Επιστήμη των Υλικών Ενότητα Ε: Χρώμα Κεφάλαιο Ε-6: Επιφανειακά Φαινόμενα Όνομα Καθηγητή: Αικατερίνη Πομόνη Τμήμα Φυσικής

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Πατρών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

Σκοποί ενότητας Μια σύντομη αναφορά στη δυναμική των επιφανειών και στις τεχνικές μελέτης τους

Περιεχόμενα ενότητας Εισαγωγή Δυναμική των επιφανειών Μελέτη επιφανειών Επιφανειακή τάση και τριχοειδή φαινόμενα

ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΧΡΩΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΧΡΩΜΑ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ

ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΑ ΚΑΙ ΔΙΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ Οι επιφάνειες των υλικών εμφανίζουν ιδιαίτερες και σημαντικές ιδιότητες. Σε έναν ιοντικό κρύσταλλο τα εσωτερικά φορτία αλληλοεξουδετερώνονται (εφ’ όσον υπάρχει συμμετρία) ενώ στην επιφάνεια μπορεί να υπάρχει ένα στρώμα ιόντων του ιδίου φορτίου. Μία σημαντική ιδιότητα της επιφάνειας είναι η ικανότητά της να αλληλεπιδρά με άλλα άτομα και μόρια

Τα μόρια αυτά μπορεί να είναι απορροφημένα (absorbed) στο εσωτερικό του υλικού (π.χ. άτομα που παρεμβάλλονται μεταξύ στρωμάτων γραφίτη- graphite intercalates) Στρώματα γραφίτη Απορροφημένα μόρια

Μπορούν επίσης να είναι προσροφημένα (adsorbed) επάνω στην επιφάνεια Στρώματα γραφίτη προσροφημένα μόρια

Η ισχύς της αλληλεπίδρασης μεταξύ των προσροφημένων στοιχείων και της επιφάνειας προσδιορίζει τον τύπο της προσρόφησης και εκφράζεται από το χημικό δυναμικό. Ουσιαστικά, χημικό δυναμικό είναι η ενέργεια που μπορεί να απορροφηθεί ή να απελευθερωθεί σε μια χημική αντίδραση. Στη μελέτη των επιφανειών είναι σημαντικό να έχουμε μεγάλες και καλά προσδιορισμένες επιφάνειες. Επειδή η μεταβολή της ενθαλπίας σχετίζεται με την προσρόφηση και αυτή με την επιφάνεια, το μέγεθος της επιφάνειας είναι ιδιαίτερης σημασίας.

Δυναμική των Επιφανειών Γνωρίζουμε ότι: Εσωτερική ενέργεια U είναι η ενέργεια που απαιτείται για να δημιουργηθεί ένα σύστημα χωρίς μεταβολές στη θερμοκρασία ή τον όγκο. Η εντροπία S αποτελεί ένα μέτρο της αταξίας των μορίων κατά τη θερμική κίνηση και ότι dS=dQαντ/T εξαρτάται μόνο από την αρχική και τελική κατάσταση Η ενθαλπία H ορίζεται H=U + pV όπου p η πίεση και V ο όγκος Η ενθαλπία Η αποτελεί ένα μέτρο της ολικής ενέργειας ενός θερμοδυναμικού συστήματος.

Περιλαμβάνει την εσωτερική ενέργεια και την ενέργεια που απαιτείται ώστε το σύστημα να αποκτήσει κάποιον όγκο. Η ενέργεια Gibbs ορίζεται: G=H-TS= U + pV-TS όπου Τ η θερμοκρασία Άρα η ενέργεια Gibbs είναι το μέγιστο ποσό ενέργειας που είναι διαθέσιμο για παραγωγή άλλου έργου εκτός από το έργο για τη μεταβολή του όγκου.

Η ενέργεια Gibbs αποτελεί ένα μέτρο της σχετικής σταθερότητας του συστήματος και της ικανότητάς του να παράγει έργο. Όταν το σύστημα βρίσκεται σε θερμοδυναμική ισορροπία, G=min. Η ενέργεια Gibbs μιας επιφάνειας είναι πάντοτε μεγαλύτερη από την ενέργεια μέσα στο στερεό (τα επιφανειακά άτομα δεν μπορούν να σχηματίσουν δεσμούς σε όλες τις κατευθύνσεις, όπως συμβαίνει με τα εσωτερικά άτομα)

Με την έννοια αυτή οι επιφάνειες είναι ασταθείς σε σχέση με το εσωτερικό του υλικού ►►► Η επιφάνεια τείνει να λάβει τη μικρότερη δυνατή τιμή

Άρα η επιφάνεια θα διαμορφώσει το σχήμα της ώστε η ενέργεια Gibbs να πάρει τη μικρότερη δυνατή τιμή. Οι φυσαλίδες έχουν σφαιρικό σχήμα γιατί αυτό εξασφαλίζει τη μικρότερη επιφάνεια για δεδομένο όγκο. Για δεδομένη μάζα, ομάδες μικρών κρυστάλλων προτιμούν ενεργειακά να σχηματίσουν ένα μεγάλο κρύσταλλο γιατί έτσι εξασφαλίζεται μικρότερη συνολική επιφάνεια και επομένως μικρότερη ενέργεια Gibbs.

Με διαδοχικούς κύκλους θέρμανσης-ψύξης μπορούν να μετατραπούν πολλοί μικροί κρύσταλλοι σε λίγους μεγάλους αν τοποθετηθούν σε κορεσμένο διάλυμά τους και αυξηθεί η θερμοκρασία. Τότε θα διαλυθεί κι άλλο υλικό και με μείωση στη συνέχεια της θερμοκρασίας θα κατακαθίσει πάνω στους μεγαλύτερους κρυστάλλους γιατί απαιτείται μικρότερη ενέργεια.

Ένα καθαρό μέταλλο έχει αποδειχθεί ότι έχει πάντα μεγαλύτερη ενέργεια Gibbs από το οξείδιό του. Άρα ευνοείται η πρόσληψη οξυγόνου και επομένως ο σχηματισμός οξειδίου (σκουριάς). Η κάλυψη με ένα οργανικό πολυμερές μειώνει περισσότερο απ’ότι ο σχηματισμός οξειδίου την ενέργεια Gibbs και έτσι προλαμβάνεται η σκουριά.

Μελέτη των επιφανειών Τεχνικές μελέτης των επιφανειών είναι η Μικροσκοπία Φαινομένου Σήραγγος (scanning tunneling microscopy, STM) η Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (scanning electron microscopy, SEM), η Μικροσκοπία Ατομικών Δυνάμεων (atomic force microscopy, AFM) κ.ά.

Το STM είναι μία μη οπτική τεχνική μικροσκοπίας, η οποία εφαρμόζει αρχές της κβαντομηχανικής Πηγή: wikimedia by Michael Schmid

Η δημιουργία του ειδώλου της επιφάνειας γίνεται σταδιακά

Επιφανειακή τάση και τριχοειδή φαινόμενα Τα επιφανειακά μόρια ενός υγρού, όπως και στη στερεά κατάσταση, είναι από ενεργειακή άποψη διαφορετικά από αυτά στο εσωτερικό του υγρού.

Στα επιφανειακά μόρια εμφανίζεται μια συνισταμένη ελκτική δύναμη προς το εσωτερικό του υγρού. Η επιφανειακή ενέργεια είναι μεγαλύτερη στην επιφάνεια απ’ ότι στο εσωτερικό. Δηλ. ενεργειακά αναζητείται ελαχιστοποίηση της ενέργειας με την ελαχιστοποίηση της επιφάνειας. Η ενέργεια που απαιτείται για την αύξηση μίας επιφάνειας υγρού καθορίζει την επιφανειακή τάση, γ = dG/dA, όπου G είναι η ενέργεια Gibbs και Α η επιφάνεια

Έντομα να αναπαύονται στην επιφάνεια νερού Η παρουσία της επιφανειακής τάσης οδηγεί σε μερικά ενδιαφέροντα «παράδοξα»: Έντομα να αναπαύονται στην επιφάνεια νερού Το έντομο έχει πυκνότητα μεγαλύτερη από το νερό και θα αναμενόταν να βυθιστεί. Τα πόδια του εντόμου προκαλούν εγκοπές στην επιφάνεια του νερού αυξάνοντας το εμβαδόν της. Αν η επιφανειακή τάση τείνει να ελαχιστοποιήσει την επιφάνεια, γιατί το έντομο αυξάνει το εμβαδόν της επιφάνειας; Πηγή: wikipedia

βελόνα προσεκτικά τοποθετημένη στην επιφάνεια νερού δεν βυθίζεται Το Κ.Μ του εντόμου με τον τρόπο αυτό είναι χαμηλότερα από ότι θα ήταν σε επίπεδη επιφάνεια με αποτέλεσμα τη μείωση της δυναμικής του ενέργειας. Αν το έντομο πιέσει περισσότερο την επιφάνεια, η επιφανειακή ενέργεια θα αυξηθεί και έτσι δεν θα μπορέσει να αντισταθμιστεί η μείωση της ενέργειας που οφείλεται στο χαμηλότερο Κ.Μ. Αν πιέσει την επιφάνεια λιγότερο, το Κ.Μ θα είναι ψηλότερα και δεν θα μπορέσει να αντισταθμιστεί η μείωση της επιφανειακής ενέργειας. βελόνα προσεκτικά τοποθετημένη στην επιφάνεια νερού δεν βυθίζεται

Αδιάβροχη τέντα διαβρέχεται στο σημείο επαφής με το δάχτυλό μας. Το ύφασμα με το οποίο κατασκευάζονται οι τέντες είναι συνήθως αδιάβροχο. Η επαφή με το δάκτυλό μας μειώνει την επιφανειακή τάση και το νερό την διαπερνά. Σφαιρική σταγόνα ακτίνας R έχει συνολική G=4πR2γ. Αν η ακτίνα ελαττωθεί κατά dR θα προκύψει μεταβολή dG=8πRγdR. Στην κατάσταση ισορροπίας η τάση για συρρίκνωση εξισορροπείται από μια διαφορά πίεσης Δp=(pεσ-pο), μεταξύ εσωτερικού και εξωτερικού της σταγόνας, ώστε το έργο που αντιτίθεται σ’ αυτή τη διαφορά να είναι (Δp)dV =dG Δp4πR2 dR = 8πRγdR→ Δp=2γ/R

Αν πρόκειται για πομφόλυγα αποδεικνύεται ότι Δp=4γ/R Αν η R είναι πολύ μικρή, η Δp παίρνει σημαντική τιμή. Π.χ. για σταγονίδιο Hg με R=0.1μm, Δp=100 at. Αν πρόκειται για πομφόλυγα αποδεικνύεται ότι Δp=4γ/R Όταν οι δύο χώροι έλθουν σε επικοινωνία επειδή P2>P1, αέρας θα μετακινηθεί από την μικρότερη προς την μεγαλύτερη πομφόλυγα. Po Po P2 R2 P1 R1

P1-Po=4γ/R1 P2-Po=4γ/R2 P1V1=n1RT πριν PaVa=naRT μετά την εισροή αέρα σ’ αυτή na/n1=PaVa/P1V1=Ra2/R12 na>n1→ Ra>R1 αυξάνεται η ακτίνα της Αντίστοιχα: nb/n2=PbVb/P2V2=Rb2/R22 n2>nb (φεύγει αέριο) R2>Rb μειώνεται η ακτίνα της

Τριχοειδή φαινόμενα Προσδιορισμός γ r=Rcosθ Δp=2γ/R=2γcosθ/r η υγρή στήλη ισορροπεί Δp=ρgh h=2γcosθ/ρg (ανύψωση) Πηγή: wikimedia by Bulas h Όταν το υγρό δεν διαβρέχει το σωλήνα, η θ είναι αμβλεία, cosθ<0 και h<0 (Hg) (ταπείνωση) R r θ

Σημείωμα χρήσης έργων τρίτων Το υλικό της παρουσίασης προέρχεται από τις προσωπικές σημειώσεις και το υλικό παρουσιάσεων του μαθήματος όπως δημιουργήθηκαν από την Αν. Καθηγήτρια κ. Αικατερίνη Πομόνη. Οι εικόνες, τα σχήματα και οι φωτογραφίες είναι δημιουργήματα της συγγραφέως, εκτός αν αναγράφεται διαφορετικά στις αντίστοιχες παραπομπές. Οι ιστότοποι προέλευσης όσων αναφέρονται ήταν ενεργοί κατά την 21η Ιουλίου 2015 οπότε και καταχωρήθηκαν οι παραπομπές.

Σημείωμα αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Πατρών, Αικατερίνη Πομόνη. «Επιστήμη των Υλικών. Ενότητα Ε-6». Έκδοση: 1.0. Πάτρα 2015. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: https://eclass.upatras.gr/courses /PHY1947/

Σημείωμα αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση, Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: •που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο •που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο •που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί.

Διατήρηση σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφ’ όσον υπάρχει). Τέλος Ενότητας