انرژی سطح
انرژی آزاد سطحی یا انرژی سطح کمیتی است که اختلال در پیوندهای بین مولکولی هنگام ایجاد یک سطح جدید را توصیف میکند. در فیزیک جامدات ، مولکولهای روی سطح انرژی بیشتری در مقایسه با مولکولهای موجود در بخش عمده (حجم) مواد دارند ، در غیر این صورت نیروی محرکه ای در حجم مواد ایجاد خواهد شد تا به سطح تبدیل شوند ، که در ادامه بخش عمده ای از مواد را از بین می برد (نگاه کنید به تصعید ). بنابراین ممکن است انرژی سطح به عنوان انرژی اضافی در سطح یک ماده نسبت به حجم (عمده) ماده تعریف شود یا این که کار مورد نیاز برای ساختن یک سطح جدید از یک سطح خاص (قدیمی) تعریف شود. راه دیگر برای درک و شهود انرژی سطح ، بررسی ارتباط آن با کار مورد نیاز برای برش یک نمونه حجم و ایجاد دو سطح جدید است.
برش یک جسم جامد به قطعات کوچکتر ، پیوندهای سطحی آن را ازبین می برد و بنابراین انرژی آزاد را افزایش می دهد. اگر برش به صورت برگشت پذیر انجام شود ،در نتیجه آن بقای انرژی به معنای آن است که انرژی حاصل از فرایند برش برابر با انرژی درونی در دو سطح جدید ایجاد شده خواهد بود. بنابراین ، مقدار انرژی سطح ماده می تواند حاصل از پیوستگی (چسبندگی) بین مواد باشد. در عمل ، همه این موارد برای حالتی است که جسم در خلا بریده شده باشد. سطوح اغلب شکل خود را به دور از مدل ساده "پیوند شکسته" که در بالا ذکر شد تغییر می دهند. به نظر می رسد که آنها مناطق بسیار پویا (دینامیکی) هستند که به راحتی و سریع ساختار بندی مجدد یا واکنش نشان می دهند ، به طوری که انرژی اغلب توسط فرایندهای منفعل یا جذب کاهش می یابد. اندازه گیری انرژی سطح با اندازه گیری زاویه تماس
متداول ترین روش اندازه گیری انرژی سطح از طریق آزمایش های زاویه تماس است. در این روش ، زاویه تماس سطح با چندین مایع ، معمولاً آب و دیودودمتان اندازه گیری می شود. با توجه به نتایج زاویه تماس و دانستن کشش سطحی مایعات ، می توان انرژی سطح را محاسبه کرد. در عمل ، این تجزیه و تحلیل به طور خودکار توسط یک زاویه تماس سنج انجام می شود.
چندین مدل مختلف برای محاسبه انرژی سطح بر اساس خواندن و روش اندازه گیری زاویه تماس وجود دارد. متداول ترین روش OWRK است که نیاز به استفاده از دو لیکویید پروب دارد و در نهایت انرژی کل سطح را می دهد و آن را به اجزای قطبی و پراکندگی تقسیم می کند.
وش زاویه تماس با توجه به سادگی ، کاربرد در طیف گسترده ای از سطوح و سرعت ، روش استاندارد اندازه گیری انرژی سطح محسوب میشود. این نوع اندازه گیری می تواند کاملاً خودکار و استاندارد شده باشد.
انرژی سطح یک مایع ممکن است با کشش یک غشای مایع (که باعث افزایش سطح و در نتیجه انرژی سطح می شود) اندازه گیری شود. در این حالت ، برای افزایش سطح یک توده مایع توسط یک مقدار ، δA ، یک مقدار کار ، γδA ، لازم است (در حالی که γ چگالی انرژی سطح مایع است). با این وجود ، از چنین روشی نمی توان برای اندازه گیری انرژی سطح جامد استفاده کرد زیرا کشش غشای جامد علاوه بر افزایش انرژی سطح ، باعث افزایش انرژی الاستیک در حجم ماده می شود.
انرژی سطح یک جامد معمولاً در دماهای بالا اندازه گیری می شود. در چنین دماهایی خزش جامد و حتی موقعیت سطح تغییر می کند ، اما با این حال حجم تقریباً ثابت است. اگر γ چگالی انرژی سطح میله استوانه ای شکل با شعاع formula_1 و طول formula_2 در دمای بالا و یک تنش تک محوره ثابت formula_3 باشد درنهایت در معادله ، تغییرات کل انرژی آزاد هلملولتز حذف میشوند و ما خواهیم داشت:
formula_4
در حالیکه که formula_5 انرژی آزاد Helmholtz و formula_6 سطح میله است:
formula_7
همچنین ، از آنجا که حجم ( formula_8 ) میله ثابت است ، تغییر ( formula_9 ) حجم صفر است ، یعنی:
formula_10
بنابراین ، چگالی انرژی سطح می تواند به صورت زیر بیان شود:
formula_11
چگالی انرژی سطح جامد را می توان با جایگذاری formula_3 ، formula_1 و formula_2 در معادله محاسبه کرد.
این روش تنها در صورتی معتبر است که جامد ایزوتروپیک باشد، به این معنی که انرژی سطح برای کلیه جهت های کریستالوگرافی (بلورنگاری) یکسان است. در حالی که این تنها برای مواد جامد آمورف (شیشه ای) و مایعات صادق است ، ایزوتروپی تقریب خوبی برای بسیاری از مواد دیگر است. به طور خاص ، اگر نمونه چند ضلعی باشد (بیشتر فلزات) یا توسط پودر (بیشتر سرامیک ها) ساخته شده است ، این یک تقریب خوب است.
در تغییر شکل مواد جامد ، می توان انرژی سطح را به عنوان "انرژی مورد نیاز برای ایجاد یک واحد سطح" تعریف کرد. در واقع انرژی سطح تابعی است از تفاوت بین کل انرژیهای سیستم قبل و بعد از تغییر شکل :
formula_15
محاسبه انرژی سطح از اصول اولیه (برای مثال ، تئوری عملکردی چگالی) یک روش جایگزین برای اندازه گیری عملی است. انرژی سطح از متغیرهای زیر محاسبه می شود: عرض باند d ، تعداد الکترون های ظرفیتی لایه d ، و عدد هم آرایی (کوئوردیناسیون ) اتم ها در سطح و بخش عمده جامد.
در تئوری چگالی تابعی ، انرژی سطح را می توان از عبارت زیر محاسبه کرد:
formula_16
درحالیکه که formula_17 انرژی لایه سطح با استفاده از تئوری چگالی تابعی است. formula_18 تعداد اتم ها در لایه سطح است. formula_19 انرژی عمده ای برای هر اتم است. formula_6 مساحت سطح است برای یک لایه دو سطح داریم و آنها از یک نوع هستند که با عدد 2 در مخرج خود را بروز میدهند. برای تضمین این امر ، باید دال (ورقه / لایه) را با دقت ایجاد کنیم تا مطمئن شویم که سطوح بالا و پایین از یک نوع هستند.
حضور یک رابط ، کلیه پارامترهای ترمودینامیکی یک سیستم را تحت تأثیر قرار می دهد. دو مدل وجود دارد که معمولاً برای نشان دادن پدیده های سطحی استفاده می شود ، که عبارتند از مدل رابط ایده‌آل گیبس و مدل گوگنهایم است. به منظور نشان دادن ترمودینامیک یک سیستم میان سطحی با استفاده از مدل گیبس ، این سیستم را می توان به سه قسمت تقسیم کرد: دو مایع غیرقابل برگشت با حجم formula_21 و formula_22 و یک لایه مرزی بینهایت باریک معروف به صفحه تقسیم گیبس (σ) که این دو حجم را از هم جدا می کند.
حجم کل سیستم (مدل گیبس):
formula_23
تمام مقادیر گسترده سیستم را می توان به عنوان مجموعه ای از سه مؤلفه نوشت: فاز حجمی a ، فاز حجمی b ، و رابط سیگما. برخی از مثال ها شامل انرژی داخلی ( formula_24 ) تعداد مولکول های ماده د ام ( formula_25 ) و آنتروپی ( formula_26 )هستند:
formula_27
formula_28
formula_29
در حالی که این کمیت ها می توانند بین هر مؤلفه ای متفاوت باشند ، مقدار کل درون سیستم ثابت است. در رابط ، این مقادیر ممکن است که با فازها متفاوت باشد. غلظت مولکولهای موجود در رابط را می توان چنین تعریف کرد:
formula_30
این درحالیست که formula_31 و formula_32 غلظت ماده را به ترتیب در فاز های حجمی formula_33 و formula_34 نشان میدهند. میتوان تعریف جدیدی به اسم formula_35 ارایه داد که به ما امکان می دهد تعداد مولکول ها در واحد سطح را توصیف کنیم:
formula_36
متداول ترین پروتکل های اصلاح سطح عبارتند از: فعال سازی پلاسما ، عملیات شیمیایی مرطوب ، از جمله پیوند و روکش لایه های نازک.
تکنیک های زیادی برای تقویت ترشوندگی قابل استفاده است. از عملیات سطحی، مانند اصلاح کرونا ، اصلاح پلاسمایی و اسید اچینگ، می توان برای افزایش انرژی سطح بهره برد. برای کاهش انرژی سطح نیز می توان افزودنی هایی به مایع اضافه کرد. این روش اغلب در فرمولاسیون رنگ بکار می رود تا اطمینان حاصل شود که به طور مساوی روی یک سطح پخش خواهند شد.