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¿Por qué la energía en la superficie de un sólido siempre es mayor que en su interior? ¿Sabes cuál es el secreto?
En la ciencia de los materiales, la energía superficial de los sólidos es un concepto importante para comprender las propiedades de la materia sólida. Al analizar la estructura cristalina y las propiedades superficiales de un sólido, no es difícil encontrar que la energía en la superficie del sólido es siempre mayor que la energía en el interior. ¿Por qué sucede esto? Esta pregunta no sólo afecta al rostro, sino que también profundiza en la estructura atómica microscópica y en el enlace químico.
La energía superficial existe debido a la diferencia en los enlaces entre los átomos de la superficie y los átomos dentro del cuerpo: los átomos de la superficie no están tan estrechamente conectados a sus vecinos como lo están los átomos dentro del cuerpo.
Cuando se corta un material sólido, la acción hace que la estructura dentro del sólido se rompa y cree una nueva superficie. Esto se debe a que dentro del sólido, los enlaces entre los átomos son estables y cada átomo está rodeado de otros átomos, formando una fuerte estructura de red. La situación es diferente para los átomos de la superficie, que no están completamente unidos a los átomos circundantes. Este enlace incompleto hace que los átomos superficiales tengan mayor energía en relación con los átomos internos, por lo que pensaríamos que la energía superficial de un sólido es siempre mayor que su energía interna.
Medición y evaluación de la energía superficial Dependiendo de lo que necesiten saber, los científicos han desarrollado una variedad de métodos para medir la energía superficial de los sólidos. Uno de los métodos más comunes es la prueba del ángulo de contacto. Este método calcula la energía superficial de una superficie sólida midiendo el ángulo de contacto entre la superficie sólida y el líquido que la penetra. Cuando el ángulo de contacto es pequeño, significa que el líquido penetra mejor en la superficie sólida y su energía superficial es mayor; por el contrario, un ángulo de contacto mayor indica que el sólido tiene una atracción más débil hacia el líquido y la energía superficial es relativamente baja.Este "exceso de energía" representa un enlace no realizado y es una de las principales razones de la alta energía superficial de los sólidos.
La conveniencia de esta prueba es que no requiere demasiado equipo experimental y se puede aplicar a una variedad de materiales diferentes, lo que facilita la investigación académica y las aplicaciones industriales.
Cálculo de la energía superficial del sólido
Tomando como ejemplo la deformación de un sólido, cuando un sólido se somete a tensión, la energía superficial modificada puede considerarse como "la energía necesaria para crear una unidad de área superficial". Este concepto nos ayuda a comprender cómo cambian las propiedades físicas de los sólidos en diferentes condiciones. Por ejemplo, utilizando la teoría del funcional de la densidad (DFT) podemos predecir la energía superficial de los sólidos y comprender mejor los cambios en las propiedades de los materiales durante el enfriamiento, el calentamiento y la deformación.
Además, los experimentos con sólidos a altas temperaturas también pueden medir con mayor precisión su energía superficial. En este caso, el sólido presenta diferentes propiedades de flujo, cambiando así su área superficial mientras mantiene casi el mismo volumen.
Energía de interfase y humectabilidad
Otro aspecto a destacar es la energía de interfaz, que tiene un impacto significativo en los parámetros termodinámicos del material. La "mojabilidad" del líquido sobre el sólido se hace evidente cuando consideramos una gota de líquido extendiéndose sobre la superficie de un sólido. Esto está relacionado además con la energía superficial del sólido, ya que diferentes energías superficiales conducirán a diferentes comportamientos de humectación del líquido.
ConclusiónLa mojabilidad no es sólo un fenómeno macroscópico, sino que también tiene sus raíces en interacciones microestructurales, como la afinidad de los átomos con las superficies en contacto.
El motivo por el cual la superficie de un sólido siempre tiene mayor energía que su interior tiene su raíz en las características de su estructura atómica, los enlaces no realizados y la reacción del sólido en diferentes entornos. El estudio de la energía superficial no sólo es un tema importante en la ciencia de los materiales, sino que también tiene implicaciones para diversas aplicaciones de ingeniería. A medida que exploramos más estos fenómenos, no podemos evitar preguntarnos: en la ciencia de los materiales del futuro, ¿cómo podemos utilizar de manera más eficiente las propiedades de la energía superficial para crear materiales más eficientes?
