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Você sabe quanta energia é necessária para criar uma superfície? Descubra o mistério da energia superficial!
Na ciência dos materiais e na ciência de superfícies, a energia de superfície desempenha um papel crucial. Este conceito envolve não apenas a estrutura e as propriedades da matéria, mas também como a matéria interage com o meio ambiente. A energia superficial pode ser considerada como a mudança na energia causada pelas ligações intermoleculares que precisam ser superadas para criar uma superfície. Para aprofundar a nossa compreensão da energia superficial, precisamos explorar os seus métodos de medição, métodos de cálculo e âmbito de aplicação.
Energia superficial é a diferença de energia entre a superfície de uma substância e seu interior, que pode afetar o comportamento dinâmico e a reatividade dos sólidos.
Medição da energia superficial
Método do ângulo de contato
O método de medição de energia superficial mais comum é o experimento do ângulo de contato. Este método avalia a energia superficial medindo o ângulo de contato de um líquido com uma superfície sólida. Os líquidos comumente usados são água e diiodometano. A partir das leituras do ângulo de contato, além da tensão superficial conhecida do líquido, os pesquisadores podem calcular a energia superficial.
À medida que a energia superficial aumenta, o ângulo de contato diminui, indicando uma maior interação entre o líquido e a superfície.
Outros métodos de medição
Além do método do ângulo de contato, a energia superficial de um líquido pode ser medida esticando o filme líquido. No entanto, este método não é adequado para sólidos porque o estiramento de uma membrana sólida induz energia elástica internamente. A energia superficial de um sólido é geralmente medida em altas temperaturas, de modo que o sólido se deforma enquanto seu volume permanece aproximadamente constante.
Cálculo da energia superficial
Energia superficial de sólido deformado
Durante a deformação de um sólido, a energia superficial pode ser vista como "a energia necessária para criar uma área superficial unitária". Em outras palavras, é a diferença na energia total do sistema antes e depois da deformação.
Energia de formação superficial de sólidos cristalinos
Na teoria do funcional da densidade, a energia superficial de um sólido cristalino pode ser calculada a partir da energia total das duas superfícies. O desafio aqui é garantir que as superfícies superior e inferior tenham as mesmas propriedades.
O cálculo da energia superficial geralmente requer a obtenção de medições de energia relativas a diferentes interfaces de materiais sob as mesmas condições de cristalização.
Energia de interface e molhabilidade
Fenômeno de molhamento
A energia superficial tem uma influência importante nos fenômenos de molhamento. Por exemplo, quando uma gota de líquido cai sobre um substrato sólido, o substrato é considerado molhado se a energia superficial do substrato mudar.
Ângulo de contato e parâmetros de umedecimento
O tamanho do ângulo de contato pode refletir diretamente o estado de umedecimento do líquido na superfície. Quanto menor o ângulo de contato, mais forte será a molhabilidade; quanto maior o ângulo de contato, mais fraca será a molhabilidade;
Quando o ângulo de contato é igual a 0°, o líquido molha completamente o substrato; se o ângulo de contato for igual a 90°, a molhabilidade é considerada extremamente baixa;
Conclusão
A energia superficial e seus métodos de medição e cálculo ocupam uma posição importante na ciência dos materiais, participando em todos os aspectos, desde a pesquisa básica até a ciência e tecnologia aplicadas. Isto levanta uma questão que vale a pena ponderar: no futuro design de materiais, como aproveitar ao máximo as características da energia superficial para melhorar o desempenho e a funcionalidade dos materiais?
