Adhezija

Adhezija (lat. adhaesio: prijanjanje, lijepljenje), u fizici, je pojava međusobnog privlačenja površina dvaju tijela od različitih tvari ili tijela i tekućine, zbog djelovanja elektromagnetskih sila među molekulama. Adhezijske sile su kratkotrajne, a snaga im ovisi o vrsti tvari u dodiru. Izraženije su ako je jedna od tvari tekućina.

Kapi rose prianjaju na paukovu mrežu zbog adhezije.

Nitrocelulozno ljepilo je uobičajeni adheziv.

Adhezija žabe Rhacophorus pardalis na okomitoj staklenoj površini

IUPACova definicija: Proces pričvršćivanja neke tvari na površinu druge tvari.

• Napomena 1: Za adheziju je potrebna energija koja može proizići iz hemijskih i /ili fizičkih veza, a posljednja je reverzibilna kada se unese dovoljno energije.
• Napomena 2: U biologiji, adhezija odražava ponašanje ćelija ubrzo nakon kontakta sa površinom.
• Napomena 3: U hirurgiji se adhezija koristi kada se dva tkiva neočekivano spoje.

Metalizacija

Na pojavi adhezije zasniva se, naprimjer, metalizacija prskanjem, koja se sastoji se u rapršivanju kapljica rastaljenog metala ili legure na površinu predmeta pomoću zračnoga mlaza. Metaliziranje se vrši upotrebom posebnog alata u obliku pištolja u koji automatski ulazi žica nekog metala. Ta žica se , na plameniku ili električnim lukom rastali, a zatim, pod zračnim pritiskom (pneumatika) izbacuje u mlazu na predmet koji se metalizira. U takvom postupku, može se metalizirati čak i drvo.

Radijacija ojačava (integrirani krug) mikrokontrolor a, nakon metalizacije izveden je postupak mikrofabrifikacije

Tehnike metalizacije započele su već od izrade ogledala. U 1835. Justus von Liebig otkrio je postupak oblaganja staklene površine metalnim srebrom, čineći stakleno ogledalo jednim od najranijih metaliziranih predmeta. Oblaganje ostalih nemetalnih površina brzo se povećavalo uvođenjem ABS plastike. Budući da je nemetalni objekt loš električni provodnik, površina objekta mora se učiniti provodljivom prije nego što se obavi oblaganje. Plastični dio se najprije hemijski istiskuje pogodnim postupkom, poput potapanja u vruću smjesu hromna kiselina – sumporna kiselina. Potopljena površina je osjetljiva i aktivirana prvo uranjanjem u kos (II) hlorid otopinu, zatim u paladij-hlorid. Obrađena površina se nakon dodatnog oblaganja premaže bakrom ili niklom bez elektrole] bez bakra. Ovaj postupak daje korisne (oko 1 do 6 kgf /cm ili 10 do 60 njutn/cm) adhezijska sila, ali je mnogo slabija od stvarne čvrstoće prijanjanja metala na metal.

Adheziv

Glavni članak: Ljepilo

Ljepilo ili adheziv je tvar koja služi za lijepljenje (sljepljivanje) materijala, tj. za njihovo spajanje stvaranjem vezivnog filma među slijepljenim površinama. Takvo djelovanje zasniva se na njihovom prijanjanju uz površinu predmeta (adhezija) i njihovoj unutrašnjoj čvrstoći, koja potiče od privlačnih međuatomskih ili međumolekulskih sila (kohezija). Osnova lijepljenja je mazanje površina ljepilom i naknadno ukrućivanje ljepljivog sloja. Premazivanje površine ovisi o napetosti površine i ravnotežnom kontaktnom uglu koji se uspostavlja između čvrste površine materijala, tekućeg ljepila i zraka. Teorija lijepljenja vrlo je složena, jer pritom sudjeluje niz faktora u vezi sa svojstvima površina koje se lijepe (hemijska aktivnost, hidrofilnost/hidrofobnost, čistoća, hrapavost površine, homogenost), na svojstva ljepila (površinska napetost, viskoznost, polarnost, kiselost/bazičnost, brzina sušenja) te fizičkaomehanička svojstva nastalog veznoga filma. Ljepila se u obliku viskozne tekućine nanose u tankom sloju na jednu ili na obje površine koje se sljepljuju, katkad uz povišeni pritisak. Sušenjem ljepila stvara se nakon nekog vremena adhezijska veza i postiže maksimalna čvrstoća spoja, zbog hlapljenja medija u kojem se ljepilo primjenjuje (voda ili organski rastvarač) ili hemijskom reakcijom supstanci u ljepilu.

Površinska energija

Dijagram različitih slučajeva cijepanja sa obilježenom svakom jedinstvenom vrstom.
A: γ = (1/2)W₁₁
B: W₁₂ = γ₁ + γ₂ – γ₁₂
C: γ₁₂ = (1/2)W₁₂₁ = (1/2)W₂₁₂
D: W₁₂ + W₃₃ – W₁₃ – W₂₃ = W₁₃₂.

Površinska energija se uobičajeno definira kao rad koji je potreban za izgradnju područja određene površine. Drugi način da se vidi površinska energija je veza sa radom potrebnim za cijepanje skupnog uzorka, stvarajući dvije površine. Ako su nove površine identične, površinska energija γ svake površine jednaka je polovini rada za razlaganje, W: γ = (1/2)W₁₁. Ako su površine nejednake, primjenjuje se Young-Dupréova jednadžba: W₁₂ = γ₁ + γ₂ – γ₁₂, gdje su γ₁ i γ₂ površinske energije dvije nove površine, a γ₁₂ je interfejsna energija. Ovj metod se također može koristiti za diskusiju o cijepanju veza koja se događa u drugom mediju: γ₁₂ = (1/2)W₁₂₁ = (1/2)W₂₁₂. . Ove dvije količine energije odnose se na energiju koja je potrebna za cijepanje jedne vrste na dva dijela, a sadržana je u mediju druge vrste. Isto tako i za trovrsni sistem : γ₁₃ + γ₂₃ – γ₁₂ = W₁₂ + W₃₃ – W₁₃ – W₂₃ = W₁₃₂, where W₁₃₂ energija cijepanja vrste 1 iz vrste 2 u mediju vrste 3. Osnovno razumijevanje termina cijepanje energije, površinske energije i površinske napetosti vrlo je korisno za razumijevanje fizičkog stanja i događaja koji se zbivaju na određenoj površini , teorija ovih varijabli također donosi neke zanimljive efekte koji se tiču praktičnosti ljepljivih površina u odnosu na okruženje.

Mehanizmi

Ne postoji jedinstvena teorija o adheziji, a posebni mehanizmi su specifični za određene materijalne scenarije. Za objašnjene zašto jedan materijal zalijepi za drugi, predloženo je pet mehanizama adhezije.

Mehanički

Adhezivni materijali ispunjavaju praznine ili pore površina i drže površine zajedno spojene. Ostale pojave međusobnog spajanja primjećuju se na skali različitih dužina. Šivanje je primjer dvaju materijala koji tvore mehaničku vezu velikih razmjera, šav tvori jedan na srednjoj ljestvici, a neki tekstilni sadhezivi (ljepilo) formiraju jedan u malim skalama.

Hemijski

Dva materijala mogu tvoriti vezu na spoju. Najjači spojevi su oni gdje atomi dvaju materijala dijele ili zamjenjuju elektrone (poznate kao kovalentno vezanje ili ionsko vezanje). Slabija veza nastaje ako atom vodika u jednoj molekuli privlači atom dušika, kisika ili fluora u drugoj molekuli, fenomen koji se zove vodikova veza.

Do hemijske adhezije dolazi kada površinski atomi dvije odvojene površine tvore ionske, kovalentne ili vodikove veze. Tehnički princip koji stoji iza hemijske adhezije u ovom je smislu prilično jednostavan: ako se površinske molekule mogu vezati, tada će se površine povezati mrežom tih veza.

Ove privlačne ionske i kovalentne sile učinkovite su na vrlo malim udaljenostima – manjim od nanometra. To u načelu znači ne samo da se površine s potencijalom za hemijsko vezanje trebaju zbližiti, već i da su te veze prilično krhke, jer im je potrebno održati zajedničku bliskost.

Disperzijski

Glavni članak: Disperzijska adhezija

Kod disperzivne adhezije, poznate i kao fizikacija, dva materijala su spojena van der Waalsovim silama: privlačenje između dvija molekule, od kojih svaka ima područje blagog pozitivnog i negativnog naboja. U jednostavnom slučaju, takve molekule su prema tome Hemijski polaritet polarne u odnosu na prosjek gustoće naboja, mada u većim ili složenijim molekulama može biti više "polova" ili regija s većim pozitivnim ili negativnim nabojima. Ti pozitivni i negativni polovi mogu biti trajno svojstvo molekule (Keesomova sila) ili prolazni efekt koji se može dogoditi u bilo kojoj molekuli, jer nasumično kretanje elektrona unutar molekula može rezultirati privremenom koncentracijom elektrona u jednoj regiji (Londonove sile).

Kohezija uzrokuje stvaranje kapi vode, površinska napetost uzrokuje da su gotovo sferne, a adhezija zadržava kapljice na mjestu.

Kapljice vode su ravnije na cvijetu hibiskusa koji ima bolju adheziju.

U nauci o površinama, termin 'adhezija' se gotovo uvijek odnosi na disperzivnu. U tipskom sistemu kruto-tečno-plinovito (kao što je kap tečnosti na čvrstoj sredini okružena vazduhom) kontaktni ugao se koristi za indirektno procenjivanje adhezije, dok centrifugalni balans adhezije omogućava direktno količinsko merenje adhezije. Općenito, slučajevi gdje je kontaktni ugao nizak, smatraju se adhezivnijim po jedinici površine. Ovaj pristup pretpostavlja da donji kontaktni ugao odgovara većoj površinskoj energiji. Teorijski, tačniji odnos između kontaktnog ugla i rada adhezije je uključeniji i dat je Young-Dupreovom jednadžbom. Kontaktni ugao trofaznog sistema je funkcija, ne samo disperzivne adhezije (interakcija između molekula u tečnosti i molekula u čvrstoj tvari), već i kohezije (interakcije između samih molekula tečnosti). Jaka adhezija i slaba kohezija rezultiraju visokim stepenom vlaženja, stanjem liofilnosti sa malim izmjerenim uglovima kontakta. Suprotno tome, slaba adhezija i jaka kohezija rezultiraju liofobnim uslovima sa visokim izmerenim uglovima kontakta i slabim vlaženjem.

Sile Londonove disperzije su posebno korisne za funkciju uređaja za adheziju, jer ne trebaju da ijedna površina da ima trajnu polarnost. Opisao ih je 1930-ih Fritz London, a primijetili su ih mnogi istraživači. Londonove disperzijske sile su posljedica statističke kvantne mehanike. London je teoretizirao da privlačne sile između molekula, koje se ne mogu objasniti ionskom ili kovalentnom interakcijom, mogu izazvati polarni trenutak unutar molekula. Multipolovi bi mogli objasniti privlačnost između molekula koje imaju trajne multipolne momente koji učestvuju u elektrostatičkoj interakciji. Međutim, eksperimentalni podaci pokazali su da mnogi spojevi opaženi na van der Waalsovim silama uopće nisu imali multipole. London je sugerirao da trenutni dipoli potiču isključivo zahvaljujući tome što su molekule međusobno blizu. Rješavajući kvantno mehanički sistem dva elektrona kao harmonički oscilator na određenoj udaljenosti jedan od drugog, izmještajući se u pauzama njihovih položaja i međusobno komunicirajući sa poljima, London je pokazao da energiju ovog sistema daje:

$E=3h\nu -{\frac {3}{4}}{\frac {h\nu \alpha ^{2}}{R^{6}}}$

Dok je prvi izraz jednostavno energija nulte tačke, drugi negativni pojam opisuje privlačnu silu između susjednih oscilatora. Isti se argument može proširiti i na velik broj spojenih oscilatora, te na taj način pokreće pitanja koja posebno negiraju velike privlačne efekte trajnih dipola koji se poništavaju simetrijom.

Dodatna priroda disperzijskog učinka ima još jednu korisnu posljedicu. Razmotrimo jedan takv disperzivni dipol, koji se naziva izvorni dipol. Budući da je bilo koji izvorni dipol inherentno orijentirano tako da ga privlači susjednim dipolima koje on inducira, dok ostali, udaljeniji dipoli nisu povezani bilo kojim faznim odnosom s izvornim dipolom (tako da u prosjeku ništa ne doprinosi), postoji prisilna neto privlačnost u velikoj količini takvih čestica. Kada se razmatraju identične čestice, to se naziva kohezijska sila.

Kada se govori o adheziji, ovu teoriju je potrebno pretvoriti u izraze koji se odnose na površine. Ako u skupu sličnih molekula postoji neto privlačna energija kohezije, cijepanje ove mase za proizvodnju dvije površine dobit će površine s disperzivnom površinskom energijom, jer oblik energije ostaje isti. Ova teorija daje osnovu za postojanje van der Waalsovih sila na površini, koje stoje između bilo kojih molekula koji imaju elektrone. Te se sile lahko uoče kroz spontano skakanje glatkih površina u kontakt.

Glatke površine [[[liskun]]]a, zlata, raznih polimera i čvrstih želatinskih rastvora ne odvajaju se kada razmak postane dovoljno mali – reda 1–10 nm. Jednadžbu koja opisuje ove atrakcije predvidjeli su 1930-tih De Boer i Hamaker:

${\frac {P}{area}}=-{\frac {A}{24\pi z^{3}}}$,

gdje je P sila (negativna na privlačnost), z je udaljenost razdvajanja, A je konstanta specifična za materijal koja se naziva Hamakerova konstanta.

Dvije faze PDM mikrostrukture urušavaju se zbog van der Waalsovog privlačenje. PDMS pečat označen je šrafiranim područjem, a podloga označenom osjenčanom regijom. A) Pečat PDMS se postavlja na podlogu sa povišenim krovom. B) Van der Waalsove atrakcije urušavaju krov energetski povoljnijim za PDMS pečat.

Učinak je očit i u eksperimentima u kojima je polimimetilsiloksan (PDMS) izrađen sa malim periodičnim poststrukturama. Podloga s stubovima postavlja se licem prema dolje na glatku površinu, tako da je površina između svakog stuba uzdignuta nad glatkom površinom, poput krova koji je poduprt stubovima. Zbog ovih atraktivnih disperzivnih sila između PDMS-a i glatke podloge, povišena površina – ili „krov“ – urušava se na podlogu bez ikakvih vanjskih sila osim van der Waalsvog privlačenja. Jednostavne glatke polimerne površine – bez ikakvih mikrostruktura – obično se koriste za ta disperzivna svojstva adhezije. Etikete i naljepnice koje se stavljaju na staklo bez upotrebe hemijskih ljepila prilično su česte kao igračke i ukrasi i korisne su kao adhezivi za uklanjanje jer ne gube brzo svoja ljepljiva svojstva, kao što to ima ljepljiva traka ljepljivi hemijski spoj.

Važno je napomenuti da ove sile djeluju i na vrlo malim rastojanjima – 99% potrebnih aktivnosti za razbijanje van der Waalsovih veza odvija se nakon što se površine povuku više od nanometra. Kao rezultat, ovo ograničeno kretanje i u van der Waalsovim i u ionskim / kovalentnim situacijama spajanja, praktična efikasnost adhezije usljed jedne ili obje ove interakcije predstavljaju poželjno stanje. Jednom kada se pokrene pukotina, ona se lako širi duž sučelja zbog krhke prirode ijterfejsnih veza. Kao dodatna posljedica, povećavanje površine često ne poboljšava snagu adhezije u ovoj situaciji. Ovo proizlazi iz gore navedenog kvara pukotina – napon na sučelju nije ravnomjerno raspoređen, već je koncentriran na području greške.

Elektrostatski

Neki vodljivi materijali mogu propustiti elektrone da bi formirali razliku u električnom naboju na spoju. To rezultira strukturom sličnom kondenzatoru i stvara privlačnu elektrostatsku silu između materijala.

Difuzijski

Neki materijali se mogu spojiti na kontaktu difuzijom. To se može dogoditi kada su molekule oba materijala pokretne i rastvorljive jedna u drugoj. Ovo bi bilo posebno efikasno kod polimernih lanaca gdje jedan kraj molekule difundira u drugi materijal. To je ujedno i mehanizam koji je uključen u [sinteriranje]. Kada se metal ili keramički praškovi zajedno pritisnu i zagrijavaju, atomi difundiraju od jedne čestice do druge. Ovo spaja čestice u jedno.

Sučelje (interfejs) je označeno isprekidanom linijom. A) Neumreženi polimeri su pomalo slobodni da difundiraju kroz sučelje. Jedna petlja i dva distalna repa vide se difuzno. B) umreženi polimeri koji nisu dovoljno slobodni za difuziju. C) "Zgužvani" polimeri vrlo slobodni, s mnogim repovima koji se pružaju preko sučelja.

Difuzijke sile nešto su poput mehaničkog vezanja na molekulskoj razini. Difuzno vezanje dolazi kada vrste s jedne površine prodiru u susjednu površinu dok su još uvijek vezane za fazu od koje potiču. Jedan poučan primjer je površina polimera na polimeru. Difuzno spajanje na polimerima i polimernim površinama rezultat je odsječaka polimernih lanaca s jedne površine koji su međusobno povezani s onima susjedne površine. Sloboda kretanja polimera ima snažan učinak na njihovu sposobnost prezasićenosti, a samim tim i na difuzno vezanje. Naprimjer, umreženi polimeri su manje sposobni za difuziju i interdigitaciju jer su povezani na mnogim tačkama dodira i ne mogu se uviti u susjednu površinu. Neumreženi polimeri (termoplastika), s druge strane slobodnije ulaze u susjednu fazu širenjem repova i petlji preko sučelja.

Druga okolnost pod kojom dolazi do difuznog vezanja je „cijeđenje“. Lančani rascjep je način rezanja polimernih lanaca, što rezultira većom koncentracijom distalnih repova. Povišena koncentracija ovih krajeva lanca dovodi do povišene koncentracije polimernih repova koji se protežu preko sučelja. Šišanje se lako postiže ultraljubičastim zračenjem u prisustvu plina sa kisikom, što sugerira da adhezijski uređaji koji koriste difuzno vezanje zapravo imaju koristi od dužeg izlaganja toploti/svjetlu i zraku. Što je dulji takav uređaj izložen tim uvjetima, više se repova pregleda i razgraniči kroz sučelje.

Nakon prelaska preko sučelja, repovi i petlje formiraju sve veze koje su povoljne. U slučaju površina polimera na polimeru to znači više van der Waalsovih sila. Iako su one krhke, prilično su jake kada se formira njihova velika mreža. Vanjski sloj svake površine ima presudnu ulogu u adhezijskim svojstvima takvih interfejsa, čak i sićušna količina interdigitacije – samo jedan ili dva repa, dužine 1,25 angstroma – može povećati van der Waalsove veze zavisno od veličine.