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表面を作るのにどれくらいのエネルギーが必要か知っていますか? 表面エネルギーの謎を解き明かしましょう!
材料科学と表面科学では、表面エネルギーが重要な役割を果たします。この概念には、物質の構造と特性だけでなく、物質が環境とどのように相互作用するかも含まれます。表面エネルギーは、表面を作成するために克服する必要がある分子間結合によって引き起こされるエネルギーの変化と考えることができます。表面エネルギーについての理解を深めるためには、その測定方法、計算方法、応用範囲を探る必要があります。
表面エネルギーは物質の表面と内部の間のエネルギーの差であり、固体の動的挙動と反応性に影響を与える可能性があります。
表面エネルギーの測定
接触角法
最も一般的な表面エネルギー測定方法は接触角実験です。液体と固体表面の接触角を測定することで表面エネルギーを評価する方法です。一般的に使用される液体は水とジヨードメタンです。接触角の測定値と液体の既知の表面張力から、研究者は表面エネルギーを計算できます。
表面エネルギーが増加すると、接触角が減少し、液体と表面の間の相互作用が増加することを示します。
その他の測定方法
液体の表面エネルギーは、接触角法以外にも、液膜を伸ばすことで測定できます。ただし、固体膜を伸ばすと内部に弾性エネルギーが生じるため、この方法は固体には適していません。固体の表面エネルギーは通常、高温で測定されるため、固体はその体積がほぼ一定のまま変形します。
表面エネルギーの計算
変形した固体の表面エネルギー
固体の変形中、表面エネルギーは「単位表面積を作成するのに必要なエネルギー」と見なすことができます。言い換えれば、変形前後の系の総エネルギーの差です。
結晶固体の表面形成エネルギー
密度汎関数理論では、結晶固体の表面エネルギーは 2 つの表面の合計エネルギーから計算できます。ここでの課題は、上面と下面が同じ特性を持つようにすることです。
表面エネルギーの計算では、多くの場合、同じ結晶化条件下での異なる材料界面に対するエネルギー測定値を取得する必要があります。
界面エネルギーと濡れ性
濡れ現象
表面エネルギーは濡れ現象に重要な影響を与えます。たとえば、液滴が固体基板上に着地するとき、基板の表面エネルギーが変化すると、基板は濡れていると見なされます。
接触角と濡れパラメータ
接触角の大きさは、表面上の液体の濡れ状態を直接反映することができます。接触角が小さいほど濡れ性が強くなり、接触角が大きいほど濡れ性が弱くなります。
接触角が 0°に等しい場合、液体は基板を完全に濡らしており、接触角が 90°に等しい場合、濡れ性は非常に低いと考えられます。
結論
表面エネルギーとその測定および計算方法は材料科学において重要な位置を占めており、基礎研究から応用科学技術に至るあらゆる側面に関与しています。これは熟考に値する問題を提起します。将来の材料設計において、表面エネルギーの特性を最大限に活用して材料の性能と機能を向上させるにはどうすればよいでしょうか?
