Pintaenergia

Pintaenergiaksi kutsutaan kiinteän aineen tai nesteen ja kaasun väliseen rajapintaan sitoutunutta energiaa. Yksi sen esiintymismuodoista on nesteen pintajännitys. Pintaenergiaa kuvaava mittayksikkö on joulea neliömetrillä eli J/m².
Pinnassa olevilla molekyyleillä on enemmän energiaa kuin materiaalin sisäosissa olevilla molekyyleillä, eli molekyylin on energeettisesti suotuisaa olla materiaalin sisällä. Jos näin ei olisi, molekyylit pyrkisivät pois bulkkimateriaalista muodostaakseen uusia pintoja. Pintaenergia voidaan siksi määritellä ylimääräiseksi energiaksi verrattuna materiaalin sisäosien energiaan.
Nesteille pintajännitys ja pintaenergian tiheys ovat identtisiä. Veden pintaenergian tiheys on 0,072 J/m² ja pintajännitys 0,072 N/m; yksiköt ovat toisiaan vastaavat, mutta vain ilmaistu toisin. Kun liuos on muodostettu kahdesta nesteestä tai kiinteän aineen liuoksesta, pintajännityksen arvo voi poiketa vastaavasta puhtaan nesteen arvosta. Tätä ilmiötä voidaan kuvata Gibbsin isotermillä.

Kostuminen

Kiinteällä aineella on korkea pintaenergia, jos se on muodostunut kovalenttisin sidoksin, ionisidoksin tai se on metalli. Kiteisillä aineilla, joissa molekyylien välillä on van der Waalsin voimia tai vetysidoksia, on matala pintaenergia. Kostutus tapahtuu parhaiten silloin, kun alustan pintaenergia on suuri ja kostuttavan aineen pintaenergia pieni. Esimerkiksi maalin kostuttavuutta voidaan parantaa lisäämällä siihen erilaisia lisäaineita, jotka alentavat sen pintaenergiaa. Kostutettavan pinnan kostumista voidaan parantaa esimerkiksi puhdistamalla pintaa.

Goniometri

Goniometri on laite, jonka avulla voidaan analysoida pisaran geometriaa ja määrittää näin tutkittavan nesteen kontaktikulma ja pintajännitys. Pintaenergia voidaan laskea mitatun pintajännityksen ja nesteen ja pinnan välisen kontaktikulman avulla.
Pintajännityksen laskemiseksi kaasufaasin ja kiinteän pinnan välinen jännitys mitataan käyttäen referenssinesteitä (esim. vesi tai glyseroli). Analysoitava neste siirretään ruiskulla laitteessa olevalle tarkastelupinnalle ja pisarasta otetaan yksittäinen kuva tai useita kuvia, joista tehdään elokuva. Filmin data digitalisoidaan harmaaskaalakuviksi, joita analysoimalla voidaan määrittää esimerkiksi nesteen ja pinnan välinen kontaktikulma ja nesteen pintajännitys.
Pintajännitys määritetään sovittamalla Young-Laplace -yhtälö pisaran muotoon. Kontaktikulma mitataan laskemalla kulmakerroin pisaran tangentille suhteessa kiinteään tasoon. Mittauksissa oletetaan, että pisara on symmetrinen pisaran keskellä olevan pystysuoran akselin ympärillä eli oletetaan, että pisaran tarkastelusuunnalla ei ole väliä. Menetelmässä oletetaan myös, että viskositeetti tai inertia ei vaikuta pisaran muotoon vaan ainoastaan faasien välien jännitys ja painovoima muovaavat pisaraa.
Goniometri kalibroidaan tekemällä optinen suurennos. Kalibrointi voidaan tehdä korkealla tarkkuudella ja se on helppo jäljittää kansainvälisiin standardeihin. Laitteessa olevien kiinteiden pintojen ei tarvitse olla erityisen puhtaita, koska niiden kostuvuus ei sinänsä vaikuta mittaustulokseen. Tämä on merkittävä etu esimerkiksi Wihelmyn levy-menetelmään nähden, jossa pinnan täytyy olla hyvin puhdas.

Wilhelmyn levy-menetelmä

Kontaktikulmaa voidaan mitata myös Wilhelmyn levy-menetelmällä. Menetelmässä tutkittavan nesteen rajapintaa kohtisuoraan suunnattu levy upotetaan nesteeseen. Tämän jälkeen nesteastiaa liikutetaan alaspäin, jolloin levy nousee nesteestä, ja nesteen levyyn kohdistama voima mitataan tensiometrillä. Mitatun voiman avulla voidaan laskea kontaktikulma seuraavalla yhtälöllä
jossa F on tensiometrillä mitattu kokonaisvoima,  on nosteen aiheuttama voima, joka syntyy, kun levy upotetaan nesteeseen,  on levyn pituus ja  on nesteen pintajännitys.
Wilhelmyn levy-menetelmällä saadaan melko objektiivisia mittaustuloksia, joiden perusteella voidaan laskea tarkkoja keskiarvoja. Mittauksissa käytetyllä levyllä täytyy olla yhtenäinen poikkileikkaus ja levyn pituus täytyy mitata tarkasti. Menetelmä toimii vain, jos levyn molemmat puolet ovat identtiset.