Was ist Oberflächenenergie?
Innerhalb einer festen Masse sind Moleküle von identischen Molekülen mit ähnlichen Energiemessungen umgeben. An der Oberfläche des Festkörpers sind Moleküle jedoch wahrscheinlich in Kontakt mit Luft und manchmal Flüssigkeiten oder anderen Massen unterschiedlicher Energiemessungen. Daher unterscheiden sich Oberflächenenergiemessungen immer von denen in der Masse eines Festkörpers.
Alle drei Phasen - fest, flüssig und luft - weisen messbare Oberflächenenergien und Oberflächenspannungen auf. Moleküle haben sowohl sogenannte "Adhäsionsantriebe" als auch "Kohäsionsantriebe", die die Art und Weise steuern, in der sie mit den sie umgebenden Molekülen interagieren. Adhäsive Antriebe versuchen, sich mit anderen Arten von Molekülen zu verbinden, während kohäsive Antriebe versuchen, sich mit ähnlichen Molekülen zu verbinden. Wenn kohäsive Antriebe ausgeprägter sind, perlen flüssige Moleküle nur dann auf einer Oberfläche, wenn sie anderen Molekülen widerstehen. Das Gegenteil ist der Fall, wenn Adhäsiv-Laufwerke eine größere Rolle spielen.
Messungen von Oberflächenenergie, Oberflächenspannung und Oberflächendichtespannung analysieren das Benetzungsverhalten zwischen Flüssigkeiten und Festkörpern, wenn Wissenschaftler die thermodynamischen Eigenschaften von Festkörpern untersuchen. Wenn sich flüssige Moleküle auf einer festen Oberfläche zu einer Kohäsion zusammenballen, können Wissenschaftler den Kontaktwinkel dieser Moleküle auf der festen Oberfläche messen. Diese Kontaktwinkelmessung wird mit einem als Goniometer bezeichneten Instrument durchgeführt, das bestimmt, inwieweit Kohäsion oder Adhäsion im Aufstieg begriffen sind. In diesem Fall können zwei andere Kräfte die Oberflächenenergie beeinflussen. Wenn die Oberfläche rau ist oder als hydrophob bezeichnet wird, perlen Flüssigkeiten unter höheren Winkeln ab. Wenn umgekehrt eine Oberfläche hydrophil ist, kann sich ein Flüssigkeitstropfen ausbreiten, um so viel von der Oberfläche zu bedecken, wie die flüssigen Moleküle erreichen können.
Oberflächenenergiemessungen werden normalerweise bei extrem hohen Temperaturen durchgeführt, wenn Feststoffe durch leichte Bewegungen unter Wärmebelastung reagieren, das Volumen jedoch nahezu konstant ist. Messungen der Flüssigkeitsoberflächenenergie werden unter Verwendung einer sogenannten "Flüssigkeitsmembrandehnung" der Oberfläche durchgeführt. Eine Methode, die als dynamische Wilhelmy-Methode bezeichnet wird, besteht darin, einen Feststoff in eine Flüssigkeit zu tauchen, deren Oberflächenspannung zuvor gemessen wurde, und dann die Benetzungskräfte zu messen, wenn der Feststoff aus der Flüssigkeit freigesetzt wird. Eine andere Methode, die sogenannte Pulverkontaktwinkelmethode, wird eingesetzt, wenn Wissenschaftler die Absorptionsgrade und Oberflächenenergien von porösen Materialien und Pulvern kennen müssen.
Die praktische Anwendung dieser Oberflächenenergiemessungen und Testverfahren kommt der Entwicklung von Industrie- und Verbraucherprodukten zugute. Mit Polymeren beschichtete Metalle stützen sich auf das Wissen der Wissenschaftler über Adhäsion und Kohäsion hinsichtlich ihrer Festigkeit und Haltbarkeit. Die Oberflächenenergiemessungen der Materialien werden für Oxidations- und chemische Bindungsanwendungen durchgeführt. In der Lithografie müssen Tinten so aufgebracht werden, dass Bildbereiche Tinten absorbieren und Nicht-Bildbereiche tintenfrei bleiben. Die Oberflächenenergieforschung hat diese Prozesse verfeinert.