fenómenos de superficie
Tensión superficial y energía libre de superficie.
La tensión superficial normalmente representa por la letra griega gamma minúscula con un subíndice que indica la fase a la que pertenece (γα). Es la fuerza que opera sobre los límites de un material de forma perpendicular (figura 1), lo que provoca la tendencia del material a contraerse o minimizar su área superficial; desde el punto de vista macroscópico se observa la tendencia espontánea de los sistemas a minimizar su área superficial. Sus dimensiones en el SI son unidad de fuerza por unidad de longitud (N/m o mN/m).
Figura 1. Representación esquemática de la tensión superficial y la energía libre de superficie.
Mientras que la energía libre de un material (γα) es el trabajo necesario para movilizar las moléculas de su interior a la superficie, aumentando la superficie del material en 1m2, sus dimensiones en el sistema internacional (SI) corresponden a unidad de energía por unidad de área (J/m2). La tensión superficial y la energía libre de superficie son dimensionalmente equivalentes (N/m=J/m2=kg/s2); para líquidos puros en equilibrio con su estado gaseoso son equivalentes numéricamente [55]. A su vez, se puede definir la tensión interfacial (γα-β) considerando el contacto de dos fases inmiscibles entre ellas (α y β) como la fuerza que ejercida perpendicularmente hacia los límites de cada fase reduciendo el área de la interfase α-β. Aunque, la energía libre de superficie hace referencia a una propiedad fundamental de termodinámica y la tensión superficial describe el comportamiento de adsorción entro dos fases, la energía libre de interfase (γα-β) es dimensional y numéricamente equivalente a la tensión interfacial (γα-β) [55].
La interfase entre una alícuota y la superficie de un material se encuentra gobernada por las interacciones fisicoquímicas entre ambas fases. En equilibrio estático se pueden identificar 3 vectores de tensión superficial (figura 2) dependiendo las fuerzas que interactúen, como γsl para la interfase sólido-líquido, γlv para líquido-vapor y γsv para sólido-vapor, expresado matemáticamente en la ecuación 1 [11].
Figura 2. Esquematización del estado de equilibrio estático.
Si se considera la interfase entre un líquido y un sólido, donde hay una interacción entre las fuerzas de atracción intermolecular de cada fase (fuerza de cohesión) con las fuerzas de adhesión de la interfase, cuando las fuerzas de cohesión predominan sobre las de adhesión la forma del líquido tiende a contraerse, comportándose como un “líquido que no moja”, caso contrario se presenta cuando predomina la energía libre del sólido con respecto a la del líquido, comportándose como un “líquido que moja” [9,11].
Normalmente se utiliza el ángulo de contacto (CA, θ) entre los vectores γsl y γlv, para caracterizar la propiedad intrínseca del material para absorber al líquido de su superficie que se puede obtener despejando la ecuación 1, dando como resultado a la ecuación del modelo de Young (ecuación 10) para superficies lisas y químicamente homogéneas [11].
Dependiendo de la magnitud del ángulo de contacto se caracteriza la superficie del sólido como superhidrofílica θ≈0° (figura 6a), hidrofílica para θ<90° (figura 6b), hidrofóbica para θ>90° (figura 6c) o superhidrofóbico θ>150° (figura 6d) siendo el límite del comportamiento hidrofílico a 65° [9,11].
Figura 3. Caracterización de superficie dependiendo del ángulo de contacto (θ) a) superhidrofílico θ≈0°, b) hidrofílico θ<90°, c) hidrofóbico θ>90°, d) superhidrofóbico θ>180°