احتمالا اولین چیزی که با گفتن کشش سطحی به ذهن اکثر ما می‌رسد، تصویرپشه‌ایست که خودش را روی آب نگه داشته، بدون اینکه در آن بیافتد!

در این مطلب قصد داریم گذری بزنیم به کشش سطحی. این‌که «کشش سطحی دقیقا چیست؟»، «به چه چیزهایی بستگی دارد؟»، «منتج به چه پدیده‌هایی در طبیعت می‌شود؟» و در آخر، «چه استفاده‌هایی در صنعت دارد؟».

در جواب اینکه کشش سطحی دقیقاٌ چیست، نوشته‌اند:«کشش سطحی (Surface tension) به نیروهای منسجم بین مولکول‌های مایع در سطح می‌گویند. خاصیتی در مایعات است که سبب می‌شود لایه بیرونی به صورت ورقه‌ای الاستیک عمل کند. مولکول‌ها در سطح، مانند دیگر مولکول‌ها احاطه نشده و با نیروی خاصی در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. این سطح «لایه‌ای» می‌سازد که حرکت کردن مولکول‌های سطح را دشوار می‌کند».

از دیدگاه ترمودینامیکی کشش سطحی را اینطور تعریف کرده‌اند:«زیاد بودن انرژی مولکول‌ها در سطح نامطلوب است و بنابراین سیال دوست دارد مرز خودش را کوچک‌تر کند که منجر به کشش در این سطح می‌شود. بر این اساس می‌توان تعریف دیگری برای کشش سطحی داشت و آن میزان افزایش انرژی آزاد نامطلوب در واحد سطح مرز سیال است».

در واقع اتفاقی که در دید میکروسکوپیک می‌افتد این است که مولکول‌های در سطح مایع به نسبت مولکول‌های در عمق ماده با تعداد کمتری مولکول (یا با تقریب خوبی یک دوم برابر) برهمکنش دارند و این موضوع منجر به این می‌شود که نیروی بین مولکولی کمتری بر آنها وارد شود و سطح انرژی بالاتری به‌نسبت داشته باشند، برای خنثی کردن این تفاوت، این انرژی سطح اضافه آمده بین مولکول‌های سطح پخش می‌شود و نیروی بین مولکولی، مولکول‌های سطح به نسبت مولکول‌های عمق اندازه‌ی بیشتری به خود می‌گیرند و این امر موجب می‌شود مقاومت بیشتری در برابر از هم گسستگی نشان بدهند و این منتج به پدیده‌ای به نام کشش سطحی می‌شود!

حالا که با تعریف کشش سطحی آشنا شدیم شاید بد نباشد که ببینیم دقیقا به چه چیزهایی بستگی دارد. در ادامه قصد داریم به سه عامل تاثیر گذار بپردازیم.

دما

افزایش دما شاید چندان تاثیر محسوس و مستقیمی روی نیروی جاذبه‌ی بین مولکولی نگذارد ولی موجب افزایش انرژی جنبشی و بی‌نظمی مولکول‌ها می‌شود که تمایل مولکول‌ها را برای تبخیر شدن، افزایش می‌دهد. بنابراین برهم‌کنش بین‌ مولکول‌ها ضعیف‌تر شده و کشیدگی مولکول‌های سطح به سمت درون مایع کم می‌شود و شاهد چنین نموداری خواهیم بود:

جنس ماده

وقتی از تاثیر جنس ماده روی کشش سطحی صحبت می‌کنیم در واقع از اثر میزان جاذبه بین مولکولی حرف می‌زنیم. به طور مثال وقتی می‌گوییم جیوه کشش سطحی بیشتر از آب دارد و آب هم کشش سطحی بیشتری از روغن دارد، در دید دقیق‌تر علت این امر این است که نیروی جاذبه‌ی بین مولکولی جیوه از نوع فلز-فلز است که از نیروی بین مولکولی آب که از جنس پیوند هیدروژنی‌ست، بسیار قوی‌تر است و پیوند هیدروژنی هم قوی‌تر از نیروی بین مولکولی روغن، که از جنس پیوند واندروالس ضعیف است. چند وقت پیش ویدیویی دیدم که برای مقایسه‌ی کشش سطحی از یک ایده‌ی جالب استفاده کرده بود. در این ویدیو از قانون یانگ استفاده شده بود. قانون یانگ بیان می‌کند که اگر یک قطره از یک ماده روی یک سطح باشد، رابط بین زاویه تماس و نیروهای دگر چسبی و کشش سطحی به شکل زیر است:

که γ^sv انرژی آزاد سطح جامد است، γ^sl انرژی آزاد بین سطحی قطره و سطح هست و در نهایت γ^lv انرژی آزاد سطح قطره هست که مترادفاً همان کشش سطحی‌ست.

در ادامه یک سکه را انتخاب کرده و گفت:«سعی می‌کنیم با قطره چکان تا جایی که امکان دارد قبل از این‌که ماده از روی سکه سرازیر شود، قطره قطره از ماده مورد نظر روی سکه بریزیم.»

چون مساحت زیرین یکسان است هر چقدر تعداد قطراتی که قبل از سرازیری روی سکه قرار می‌گیرد زیاد باشد، بدین معناست که مایع ارتفاع بیشتری می‌گیرد و زاویه θ بزرگتری خواهیم داشت که خود به معنای کشش سطحی بیشتر است. بنابراین با این روش دست به آزمایش زد و نتایج جالب زیر را در مقایسه کشش سطحی مایعات بدست آورد:

اما این آزمایش یک پارامتر مهم را در نظر نگرفته بود که میتوانست موجب خطای زیادی شود. به‌نظر شما این پارامتر چه بود؟

ناخالصی

یکی دیگر از عواملی که روی کشش سطحی موثر دانسته می‌شود، ناخالصی‌ست. اگر کمی ریز شویم و به دنبال علت این بگردیم که چرا ناخالصی روی کشش سطحی تاثیر دارد، به دلیلی مشابه دلیل جنس ماده می‌رسیم و آن چیزی نیست جز «پیوند بین مولکولی»! در واقع اضافه کردن ناخالصی به مایع موجب میشود تا نوع پیوندهای مولکولی و میزان قوی و ضعیف بودنشان تغییر کند و در نتیجه ماده ناخالص حاصل، کشش سطحی متفاوتی داشته باشد! اگر این ناخالصی از جنس فعال سطحی باشد، باعث کاهش میزان کشش سطحی می‌شود. اگر ناخالصی به طور کامل در مایع حل شود،(مثل شکر)تاثیر چندانی ندارد و ناخالصی‌هایی مثل مواد معدنی(نمک-اسید و باز)چون به جای سطح مایع ترجیح می‌دهند که در عمق مایع قرار گیرند، سبب افزایش کشش سطحی می‌شوند.

برای مشاهده اثر ناخالصی می‌توانید آزمایشی ساده را در منزل انجام دهید. ظرفی که سطح زیادی دارد، مثل یه بشقاب گود، برداشته و در آن آب بریزید. سپس به صورت خیلی آرام و ملایم، فلفل یا چای را روی آب ریخته، به‌طوری که تماما روی آب شناور بمانند. این شناوری به علت غلبه کشش سطحی آب به ذرات فلفل یا چای است.

نوک انگشتتان را کمی آغشته به مایع ظرف شویی کنید و با وسط سطح ظرف تماس دهید. بلافاصله مشاهده می‌کنید که ذرات فلفل یا چای به سمت اطراف پراکنده می‌شوند! این اتفاق به این علت می‌افتد که مایع ظرف شویی یک فعال سطحی‌ست و موجب کاهش کشش سطحی آب می‌شود!

در دنیایی که ما زندگی می‌کنیم، کشش سطحی موجب پدیده‌های مختلفی می‌شود که شاید هر روز از کنار آن‌ها به راحتی عبور می‌کنیم. مثل شبنمی که صبح‌گاه روی برگ‌ها می‌نشیند، قطره بارانی که روی سطح آب بالا و پایین می‌پرد و حتی پشه‌ای که روی آب شناور است!

حتی از کشش سطحی استفاده‌هایی می‌کنیم که شاید حواسمان نیست. مثلاً الکلی که برای ضد عفونی استفاده می‌کنیم، کاری که در واقعیت انجام می‌دهد این است که به علت کشش سطحی پایینی که دارد، خیلی راحت از منفذهای باکتری‌ها یا ویروس‌ها عبور کرده و با نفوذ به غشای داخلی آن‌ها، باعث از بین رفتنشان می‌شود! مثلاً علت استفاده از مواد شوینده حین شست‌شو این است که باعث کاهش کشش سطحی آب می‌شوند و این امر باعث می‌شود که آب راحت‌تر به خلل و فرج آلودگی‌ها وارد شود!

نویسنده: اسرا رضافدایی، دانشجوی کارشناسی فیزیک، دانشگاه صنعتی شریف