Adhezní síly na rozhraní kapaliny a pevné látky

Jak je možné, že bunda může být nepromokavá, a přitom „dýchat“? V roce 1976 získal Robert W. Gore patent na způsob výroby porézního polytetrafluorethylenu (PTFE) – materiálu, který se stal základem membrán typu Gore‑Tex. Membrána obsahuje obrovské množství velmi malých pórů. Vodní pára jimi může procházet, ale kapalná voda se přes ně za běžných podmínek nedostane.

Otázka na úvod: Proč nestačí říct, že „dírky jsou příliš malé“? Co brání kapalné vodě, aby se do mikroskopických pórů protlačila?

Strana amerického patentu Roberta W. Gorea č. 3 953 566 z roku 1976 — Obrázek z patentu Roberta W. Gorea *Process for producing porous products*, US Patent 3,953,566 (1976). Patent popisuje výrobu porézního PTFE jeho rychlým natahováním. Kliknutím otevřete původní patent.

Jak membrána funguje?

Krátké anglické video výrobce ukazuje základní myšlenku: membrána brání průniku kapalné vody, ale umožňuje odvádění vodní páry.

GORE‑TEX Brand: What is GORE‑TEX Product Technology? Krátké video v angličtině o voděodolnosti a prodyšnosti membrány.

Stejný princip souvisí s tím, proč se voda chová různě na různých pevných površích. Na čistém skle se kapka rozlévá, zatímco na parafínu zůstává výrazně vypouklá. Říkáme, že voda sklo smáčí, ale parafín nesmáčí.

Jak vyjít z vody suchý?

Stačilo by pokrýt povrch látkou, kterou voda nesmáčí. Příkladem může být parafín. Podobně je tomu u peří vodních ptáků: jeho povrch je chráněn mastnou vrstvou, a voda proto neproniká snadno mezi jednotlivá pera.

Když se však peří dostane do styku s ropou, jeho povrchové vlastnosti se změní. Ochranná funkce peří se naruší, voda může pronikat dovnitř a pták ztrácí izolační i nadnášecí schopnost peří.

Co rozhoduje o tvaru kapky?

Na rozhraní tří prostředí působí současně povrchové síly příslušející jednotlivým dvojicím prostředí. Jejich směry jsou tečné k rozhraním a o výsledném tvaru rozhoduje jejich vzájemný poměr.

F₁₃ > F₁₂ + F₂₃

Kapka se rozlévá do šířky a vytváří tenkou vrstvu.

F₁₃ < F₁₂ + F₂₃

Kapka zůstává vypouklá a zachovává přibližně kulový tvar.

Tvar povrchu kapaliny je určen výslednicí sil, které na částice v povrchové vrstvě působí.

Smáčení a kontaktní úhel

Tvar kapky na pevné podložce závisí na vzájemném působení molekul kapaliny, podložky a okolního plynu. Kontaktní úhel θ měříme uvnitř kapaliny v místě, kde se setkávají všechna tři prostředí.

Jak se mění tvar kapky?

Kontaktní úhel θ: 60°

Kapalina podložku smáčí. Kapka se rozlévá do šířky.

θ < 90°: smáčení

Molekuly kapaliny jsou k podložce přitahovány natolik silně, že se kapalina snaží zvětšit plochu styku s podložkou. Kapka se proto rozlévá do šířky. Příkladem je čistá voda na čistém skle.

θ > 90°: nesmáčení

Přitažlivost kapaliny k podložce je ve srovnání se soudržností kapaliny slabší. Kapalina proto omezuje plochu styku s podložkou a kapka zůstává více vypouklá. Příkladem je voda na hydrofobní impregnaci nebo rtuť na skle.

Kontaktní úhel není vlastností samotné kapaliny. Popisuje konkrétní trojici kapalina–pevná látka–okolní prostředí a závisí také na čistotě a drsnosti povrchu.

Kapilární jevy

Ponoříme-li velmi úzkou skleněnou trubici do vody, začne voda smáčet její vnitřní stěnu. U stěny proto vystoupí o něco výše než uprostřed trubice. Hladina uvnitř kapiláry není rovná, ale vytvoří dutý meniskus. Jeho tvar určuje stejný kontaktní úhel, který jsme sledovali u kapky na podložce: u kapky pozorujeme zakřivení kapaliny nad vodorovnou podložkou, v kapiláře zakřivení hladiny mezi svislými stěnami.

Povrchové napětí působí podél celého kruhového styku hladiny se stěnou kapiláry. U vody smáčející sklo mají tyto síly složku směrem vzhůru. Jejich součet zvedá vodní sloupec. Čím výše voda vystoupí, tím větší je tíha zvednutého sloupce. Stoupání se zastaví ve chvíli, kdy se výsledná síla povrchového napětí vyrovná s tíhou sloupce vody.

Rtuť se na skle chová opačně: sklo nesmáčí, u stěn je její hladina níže a vznikne vypuklý meniskus. Svislé složky sil povrchového napětí pak míří dolů, takže hladina rtuti v kapiláře klesne pod hladinu v okolní nádobě. Proto mluvíme u vody o kapilární elevaci a u rtuti o kapilární depresi.

Kapilární elevace vody a kapilární deprese rtuti — Voda sklo smáčí, vytváří dutý meniskus a v kapiláře stoupá. Rtuť sklo nesmáčí, vytváří vypuklý meniskus a její hladina v kapiláře klesá.

Pro vodu v čisté skleněné kapiláře můžeme přibližně předpokládat úplné smáčení, tedy θ ≈ 0°. Síla povrchového napětí pak působí vzhůru podél celého vnitřního obvodu kapiláry 2πr. Její výsledná velikost je 2πrσ. Tíha vodního sloupce o výšce h a objemu πr²h je πr²hρg. V rovnováze se obě síly rovnají:

2πrσ = πr²hρg

Po vykrácení a vyjádření výšky dostaneme

h = 2σrρg

Výška h je nepřímo úměrná poloměru kapiláry r: čím užší kapilára, tím výše voda vystoupí.

Obecný vztah pro libovolný kontaktní úhel

Pokud kapalina stěnu nesmáčí dokonale, započítáváme pouze svislou složku síly povrchového napětí:

h = 2σ cos θrρg

Pro θ > 90° je cos θ záporný, a proto h vyjde záporné: hladina v kapiláře klesne pod hladinu v nádobě.

Jak vysoko vystoupí voda?

Vypočítejte výšku vodního sloupce v čisté skleněné kapiláře. Pro zjednodušení uvažujte θ = 0°, σ = 0,073 N·m⁻¹, ρ = 1000 kg·m⁻³ a g = 9,81 m·s⁻².

Poloměr kapiláry r [mm] Výška h [cm]

Vysvětluje kapilarita dopravu vody do korun stromů?

Pomáhá při pohybu vody v úzkých pórech buněčných stěn, sama však nedokáže vysvětlit výstup vody do korun vysokých stromů. Hlavní roli má odpařování vody z listů, které vytváří tah v souvislém vodním sloupci v cévách xylému; důležitá je také soudržnost molekul vody.

Proč kontaktní čočka nevypadne z oka?

Zkuste spojit dvě podložní sklíčka, mezi nimiž je kapka vody. Po skle je lze poměrně snadno posouvat, ale odtrhnout je kolmo od sebe je mnohem těžší. Tenká vrstva vody smáčí oba povrchy, drží mezi nimi souvislý kapalinový film a znesnadňuje proniknutí vzduchu mezi sklíčka.

Podobně funguje kontaktní čočka. Její tvar přibližně odpovídá zakřivení oka a mezi čočkou a rohovkou zůstává tenká slzná vrstva. Slzy smáčejí rohovku i čočku. Povrchové napětí, přilnavost kapaliny k oběma povrchům a tlakové poměry v tenké vrstvě společně brání tomu, aby se čočka jednoduše odchlípla směrem od oka.

Čočka přitom není k oku „přilepená“ napevno. Při mrknutí se může po slzné vrstvě nepatrně posunout a slzy se pod ní obnovují. Správné zakřivení čočky, její pružnost a pohyb víček ji pomáhají udržovat ve správné poloze. Při nevhodném nasazení, vyschnutí oka nebo silném tření se však čočka může posunout, případně i vypadnout.

Vzlinání v porézních materiálech

Kapilární jevy mají velký význam v běžných materiálech. Cukr, papír, cihla nebo dřevo obsahují množství drobných pórů, a proto mohou kapaliny nasávat.

Podobně se voda z hlubších vrstev půdy dostává kapilárními póry směrem k povrchu a ke kořenům rostlin.

Vzlinání však může být i nežádoucí. Nafta nebo jiné dobře smáčivé kapaliny mohou pronikat velmi úzkými spárami a skulinami. Na lodích určených k jejich přepravě se proto kapalina může dostat i do míst, odkud je pak velmi obtížné ji odstranit.

Kde se povrchové jevy používají?

Oblast	Konkrétní příklad	Rozhodující jev
Mytí a praní	Saponát umožní vodě proniknout do vláken a pórů nečistot.	Snížení povrchového napětí a lepší smáčení.
Ochranné oděvy	Impregnace vytváří na tkanině kapky, které snadněji stečou.	Velký kontaktní úhel, hydrofobní povrch.
Psaní a tisk	Inkoust se musí po papíře řízeně rozlévat, ale nesmí se rozpíjet příliš.	Smáčení a kapilární pronikání mezi vlákna.
Pájení	Tavidlo odstraní oxidy a pomůže roztavené pájce smáčet kovový povrch.	Adheze a kontaktní úhel.
Biologie	Voda se pohybuje drobnými póry půdy a buněčných stěn.	Kapilarita v porézním prostředí.