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Savez-vous combien d'énergie il faut pour créer une surface ? Découvrez le mystère de l'énergie de surface !
Dans la science des matériaux et la science des surfaces, l'énergie de surface joue un rôle crucial. Ce concept implique non seulement la structure et les propriétés de la matière, mais également la manière dont la matière interagit avec l'environnement. L’énergie de surface peut être considérée comme le changement d’énergie provoqué par les liaisons intermoléculaires qui doivent être surmontées pour créer une surface. Afin d’approfondir notre compréhension de l’énergie de surface, nous devons explorer ses méthodes de mesure, ses méthodes de calcul et son champ d’application.
L'énergie de surface est la différence d'énergie entre la surface d'une substance et son intérieur, qui peut affecter le comportement dynamique et la réactivité des solides.
Mesure de l'énergie de surface
Méthode de l'angle de contact
La méthode de mesure de l'énergie de surface la plus courante est l'expérience de l'angle de contact. Cette méthode évalue l'énergie de surface en mesurant l'angle de contact d'un liquide avec une surface solide. Les liquides couramment utilisés sont l'eau et le diiodométhane. À partir des lectures de l’angle de contact et de la tension superficielle connue du liquide, les chercheurs peuvent calculer l’énergie de surface.
À mesure que l'énergie de surface augmente, l'angle de contact diminue, indiquant une interaction accrue entre le liquide et la surface.
Autres méthodes de mesure
En plus de la méthode de l'angle de contact, l'énergie de surface d'un liquide peut être mesurée en étirant le film liquide. Cependant, cette méthode ne convient pas aux solides car l’étirement d’une membrane solide induit une énergie élastique en interne. L'énergie de surface d'un solide est généralement mesurée à des températures élevées, de sorte que le solide se déforme alors que son volume reste à peu près constant.
Calcul de l'énergie de surface
Énergie de surface du solide déformé
Lors de la déformation d'un solide, l'énergie de surface peut être considérée comme « l'énergie nécessaire pour créer une unité de surface ». En d’autres termes, c’est la différence entre l’énergie totale du système avant et après déformation.
Énergie de formation de surface des solides cristallins
Dans la théorie fonctionnelle de la densité, l'énergie de surface d'un solide cristallin peut être calculée à partir de l'énergie totale des deux surfaces. Le défi ici est de garantir que les surfaces supérieure et inférieure aient les mêmes propriétés.
Le calcul de l'énergie de surface nécessite souvent d'obtenir des mesures d'énergie relatives à différentes interfaces de matériaux dans les mêmes conditions de cristallisation.
Énergie d'interface et mouillabilité
Phénomène de mouillage
L'énergie de surface a une influence importante sur les phénomènes de mouillage. Par exemple, lorsqu’une gouttelette de liquide atterrit sur un substrat solide, le substrat est considéré comme mouillé si son énergie de surface change.
Angle de contact et paramètres de mouillage
La taille de l'angle de contact peut refléter directement l'état de mouillage du liquide sur la surface. Plus l'angle de contact est petit, plus la mouillabilité est forte ; plus l'angle de contact est grand, plus la mouillabilité est faible.
Lorsque l'angle de contact est égal à 0°, le liquide mouille complètement le substrat ; si l'angle de contact est égal à 90°, la mouillabilité est considérée comme extrêmement faible.
Conclusion
L'énergie de surface et ses méthodes de mesure et de calcul occupent une place importante dans la science des matériaux, participant à tous les aspects, de la recherche fondamentale aux sciences et technologies appliquées. Cela soulève une question qui mérite réflexion : dans la conception future des matériaux, comment exploiter pleinement les caractéristiques de l’énergie de surface pour améliorer les performances et la fonctionnalité des matériaux ?
