Wat is oppervlakte-energie?

Binnen een vaste massa worden moleculen omgeven door identieke moleculen met dezelfde energiemetingen. Aan het oppervlak van de vaste stof zijn moleculen echter waarschijnlijk in contact met lucht en soms vloeistoffen of andere massa's van verschillende energiemetingen. Dientengevolge zijn metingen van oppervlakte-energie altijd anders dan die gevonden in de massa van een vaste stof.

Alle drie fasen - vast, vloeibaar en lucht - hebben meetbare oppervlakte-energieën en oppervlaktespanningen. Moleculen hebben zowel zogenaamde "adhesieve aandrijvingen" als "samenhangende aandrijvingen" die de manieren bepalen waarop ze omgaan met de moleculen om hen heen. Zelfklevende schijven proberen te binden met andere soorten moleculen, terwijl samenhangende schijven proberen te binden met soortgelijke moleculen. Als cohesieve schijven prominenter aanwezig zijn, zullen vloeibare moleculen alleen op een oppervlak parelen omdat ze andere moleculen weerstaan; het omgekeerde is waar als lijmaandrijvingen prominenter zijn.

Oppervlakte-energie, oppervlaktespanning en oppervlaktedichtheidsspanningsmetingen analyseren het bevochtigingsgedrag tussen vloeistoffen en vaste stoffen wanneer wetenschappers testen op de thermodynamische eigenschappen van vaste stoffen. Wanneer vloeibare moleculen op een vast oppervlak ophopen in samenhang, kunnen wetenschappers de contacthoek van die moleculen op het vaste oppervlak meten. Deze contacthoekmeting wordt genomen met een instrument dat een goniometer wordt genoemd, die bepaalt in welke mate de cohesie of hechting in de ascendentie is. Twee andere krachten kunnen in dit geval de oppervlakte-energie beïnvloeden. Als het oppervlak ruw is of bekend staat als hydrofoob, dan veroorzaakt dit dat vloeistoffen onder hogere hoeken gaan parelen; omgekeerd, wanneer een oppervlak hydrofiel is, kan een vloeistofdruppel zich verspreiden om zo veel van het oppervlak te bedekken als de vloeibare moleculen kunnen bereiken.

Oppervlakte-energiemetingen worden meestal uitgevoerd bij extreem hoge temperaturen, wanneer vaste stoffen reageren door lichte bewegingen onder de stress van hitte, maar het volume is vrijwel constant. Vloeibare oppervlakte-energiemetingen worden uitgevoerd met behulp van een zogenaamde "vloeistofmembraanrek" van het oppervlak. Eén methode, de Dynamic Wilhelmy-methode genoemd, omvat het onderdompelen van een vaste stof in een vloeistof die eerder is gemeten voor oppervlaktespanning, en vervolgens het meten van de bevochtigingskrachten terwijl de vaste stof wordt vrijgegeven uit de vloeistof. Een andere methode, de Powder Contact Angle Method, wordt gebruikt wanneer wetenschappers de absorptieniveaus en oppervlakte-energieën van poreuze materialen en poeders moeten weten.

Praktische toepassingen van deze oppervlakte-energiemetingen en testprocedures komen de ontwikkeling van industriële en consumentenproducten ten goede. Metalen bedekt met polymeren vertrouwen op de kennis van wetenschappers van hechting en cohesie voor hun sterkte en duurzaamheid. De oppervlakte-energiemetingen van materialen worden uitgevoerd voor toepassingen van oxidatie en chemische binding. Bij lithografie moeten inkten op een zodanige manier worden aangebracht dat beeldgebieden inkten kunnen absorberen en niet-beeldgebieden vrij van inkten kunnen blijven; oppervlakte-energieonderzoek heeft deze processen verfijnd.