Ali ste si kdaj zaželeli, da bi znali hoditi po vodi? Zdi se, da se vodni drsalci izogibajo zakonom fizike, ko drsijo po vodi, saj je njihova gostota bistveno večja od gostote vode. Pojav lahko razložimo s poznavanjem površinski napetosti.
Kaj je površinska napetost vode?
Površinska napetost je lastnost interakcije med dvema snovema, ki sta med seboj v stiku (npr. med vodo in zrakom). Vsaka molekula vode je v notranjosti tekočine obdana z drugimi molekulami vode. Takšno vodno molekulo torej privlačijo enako v vseh smereh sosednje istovrstne molekule. Posledično je vsota vseh zunanjih sil, ki delujejo na to molekulo, enaka nič.
Drugače pa je z molekulo na površini tekočine, saj je tam na eni strani obdana z molekulami zraka, ki jo bistveno manj privlačijo v primerjavi z molekulami vode na drugi strani (privlačne sile so zanemarljive). V tem primeru kaže rezultanta sil navzdol. Molekulo na površini zato ves čas prehajajo v notranjost in tako deluje tekočina na svoji površini, kot da je stalno napeta. Voda ima v primerjavi z drugimi tekočinami izjemno veliko površinsko napetost (površina napetost vode je 72,6 nM/m).
Močenje
O močenju govorimo, ko površino trdnega telesa pokrivamo z neko tekočino. Do močenja bo prišlo samo, če je površinska napetost tekočine manjša od površinske napetosti trdne snovi. Posledično se pri nekaterih tekočinah zgodi, da ne omočijo trdnega telesa (na površini trdne snovi se oblikujejo kapljice). Za primer lahko vzamemo živo srebro, ki se ne površini stekla ne razlije, temveč se drži skupaj v obliki kapljic.
Površinska napetost in tisk
Pogoj za močenje moramo upoštevati pri tisku. Če želimo, da je naš odtis obstojen, mora tiskarska barva omočiti tiskovni material. To pomeni, da mora biti površinska napetost tiskarske barve manjša od površinske napetosti materiala, na katerega tiskamo. Ker ima voda veliko površinsko napetost in je pogosto osnova tiskarskih barv, se pri številnih tiskovnih materialih lahko pojavi težava z močenjem. Rešitev lahko poiščemo v znižanju površinske napetosti tiskarske barve na vodni osnovi ali v povečanju površinske napetosti tiskovnih materialov.
Spreminjanje površinske napetosti
Površinsko napetost tiskarske barve lahko znižamo z dodajanjem površinsko aktivnih snovi kot so tenzidi. Njihova molekularna struktura je asimetrična, saj jih sestavlja hidrofilna glava (del, ki veže vodo) in hidrofoben rep (del, ki odbija vodo). Ko so tenzidi prisotni v tekočini v majhnih koncentracijah, se vežejo na mejno površino tekočine z drugo snovjo, in znižajo njeno površinsko napetost. Rep in glavo obrnejo glede na površinske lastnosti (hidrofilnost/hidrofobnost) snovi, s katerima so v stiku.
Pogoj za močenje pa lahko dosežemo tudi s povečanjem površinske napetosti tiskovnih materialov, do česar lahko pridemo z obdelavo njihove površine (npr. obdelava s plamenom, plazmoTekoči del krvi, ki predstavlja približno 55% celotnega... More ali korona razelektritvijo).
Pojavi, ki so posledica površinske napetosti
Plavanje majhnih predmetov
Površinska plast vode se zaradi površinske napetosti obnaša kot nekakšna meja. Če je majhni predmeti, kot je sponka za papir, ne uspejo predreti, bodo kljub svoji visoki gostoti plavali na vodi.
Hoja vodnih drsalcev
Vodni drsalci izkoriščajo površinsko napetost vode za hojo po njeni površini. Njihove noge imajo hidrofobne lastnosti, poleg tega pa so dolge in tanke, kar jim omogoča, da svojo telesno težo enakomerno razporedijo. S podobnim primerom se srečamo tudi pri šiviljski igli. Če jo previdno postavimo na vodno površino, bo na njej plavala, če pa vodo razburkamo, se bo potopila.
Kapljice na listih
Nabiranje kapljic na listih v jutranji zori je posledica razlike med površinsko napetostjo hidrofobne površine listov in površinsko napetostjo vode.
Premočenje šotorov
Znanje o površinski napetosti lahko izkoristijo tudi taborniki, če se v šotoru znajdejo ob deževnem vremenu. Šotori so namreč nekoliko vodoodporni, vendar če se predmeti znotraj šotora dotikajo njegove površine, se bo meja, ki jo ustvarja površina napetost, prekinila in bo voda prišla skozi.
Izkoriščanje površinske napetosti
Znanje o površinski napetosti lahko izkoristimo na številnih področjih, kot so razvoj različnih tehnologij tiska, pri testiranju določenih bolezni, uničenju mikroorganizmov ter celo pranju perila.
Test za zlatenico
Pri bolniku se zlatenica pokaže kot rumenkasta obarvanost kože, sluznic in beločnic zaradi povečanja žolčnih soli v krvi. Hayeva metoda testiranja (angl. Hay’s method), pri kateri stresamo prašek žvepla po površini urina, temelji na sposobnosti žolčnih soli, da celo v majhnih koncentracijah znižujejo površinsko napetost raztopine. Ko se površinska napetost urina zniža, se delci žvepla potopijo na dno. Nižja kot je površinska napetost urina (več kot je žolčnih soli), hitreje se to zgodi. Tako lahko s pomočjo površinske napetosti ugotovimo, če se je pri bolniku pojavila zlatenica.
Razkužila
Nizka površinska napetost razkužilnih sredstev omogoča, da se slednja razširijo po celičnih stenah bakterij ter vplivajo na njihovo delovanje.
Pranje s toplo vodo in detergenti
Ali ste se kdaj vprašali, zakaj uporabljamo pri pranju toplo vodo? Pri pranju oblačil moramo čim bolj znižati površinsko napetost vode, da bolje omoči blago in se tako lažje vpije v pore in umazanijo. Z naraščanjem temperature se površinska napetost znižuje. Višja kot je temperatura, večje je gibanje molekul v tekočini, zato se privlačne sile med molekulami vode razrahljajo. Rezultanta sil, ki je vlekla površinske molekule v notranjost, postane šibkejša; površinska napetost je posledično nižja. Poleg tega pa nam lahko priskočijo na pomoč tudi detergenti, ki spadajo (podobno kot tenzidi) med površinsko aktivne snovi.
Površinska napetost je fascinanten pojav, ki je vzrok pomembnih pojavov tako v naravi kot v vsakdanjem življenju. Od neverjetne sposobnosti vodnih drsalcev, da hodijo po vodi, do vpliva na učinkovitost tiskanja in delovanje razkužil. Razumevanje te lastnosti nam omogoča, da bolje izkoristimo naravne procese in izboljšamo tehnološke rešitve. V prihodnje bo raziskovanje površinske napetosti najverjetneje prineslo še več odkritij in inovacij, ki bodo vplivala na različna področja znanosti in industrije.
Viri:
Allen, G. D. (1915). The determination of the bile salts in urine by means of the surface tension method. Journal of biological chemistry, 505-524.
Dayan, J., Mireles, L.-K., Massicotte, R., Dagher, F., & Yahia, L. (6. 10 2016). Effect of disinfectants on wettability and surface tension of metallic and polymeric surfaces found in hospitals. Clinical and Medical Investigations, 48-55. doi:10.15761
Fran. (2014). Pridobljeno 15. 5 2024 iz Zlatenica: https://fran.si/iskanje?View=1&Query=zlatenica
Surface Tension and Water. (brez datuma). Pridobljeno 15. 5 2024 iz U.S. Geological Survey: https://www.usgs.gov/special-topics/water-science-school/science/surface-tension-and-water#overview
