Øvelse Nanoscience og overfladespænding

Transkript

1 Nano ScienceCenter,KøbenhavnsUniversitet Øvelse Nanoscience og overfladespænding Overfladespænding er måske ikke noget man spekulerer over i det daglige; men ikke desto mindre ser man effekter af overfladespænding hver dag. Det mest trivielle eksempel er en vanddråbe, at vand danner dråber skyldes netop overfladespændingen. Giver man sig til at undersøge vanddråber nærmere, vil man opdage, at de opfører sig forskelligt afhængigt af, hvilket underlag de lander på, og hvor store de er. Når vi vasker op, prøver vi at minimere overfladespændingen for vandet ved at tilsætte opvaskemiddel, så kontakten mellem det vi vasker op og sæbevandet bliver bedre, og vi dermed får en bedre rengøringseffekt. Går vi ud i naturen, kan vi finde eksempler på insekter, der kan gå på vandet - de bæres oppe af overfladespændingen på vandoverfladen. Vi kender det også fra kemilaboratoriet, når vi skal afmåle en bestemt mængde af en væske i et måleglas, så buer oveflade op mod siden i måleglasset og vanskeliggør en præcis bestemmelse af mængden væske i glasset. Overfladespændingen på en vandoverfladen kan demonstreres ved forsigtigt at lægge en papirclips på en vand overflade, så kan den faktisk flyde selvom densiteten af det materiale clipsen er lavet af er større end densiteten af vand: Ser vi på et væskemolekyle i det indre af en væsken er det påvirket af kohæsive kræfter i alle retninger så den samlede kraftpåvirkning er på ca. 0 N. For et molekyle i overfladelaget vil der være en netto kraftpåvirkning ind mod det indre af væsken, da der jo er mange flere nabomolekyler, der yder en kraftpåvirkning på molekylet på den side, der vender ind mod væsken, se figuren: Kraftpåvirkning på et molekyle inde i en væske og et molekyle på overfladen. Figuren er fra Side1af5

2 Nano ScienceCenter,KøbenhavnsUniversitet Hvis vi ser på en væskedråbe på en fast overflade er kontaktvinklen (χ) bestemt af ligevægten mellem de tre overfladespændinger α for væsken, α fv for grænsefladen mellem det faste stof og væsken og α fs for grænsefladen mellem det faste stof og gasfasen, se figuren herunder. α χ Dråbe α fg α fv Ligevægtsbetingelsen bliver: α fs = α fv + α cos(χ) Denne betingelse kan det imidlertid være svært at komme nogen vegne med, da de forskellige overfladespændinger kan være svære at bestemme. Til gengæld kan vinklen χ forholdsvis let bestemmes og man kan således på simpel vis karakterisere forskellige væsker eller forskellige overflader ved at måle kontaktvinklen. Kontaktvinklen er interessant i og med, at den har stor betydning for, hvordan en væske hæfter sig til en given overflade. Jo større kontaktvinkel jo dårligere vedhæftning. Lotusblomsten er et eksempel på dette, her er kontaktvinkelen mellem overfladen og en vanddråbe over 160. Det betyder, at det er næste umuligt at gøre en lotusblomst våd, vandråber preller bare af. Det viser sig også, at skidt hæfter meget dårligt på overfladen af en lotusblomst, den er så at sige selvrensende. Denne selvrensende effekt har fået navnet lotuseffekten, og viser sig at være knyttet til strukturen af overfladen. Der er derfor stor interesse - både i industrien og i universitetsverdenen for at skabe overfladebelægninger med de samme egenskaber. Det vil medføre, at overflader med en sådan belægning bliver meget nemmere at rengøre, og der findes allerede nogle kommercielle produkter med sådanne egenskaber. Måling af kontaktvinklen for vand eller andre væsker på en given overflade fortæller noget om hvor godt væsken forbinder sig til overfladen, så ved at måle kontaktvinklen for en given væske på forskellige overflader, kan man karakterisere overfladerne i forhold til hinanden. Måling af kontaktvinkler En sådan måling kan fx udføres ved at anvende et USB mikroskop, som er afbilledet herunder. Side2af5

3 Nano ScienceCenter,KøbenhavnsUniversitet Et tilsvarende mikroskop kan bestilles her: men de findes i mange forskellige varianter og kvaliteter. Et par eksempler på billeder taget med mikroskopet på billedet ovenfor: Vandråbe på en fineret træplade Vandråbe på samme underlag som til venstre, men nu behandlet med NanoCover til træ/sten. Det ses tydeligt, at kontaktvinklen er blevet væsentligt større efter behandling med NanoCover. Kontaktvinklen kan let måles med et billedbehandlingsprogram som fx Gimp, som har et indbygget værktøj til måling af vinkler. Forsøg med måling af kontaktvinkel kan fx udføres i en meget simpel opstilling, som den der er vist på billedet herunder, mikroskopet er tapet fast til borpladen, og underlaget hvor dråberne placeres er anbragt umiddelbart foran mikroskopet. Side3af5

4 Nano ScienceCenter,KøbenhavnsUniversitet For at kalibrere opstillingen bør man sikre sig, at dråben ligger på et vandret underlag, dette gøres ved at måle kontaktvinklen på begge sider af vanddråben, hvis de 2 vinkler er lige store er underlaget vandret. Mikroskopet ovenfor optager videofilm i avi format så filmen efterfølgende kan afspilles fx i windows media player. Under afspilning af filmen sættes den på pause, når der er et godt billede af den dråbe, man vil undersøge, og så kan man i Gimp (et gratis billedbehandlingsprogram) og sikkert de fleste andre billedbehandlingsprogrammer tage et billede af mediaplayervinduet. Dette billede kan evt. beskæres, og man kan så måle kontaktvinklen med det indbyggede måleværktøj. I Gimp ser det således ud: At få justeret underlaget, så det bliver vandret, dvs. så kontaktvinklerne på højre og venstre side bliver ens er en lidt langsommelig affære. Når man har sikret sig, at underlaget er vandret, kan man bestemme Side4af5

5 Nano ScienceCenter,KøbenhavnsUniversitet kontaktvinklen. Dette gentages nu med forskellige overflader (f.eks. glas, træ, lakeret træ, sten (flise, mursten el. lign.)). For hvert underlag skal man sikre sig, at det er vandret før kontaktvinklen kan bestemmes. Derefter kan man se på, hvad der sker med kontaktvinklen, når de forskellige materialer behandles på forskellig måde (gnides med voks eller behandles med et nanoimprægneringsmiddel). En anden mulighed er, at undersøge kontaktvinklen for forskellige væsker på det samme underlag. Tabellen herunder giver mulighed for at undersøge om kontaktvinklen ændrer sig, som man skulle forvente ud fra de angivne overfladespændinger. Som man kan se af tabellen, er overfladespændingen temperaturafhængig, den effekt kan også undersøges. Man kan også se på hvad der sker med kontaktvinklen på de 2 sider af dråben, når man vipper underlaget, og se på hvor meget underlaget skal vippes før dråben begynder at rulle ned af underlaget. Overfladespænding for udvalgte væsker Væske I kontakt med luft Temperatur ( C) Overfladespænding (mn/m) Benzen Carbon tetrachlorid Ethanol Glycerin Oliven olie Sæbe solution Vand Vand Vand Vand Tabellen er hentet fra: Referencer: Nanoteknologiske horisonter, DTU Nanovand, Naturvidenskab for alle, 3. årgang nr.1, 2009 Øvelsen er lavet af gymnasielærer Lars Gråbæk i samarbejde med Nano-Science Center, Københavns Universitet med støtte fra: NANO CONNECT SCANDINAVIA Side5af5