Language
Country/Area
No result found
Знаете ли вы, сколько энергии требуется для создания поверхности? Раскройте тайну поверхностной энергии!
В материаловедении и науке о поверхности поверхностная энергия играет решающую роль. Это понятие включает в себя не только строение и свойства материи, но и то, как материя взаимодействует с окружающей средой. Поверхностную энергию можно рассматривать как изменение энергии, вызванное межмолекулярными связями, которые необходимо преодолеть для создания поверхности. Чтобы углубить наше понимание поверхностной энергии, нам необходимо изучить методы ее измерения, методы расчета и сферу применения.
Поверхностная энергия — это разница в энергии между поверхностью вещества и его внутренней частью, которая может влиять на динамическое поведение и реакционную способность твердых тел.
Измерение поверхностной энергии
Метод угла контакта
Наиболее распространенным методом измерения поверхностной энергии является эксперимент по углу контакта. Этот метод оценивает поверхностную энергию путем измерения угла контакта жидкости с твердой поверхностью. Обычно используемыми жидкостями являются вода и дииодметан. На основании показаний угла контакта и известного поверхностного натяжения жидкости исследователи могут рассчитать поверхностную энергию.
По мере увеличения поверхностной энергии угол контакта уменьшается, что указывает на усиление взаимодействия между жидкостью и поверхностью.
Другие методы измерения
В дополнение к методу угла смачивания поверхностную энергию жидкости можно измерить путем растяжения пленки жидкости. Однако этот метод не подходит для твердых тел, поскольку растяжение твердой мембраны вызывает внутреннюю упругую энергию. Поверхностная энергия твердого тела обычно измеряется при высоких температурах, поэтому твердое тело деформируется, а его объем остается примерно постоянным.
Расчет поверхностной энергии
Поверхностная энергия деформированного твердого тела
При деформации твердого тела поверхностную энергию можно рассматривать как «энергию, необходимую для создания единицы площади поверхности». Другими словами, это разница полной энергии системы до и после деформации.
Энергия образования поверхности кристаллических твердых тел
В теории функционала плотности поверхностная энергия кристаллического твердого тела может быть рассчитана из полной энергии двух поверхностей. Задача здесь состоит в том, чтобы обеспечить одинаковые свойства верхней и нижней поверхностей.
Расчет поверхностной энергии часто требует получения измерений энергии относительно различных границ раздела материалов в одних и тех же условиях кристаллизации.
Энергия интерфейса и смачиваемость
Явление смачивания
Поверхностная энергия оказывает важное влияние на явления смачивания. Например, когда капля жидкости падает на твердую подложку, подложка считается смоченной, если изменяется поверхностная энергия подложки.
Угол контакта и параметры смачивания
Размер угла контакта может напрямую отражать состояние смачивания жидкости на поверхности. Чем меньше угол смачивания, тем сильнее смачиваемость; чем больше угол смачивания, тем слабее смачиваемость;
При угле смачивания, равном 0°, жидкость полностью смачивает подложку; если угол смачивания равен 90°, смачиваемость считается крайне низкой.
Заключение
Поверхностная энергия и методы ее измерения и расчета занимают важное место в материаловедении, участвуя во всех аспектах: от фундаментальных исследований до прикладной науки и технологий. Это поднимает вопрос, над которым стоит задуматься: как в будущем дизайне материалов в полной мере использовать характеристики поверхностной энергии для улучшения характеристик и функциональности материала?
