Che cos'è l'energia superficiale?

All'interno di una massa solida, le molecole sono circondate da molecole identiche con misurazioni di energia simili. Sulla superficie del solido, tuttavia, è probabile che le molecole siano in contatto con l'aria e talvolta liquidi o altre masse di diverse misurazioni di energia. Di conseguenza, le misurazioni dell'energia superficiale sono sempre diverse da quelle rilevate all'interno della massa di un solido.

Tutte e tre le fasi - solido, liquido e ad aria - hanno energie e tensioni superficiali misurabili. Le molecole hanno sia quelle che vengono chiamate "unità adesive" che "unità coesive" che governano i modi in cui interagiscono con le molecole che li circondano. Le pulsazioni adesive cercano di legarsi con altri tipi di molecole, mentre le pulsioni coesive cercano di legarsi con molecole simili. Se le pulsioni coesive sono più importanti, le molecole liquide si sollevano su una superficie solo mentre resistono ad altre molecole; è vero il contrario se le unità adesive sono più prominenti.

Le misurazioni di energia superficiale, tensione superficiale e densità superficiale analizzano il comportamento di bagnatura tra liquidi e solidi quando gli scienziati stanno testando le proprietà termodinamiche dei solidi. Quando le molecole liquide su una superficie solida si uniscono in coesione, gli scienziati possono misurare l'angolo di contatto di quelle molecole sulla superficie solida. Questa misurazione dell'angolo di contatto viene presa con uno strumento chiamato goniometro, che determina in che misura la coesione o l'adesione sono in ascesa. Altre due forze possono influenzare l'energia di superficie in questo caso. Se la superficie è ruvida o nota come idrofobica, questo fa sì che i liquidi imperlino ad angoli più alti; viceversa, quando una superficie è idrofila, una goccia di liquido può estendersi per coprire la maggior parte della superficie che le molecole di liquido possono raggiungere.

Le misurazioni dell'energia superficiale vengono solitamente eseguite a temperature estremamente elevate, quando i solidi reagiscono con leggeri movimenti sotto lo stress del calore ma il volume è quasi costante. Le misurazioni dell'energia superficiale liquida vengono prese usando quello che viene chiamato un "tratto di membrana liquida" della superficie. Un metodo, chiamato Dynamic Wilhelmy Method, prevede l'immersione di un solido in un liquido che è stato precedentemente misurato per la tensione superficiale e quindi la misurazione delle forze di bagnatura quando il solido viene rilasciato dal liquido. Un altro metodo, chiamato il metodo dell'angolo di contatto con la polvere, viene utilizzato quando gli scienziati devono conoscere i livelli di assorbimento e le energie superficiali dei materiali porosi e delle polveri.

Le applicazioni pratiche di queste misurazioni dell'energia superficiale e le procedure di test avvantaggiano lo sviluppo di prodotti industriali e di consumo. I metalli rivestiti con polimeri si basano sulle conoscenze degli scienziati sull'adesione e sulla coesione per la loro forza e durata. Le misurazioni dell'energia superficiale dei materiali vengono prese per applicazioni di ossidazione e legame chimico. Nella litografia, gli inchiostri devono essere applicati in modo tale da consentire alle aree dell'immagine di assorbire gli inchiostri e le aree non dell'immagine per rimanere prive di inchiostri; la ricerca sull'energia di superficie ha affinato questi processi.