Cosa sono la superficie e l’interfaccia e quali sono le loro caratteristiche
Siamo tutti famigliari con gli stati della materia: solido, liquido e gassoso (non citiamo la fase plasma per non complicare il discorso).
La superficie o l’interfaccia sono una porzione di materia che separa due fasi tra loro. Un corpo solido è separato dall’aria attorno ad esso dalla sua superficie; tra due liquidi immiscibili si crea un’interfaccia che li divide nettamente. Queste porzioni di materia non sono solo ben definibili visivamente, ma hanno caratteristiche fisiche diverse rispetto al bulk della stessa fase. Per intuirlo basta pensare che le molecole nel bulk di un liquido si attrarranno tra loro mediamente in ogni direzione dello spazio, mentre quelle al bordo della fase potranno interagire solo parzialmente con le altre molecole.
Tale differenza porterà ad un surplus d’energia sulla superficie della fase. Questo surplus energetico si può esprimere come energia per unità di superficie
$$\left(\frac{J}{m^2}\right)$$
o forza per unità di lunghezza
$$\left(\frac{N}{m}\right)$$
e prende il nome di tensione superficiale ed energia libera superficiale, rispettivamente per fasi liquide e solide. Un discorso assolutamente analogo può essere fatto all’interfaccia tra due fasi liquide, per cui si parlerà di tensione interfacciale. Ogni materiale liquido in aria sarà caratterizzato da uno specifico valore di tensione superficiale, così come qualsiasi solido in aria avrà uno specifico valore di energia libera superficiale.
Qualsiasi sistema fisico tenderà ad avere il minor surplus energetico possibile. Perciò, da una buona analisi di queste proprietà fisiche, sarà possibile spiegare e prevedere i comportamenti di questi campioni in svariate applicazioni.
Bagnabilità di una superficie solida
Un generico campione solido avrà una superficie ben definita, caratterizzata da una certa energia libera superficiale. Quando una goccia di liquido specifico verrà a contatto con tale superficie, assumerà la forma migliore per minimizzare il surplus energetico totale del sistema campione-liquido-aria. Se il contatto tra liquido e campione porta ad una complessiva diminuzione d’energia del sistema, il liquido tenderà a coprire quanta più superficie possibile del solido: il campione sarà ben bagnato dal liquido specifico. Questo è l’effetto che si vuole ottenere per un adesivo liquido in modo che si possa facilmente applicare su una determinata superficie. Quando invece l’energia dovuta all’interazione tra liquido e solido è troppo elevata, il liquido tenderà a diminuire la sua porzione in contatto col solido, da cui si avrà una scarsa bagnabilità per quest’ultimo. Tale è il caso di un materiale trattato per essere idrofobico, su cui (come dice il nome) l’acqua tende a non risiedere, formando invece gocce quasi sferiche che possono essere facilmente asportate.
La bagnabilità di una superficie con un certo liquido può essere analizzata andando a misurare l’angolo di contatto che una goccia di tale liquido assume sulla superficie: maggiore è l’angolo di contatto, peggiore sarà la bagnabilità. Una misura d’angolo di contatto viene solitamente ottenuta con strumenti specifici dotati di telecamera per riprendere la goccia e di un software d’analisi che ne possa riconoscere il profilo rispetto alla superficie. Tali strumenti possono anche prevedere l’analisi della goccia su una superficie inclinata (con cui, per esempio, si può verificare quanto l’inclinazione di un parabrezza possa influire sullo scorrimento delle gocce di pioggia), oltre ad un’analisi dinamica della goccia, ovvero di come questa evolva per effetti d’evaporazione, assorbimento ed altri. A seconda dell’esigenza e delle applicazioni d’interesse si può scegliere la configurazione migliore per tale strumentazione.
Tensione superficiale ed interfacciale dei liquidi
Dato che la tensione superficiale ed interfacciale sono proprietà intrinseche di uno specifico liquido (o dell’interfaccia tra due liquidi), molti sono i casi in cui può essere interessante andare a misurare il valore di tensione superficiale di un liquido o interfacciale tra due fasi liquide: infatti da tale misura si può inferire la composizione di tali fasi in un’analisi di controllo qualità. Questo può essere il caso per soluzioni liquide, che daranno diversi valori di tensione superficiale a seconda delle loro concentrazioni; oppure il caso di oli siliconici o alimentari, il cui grado d’ossidazione per usura influisce sul valore di tensione superficiale; molte altre sono le applicazioni per una misura di tensione superficiale ed interfacciale.
Esistono vari metodi per misurare la tensione superficiale. Gli stessi strumenti ottici che misurano l’angolo di contatto possono dare una stima di questa proprietà specifica dei liquidi, ma per una misura più precisa si deve ricorrere a strumenti dedicati chiamati tensiometri superficiali: questi strumenti sfruttano la forza di trattenuta che un corpo a contatto del liquido sente a causa della tensione superficiale (la stessa forza che alcune specie di insetti, i Gerridi, utilizzano per pattinare sul pelo dell’acqua) per ricavare un valore preciso di tensione superficiale di un liquido in aria o interfacciale tra due fasi liquide.
Come già accennato, tali valori sono estremamente sensibili a variazioni nella composizione del liquido, dovute per esempio all’aggiunta di tensioattivi nella soluzione, o a cambiamenti fisici come variazioni di temperatura. I tensiometri superficiali sono quindi strumenti perfetti per un controllo qualità delle materie in entrata o di prodotti finiti, ma possono fornire informazioni preziose anche in fase di ricerca e sviluppo di molti campioni.
Note conclusive
Esistono molti altri strumenti per applicazioni specifiche nell’analisi di superfici ed interfacce: per campioni adesivi si possono effettuare test di strappo con angoli d’inclinazione del nastro adesivo costante, in modo da ottenere una misura d’adesione quanto più svincolata dalla geometria del problema; spesso può essere importante individuare un’entità di frizione di un corpo solido sopra una superficie (pensiamo all’usura per attrito di componenti meccanici), e come questa possa essere influenzata dall’applicazioni di diversi lubrificanti.
Per questi ed altri aspetti sullo studio applicativo di superfici ed interfacce, consigliamo di contattarci direttamente.
