Adheriment

Unes gotes d'aigua adherint-se a una taranyina.

El morter usat per a mantindre i sostindre junts les rajoles és un eixemple de l'adheriment.

El adheriment és la propietat de la matèria per la qual s'unixen i plasmen dos superfícies de substàncias iguals o diferents quan entren en contacte, i es mantenen juntes per forces intermoleculars.

L'adheriment ha jugat un paper molt important en molts aspectes de les tècniques de construcció tradicionals. L'adheriment del rajola en el morter (ciment) és un clar eixemple.

La cohesió és distinta de l'adheriment. La cohesió és la força d'atracció entre partícules adjacents dins d'un mateix cos, mentres que l'adheriment és l'interacció entre les superfícies de distints cossos.

Energia superficial

L'energia superficial es definix convencionalment com el treball que es requerix per a construir un àrea d'una superfície particular. Una atra forma de vore l'energia superficial és relacionar-la en el treball requerit per a escindir una mostra a granel, creant dos superfícies. Si les noves superfícies són idèntiques, l'energia o tensió superficial (γ) de cada superfície és igual a la mitat del treball d'escissió: γ = (1/2)W.^{cita requerida}

L'energia superficial és proporcional a la adhesividad del material.^{cita requerida} Si les superfícies són desiguals, s'aplica l'equació de Young-Dupré: W₁₂ = γ₁ + γ₂ – γ₁₂, on γ₁ i γ₂ són les energies superficials de les dos noves superfícies, i γ₁₂ és l'energia interfacial.

Esta metodologia també es pot utilisar per a discutir l'escissió que ocorre en un atre mig: γ₁₂ = (1/2)W₁₂₁ = (1/2)W₂₁₂. Estes dos cantitats d'energia es referixen a l'energia que es necessita per a dividir una espècie en dos parts mentres està continguda en un mig de l'atra espècie. De la mateixa manera per a un sistema de tres espècies: γ₁₃ + γ₂₃ – γ₁₂ = W₁₂ + W₃₃ – W₁₃ – W₂₃ = W₁₃₂, on W₁₃₂ és l'energia de separar l'espècie 1 de l'espècie 2 en un mig de l'espècie 3.

Una comprensió bàsica de la terminologia d'energia de divisió, energia superficial i tensió superficial és molt útil per a comprendre l'estat físic i els events que succeïxen en una superfície determinada, pero com s'analisa a continuació, la teoria d'estes variables també tira alguns efectes interessants que concernixen a la practicidad de les superfícies adhesives en relació en el seu entorn.

Mecanismes d'adheriment

Cinc mecanismes han segut proposts per a explicar per qué un material s'adherix a un atre.

Adheriment mecànic

Els materials adhesius reblixen els buits o poros de les superfícies mantenint les superfícies unides per enclavamiento. Existixen formes a gran escala de costura, atres voltes a mija escala com el velcro i alguns adhesius textils que funcionen a escales menudes. És un método similar a la tensió superficial

Adheriment químic

Dos materials poden formar un compost en unir-se. Les unions més fortes es produïxen entre àtoms a on hi ha permutació (enllaç iònic) o es compartixen electrons (enllaç covalente). Un enllaç més dèbil es produïx quan un àtom d'hidrogen que ya forma part d'una partícula es veu atreta per una atra de nitrogen, oxigen o flúor, en eixe cas parlaríem d'un pont d'hidrogen. L'adheriment químic es produïx quan els àtoms de l'interfaç de dos superfícies separades formen enllaços iònics, covalente o enllaços d'hidrogen.

El principi de l'ingenieria darrere d'adheriment químic en este sentit és prou senzill: si les molècules de superfície es poden unir, a continuació, les superfícies s'unixen entre sí per una ret d'estos enllaços. cal mencionar que estes forces iòniques i covalente atractives són eficaces només en distàncies molt chicotetes - de menys d'un nanómetro . Açò significa que, en general, no només les superfícies que es volen unir estiguen molt pròximes entre sí, sino també, que estos enllaços siguen prou fràgils, ya que les superfícies a continuació deuen mantindre's juntes.

Adheriment dispersiva

La cohesió fa que l'aigua forme gotetes, la tensió superficial fa que siguen casi esfèriques i l'adheriment les manté en el seu lloc.

En l'adheriment dispersiva, dos materials es mantenen units per les forces de van der Waals: l'atracció entre dos molècules, cada una de les quals té regions de càrrega positiva i negativa. En este cas, cada molècula té una regió de major càrrega positiva o negativa que s'unix a la següent de càrrega contrària. Este efecte pot ser una propietat permanent o temporal pel moviment continu dels electrons en una regió.

En l'adheriment dispersiva, també coneguda com fisisorción, dos materials es mantenen units per força de van der Waalss: l'atracció entre dos molècules, cada una de les quals té una regió de llaugera càrrega positiva i negativa. En el cas simple, tals molècules són per tant polars sobre la densitat de càrrega mija, encara que en molècules més grans o complexes, pot haver múltiples "pols" o regions de major càrrega positiva o negativa. Estos pols positius i negatius poden ser una propietat permanent d'una molècula (força de Keesoms) o un efecte transitori que pot ocórrer en qualsevol molècula, ya que el moviment aleatori dels electrons dins de les molècules pot donar lloc a una concentració temporal d'electrons en una regió (forces de London).

En la ciència de superfícies el terme "adheriment" sempre es referix a un adheriment dispersiva. En un sistema sòlit-líquit-gas normal (com una gota d'un líquit sobre una superfície rodejada d'aire) l'àngul de contacte és usat per a quantificar la adhesividad. En els casos a on l'àngul de contacte és baix l'adheriment està molt present. Açò es deu a que una major superfície entre el líquit i el sòlit comporta una energia superficial major.

Les gotes d'aigua són més planes sobre la flor d'Hibiscus ya que mostren una millor adherencia.

En ciència de superfícies, el terme adherencia casi sempre es referix a la adherencia dispersiva. En un sistema típic sòlit-líquit-gas (com una gota de líquit sobre un sòlit rodejat d'aire), l'àngul de contacte s'utilisa per a evaluar la adhesividad de forma indirecta, mentres que una balança centrífuga d'adheriment permet realisar medicions quantitatives directes de l'adheriment. Generalment, els casos en els que l'àngul de contacte és baix es consideren de major adherencia per unitat de superfície. Este enfocament assumix que el menor àngul de contacte correspon a una major energia superficial. Teòricament, la relació més exacta entre l'àngul de contacte i el treball d'adheriment és més complicada i ve donada per l'equació de Young-Dupre. L'àngul de contacte del sistema trifásico és una funció no només de l'adheriment dispersiva (interacció entre les molècules del líquit i les molècules del sòlit) sino també de la cohesió (interacció entre les pròpies molècules del líquit). Un adheriment fort i una cohesió dèbil donen lloc a un alt grau de humectación, una condició liofílica en ànguls de contacte medits baixos. Pel contrari, un adheriment dèbil i una cohesió forta donen lloc a condicions liofóbicas en alts ànguls de contacte medits i escassa humectación.

Les forces de dispersió de London són especialment útils per al funcionament de dispositius adhesius, ya que no requerixen que cap de les superfícies tinga polaridad permanent. Varen ser descrites en la década de 1930 per Fritz London, i han segut observades per molts investigadors. Les Forces de dispersió són una conseqüència de la mecànica quàntica estadística. London teorizó que les forces atractives entre molècules que no poden explicar-se per l'interacció iònica o covalente poden estar causades per moments polars dins de les molècules. Els moments multipolares podrien explicar l'atracció entre molècules que tenen moments multipolares permanents que participen en l'interacció electrostàtica. No obstant, les senyes experimentals varen mostrar que molts dels composts que experimentaven forces de Van der Waals no tenien cap multipolo. London va sugerir que els dipols momentàneus s'induïxen simplement en virtut de la proximitat de les molècules entre sí. Resolent el sistema mecànic quàntic de dos electrons com osciladors harmònicss a una distància finita l'u de l'atre, sent desplaçats sobre les seues respectives posicions de repòs i interactuant en els camps de l'atre, London va demostrar que l'energia d'este sistema ve donada per:

$E=3h\nu -\frac{3}{4}\frac{h\nu {\alpha }^2}{R^6}$

Mentres que el primer terme és simplement l' energia de punt zero, el segon terme negatiu descriu una força atractiva entre osciladors veïns. El mateix argument pot estendre's a un gran número d'osciladors acoplats i, per tant, eludix qüestions que anularien els efectes atractius a gran escala dels dipols permanents que s'anulen a través de la simetria, en particular.

La naturalea aditiva de l'efecte de dispersió té una atra conseqüència útil. Considerem un únic dipol dispersivo d'este tipo, denominat dipol d'orige. Ya que qualsevol dipol d'orige està inherentemente orientat per a ser atret pels dipols adjacents que induïx, mentres que els atres dipols més distants no estan correlacionados en el dipol original per cap relació de fase (per lo tant, en promig no contribuïxen en res), hi ha una força d'atracció neta en una massa de tals partícules. Quan es consideren partícules idèntiques, açò es denomina força de cohesió.

Quan es parla d'adheriment, és necessari convertir esta teoria en térmens relatius a les superfícies. Si existix una energia de cohesió atractiva neta en una massa de molècules similars, en dividir esta massa per a produir dos superfícies s'obtindran superfícies en una energia superficial dispersiva, ya que la forma de l'energia seguix sent la mateixa. Esta teoria proporciona una base per a l'existència de forces de van der Waals en la superfície, que existixen entre qualsevol molècula que tinga electrons. Estes forces s'observen fàcilment a través del bot espontàneu de superfícies planes en contacte. Les superfícies planes de mica, or, diversos polímero i solucions sòlides de gelatina no se separen quan la seua separació és lo suficientment chicoteta - de l'orde d'1-10 nm. L'equació que descriu estes atraccions va ser predita en la década de 1930 per De Boer i Hamaker:

$\frac{P}{area}=-\frac{A}{24\pi z^2}$

a on P és la força (negativa per a l'atracció), z és la distància de separació i A és una constant específica del material anomenada constant de Hamaker.

Les dos etapes del colapse de la microestructura de el PDMS per les atraccions de van der Waals. El sagell de PDMS s'indica en la regió sombreada, i el substrat s'indica en la regió sombreada. A) El sagell de PDMS es coloca sobre un substrat en el "sostre" elevat. B) Les atraccions de Van der Waals fan que el colapse del sostre siga energèticament favorable per al sagell de PDMS

.

L'efecte també és evident en experiments en els que es fabrica un sagell de polidimetilsiloxano (PDMS) en chicotetes estructures periòdiques de postes. La superfície en els postes es coloca boca avall sobre una superfície plana, de manera que la superfície entre cada poste s'eleva per damunt de la superfície plana, com una teulada sostinguda per columnes. Per estes forces de dispersió atractives entre el PDMS i el substrat pla, la superfície elevada -o "sostre"- es derroca sobre el substrat sense cap força externa aparte de l'atracció de van der Waals. Les superfícies de polímero planes i simples -sense cap microestructura- s'utilisen habitualment per a estes propietats adhesives dispersivas. Les calcomania i adhesius que s'adherixen al vidre sense usar cap adhesiu químic són prou comuns com a joguets i decoració i útils com a etiquetes removibles perque no perden ràpidament les seues propietats adhesives, com ho fan les cintes adhesives que usen composts químics adhesius.

Archiu:Interdigitation.jpg

L'interfaç s'indica per la llínea de punts. A) Els polímero no reticulados són alguna cosa lliures per a difondre's a través de l'interfaç. Un bucle i dos coes distales es veuen difondre. B) Els polímero reticulados no són lo suficientment lliures per a difondre. C) polímero "Scissed" són molt lliures, en moltes coes que s'estenen a través de l'interfaç.

És important senyalar que estes forces també actuen a distàncies molt menudes: el 99% del treball necessari per a trencar els enllaços de van der Waals es realisa una volta que les superfícies se separen més d'un nanómetro. Com a resultat d'este moviment llimitat tant en les situacions d'enllaç de van der Waals com en les d'enllaç iònic/covalente, l'eficàcia pràctica de l'adheriment degut a una o abdós d'estes interaccions deixa molt que desijar. Una volta que s'inicia un clavill, es propaga fàcilment a lo llarc de l'interfaç per la naturalea fràgil dels enllaços interfaciales.

Com a conseqüència adicional, l'aument de la superfície a sovint fa poc per a millorar la força de l'adheriment en esta situació. Açò es deduïx del fallo del clavill mencionat anteriorment: la tensió en l'interfaç no es distribuïx uniformemente, sino que es concentra en la zona del fallo.

Adheriment electrostàtic

Alguns materials conductors deixen passar electrons formant una diferència de potencial en unir-se. Açò dona com resultat una estructura similar a un condensador i crea una força electrostàtica atractiva entre materials.

Adheriment difusiva

Alguns materials poden unir-se en la interfase per difusió. Açò pot ocórrer quan les molècules d'abdós materials són mòvils i solubles l'un en l'atre. Açò seria particularment eficaç en les cadenes d'polímero en a on un extrem de la molècula es difon en l'atre material. També és el mecanisme implicat en sinterización. Quan el metal o ceràmica en pols se somet a pressió i es calfa, els àtoms difonen d'una partícula a una atra. Açò fa que es homogeinice el material.

L'unió per difusió es produïx quan les espècies d'una superfície penetren en una superfície adjacent sense deixar de ser unit a la fase de la seua superfície d'orige. La llibertat de moviment dels polímero té un fort efecte en la seua capacitat per a entrellaçar-se, i per lo tant, en l'unió per difusió. Per eixemple, els polímero reticulados són menys capaços de difondre perque s'unixen entre sí en molts punts de contacte, i no són lliures de girar en la superfície adjacent. Els polímero reticulados, pel contrari, són més lliures per a passejar en la fase adjacent en estendre les coes i els llaços a través de l'interfaç.

Una volta a l'atre costat de l'interfaç, les coes i els bucles formen enllaços favorables. Si ben estos poden ser fràgils, són prou forts quan es forma una gran ret d'estos enllaços. La capa més externa de cada superfície eixercita un paper crucial en les propietats adhesives de dites interfaços, ya que inclús una chicoteta cantitat de interdigitación - tan poc com un o dos coes d'1,25 àngstroms de llongitut - pot aumentar els enllaços de van der Waals en un orde de magnitut.