

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:

${\displaystyle N_{\text{i}\sigma }=N_i-c_{\text{i}\alpha }{V}_{\alpha }-c_{\text{i}\beta }{V}_{\beta }}$

این درحالیست که ${\displaystyle c_{\text{i}\alpha }}$

${\displaystyle {\mathrm{\Gamma }}_i=\frac{N_{\text{i}\alpha }}{A}}$

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

تکنیک های زیادی برای تقویت ترشوندگی قابل استفاده است. از عملیات سطحی، مانند اصلاح کرونا ، اصلاح پلاسمایی و اسید اچینگ، 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.

• زاویه تماس
• کشش سطحی
• انرژی آزاد گیبس

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