Adhesió

Per a altres significats, vegeu «adhesió cel·lular».

El morter utilitzat per mantenir junts els maons és un exemple de l'adhesió.

L'adhesió és la propietat de la matèria per la qual s'uneixen dues superfícies de substàncies iguals o diferents quan entren en contacte, i es mantenen juntes per forces intermoleculars. L'adhesió ha tingut un paper important en molts aspectes de les tècniques de construcció tradicionals. L'adhesió del maó amb el morter (ciment) és un exemple clar.

La cohesió és diferent de l'adhesió. La cohesió és la força d'atracció entre partícules adjacents dins d'un mateix cos, mentre que l'adhesió és la interacció entre les superfícies de diferents cossos. En els gasos la força de cohesió pot observar en la seva liqüefacció que té lloc en comprimir una sèrie de molècules si produeix forces d'atracció prou altes per produir una estructura líquida. En els líquids, la cohesió es reflecteix en la tensió superficial causada per una força no equilibrada cap a l'interior del líquid que actua sobre les molècules superficials i també en la transformació d'un líquid en sòlid quan es comprimeixen les molècules encara més.

Energia superficial

L'energia superficial es defineix convencionalment com el treball que es requereix per a construir una àrea d'una superfície particular. Una altra manera de veure l'energia superficial és relacionar-la amb el treball requerit per a escindir una mostra a granel, creant dues superfícies. Si les noves superfícies són idèntiques, l'energia o tensió superficial (γ) de cada superfície és igual a la meitat del treball d'escissió: γ = (1/2)W.

L'energia superficial és proporcional a l'adhesivitat del material. Si les superfícies són desiguals, s'aplica l'equació de Young-Dupré: W₁₂ = γ₁ + γ₂ – γ₁₂, on γ₁ i γ₂ són les energies superficials de les dues noves superfícies, i γ₁₂ és l'energia interfacial.

Aquesta metodologia també es pot utilitzar per a discutir l'escissió que ocorre en un altre mitjà: γ₁₂ = (1/2)W₁₂₁ = (1/2)W₂₁₂. Aquestes dues quantitats d'energia es refereixen a l'energia que es necessita per a dividir una espècie en dues parts mentre està continguda en un mitjà de l'altra espècie. De la mateixa manera per a un sistema de tres espècies: γ₁₃ + γ₂₃ – γ₁₂ = W₁₂ + W₃₃ – W₁₃ – W₂₃ = W₁₃₂, on W₁₃₂ és l'energia de separar l'espècie 1 de l'espècie 2 en un mitjà de l'espècie 3.

Una comprensió bàsica de la terminologia d'energia de divisió, energia superficial i tensió superficial és molt útil per a comprendre l'estat físic i els esdeveniments que succeeixen en una superfície determinada, però com s'analitza a continuació, la teoria d'aquestes variables també llança alguns efectes interessants que concerneixen la practicitat de les superfícies adhesives en relació amb el seu entorn.

Mecanismes d'adhesió

Unes gotes d'aigua adherint a una teranyina

La cohesió és la causa que l'aigua formi gotes, la tensió superficial fa que es mantinguin esf}erica i l'adhesió la manté al seu lloc.

Les gotes d'aigua són més planes sobre la flor d'Hibiscus, ja que tenen millor adhesió.

Cinc mecanismes han estat proposats per explicar perquè un material s'adhereix a un altre.

Adhesió mecànica

Els materials adhesius omplen els forats o porus de les superfícies mantenint les superfícies unides per enclavament. Hi ha formes a gran escala de costura, altres vegades a mitja escala com el velcro i alguns adhesius tèxtils que funcionen a escales petites. És un mètode similar a la tensió superficial

Adhesió química

Dos materials poden formar un compost químic en unir. Les unions més fortes es produeixen entre àtoms on hi ha permutació (enllaç iònic) o es comparteixen electrons (enllaç covalent). Un enllaç més feble es produeix quan un àtom d'hidrogen que ja forma part d'una partícula es veu atreta per una altra de nitrogen, oxigen o fluor, en aquest cas parlaríem d'un pont d'hidrogen….

El principi de l'enginyeria darrere d'adhesió química en aquest sentit és bastant senzill: si les molècules de superfície es poden unir, a continuació, les superfícies s'uneixen entre si per una xarxa d'aquests enllaços. Cal esmentar que aquestes forces iòniques i covalents atractives són eficaces només en distàncies molt petites - de menys d'un nanòmetre. Això significa que, en general, no sols les superfícies que es volen unir estiguin molt pròximes entre si, sinó també, que aquests enllaços siguin bastant fràgils, ja que les superfícies a continuació han de mantenir-se juntes.

Adhesió dispersiva

A l'adhesió dispersiva, dos materials es mantenen units per les forces de van der Waals: l'atracció entre dues molècules, cadascuna de les quals té regions de càrrega positiva i negativa. En aquest cas, cada molècula té una regió de major càrrega positiva o negativa que s'uneix a la següent de càrrega contrària. Aquest efecte pot ser una propietat permanent o temporal a causa del moviment continu dels electrons en una regió.

En l'adhesió dispersiva, també coneguda com a fisisorció, dos materials es mantenen units per força de van der Waals: l'atracció entre dues molècules, cadascuna de les quals té una regió de lleugera càrrega positiva i negativa. En el cas simple, tals molècules són, per tant, polars respecte a la densitat de càrrega mitjana, encara que en molècules més grans o complexes, pot haver-hi múltiples "pols" o regions de major càrrega positiva o negativa. Aquests pols positius i negatius poden ser una propietat permanent d'una molècula (força de Keesom) o un efecte transitori que pot ocórrer en qualsevol molècula, ja que el moviment aleatori dels electrons dins de les molècules pot donar lloc a una concentració temporal d'electrons en una regió (forces de London).

A la ciència de superfícies el terme "adhesió" sempre fa referència a una adhesió dispersiva. En un sistema sòlid-líquid-gas normal (com una gota d'un líquid sobre una superfície envoltada d'aire) a l'angle de contacte es fa servir per quantificar l'adhesivitat. En els casos on l'angle de contacte és baix l'adhesió és molt present. Això es deu al fet que una major superfície entre el líquid i el sòlid comporta una energia superficial més gran. Teòricament, la relació més exacta entre l'angle de contacte i el treball d'adhesió és més complicada i és causada per l'equació de Young-Dupre. L'angle de contacte del sistema trifàsic és una funció no sols de l'adhesió dispersiva (interacció entre les molècules del líquid i les molècules del sòlid) sinó també de la cohesió (interacció entre les mateixes molècules del líquid). Una adhesió forta i una cohesió feble donen lloc a un alt grau d'humectació, una condició liofílica amb angles de contacte mesurats baixos. Per contra, una adhesió feble i una cohesió forta donen lloc a condicions liofòbiques amb alts angles de contacte mesurats i escassa humectació.

Les forces de dispersió de London són especialment útils per al funcionament de dispositius adhesius, ja que no requereixen que cap de les superfícies tingui polaritat permanent. Van ser descrites en la dècada de 1930 per Fritz London, i han estat observades per molts investigadors. Les Forces de dispersió són una conseqüència de la mecànica quàntica estadística. London va teoritzar que les forces atractives entre molècules que no poden explicar-se per la interacció iònica o covalent poden ser causades per moments polars dins de les molècules. Els moments multipolars podrien explicar l'atracció entre molècules que tenen moments multipolars permanents que participen en la interacció electroestàtica. No obstant això, les dades experimentals van mostrar que molts dels compostos que experimentaven forces de Van der Waals no tenien cap multipol. London va suggerir que els dipols momentanis s'indueixen simplement en virtut de la proximitat de les molècules entre si. Resolent el sistema mecànic quàntic de dos electrons com oscil·ladors harmònics a una distància finita l'u de l'altre, sent desplaçats sobre les seves respectives posicions de repòs i interactuant amb els camps de l'altre, London va demostrar que l'energia d'aquest sistema és causada per:

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

Mentre que el primer terme és simplement l'energia de punt zero, el segon terme negatiu descriu una força atractiva entre oscil·ladors veïns. El mateix argument pot estendre's a un gran nombre d'oscil·ladors acoblats i, per tant, eludeix qüestions que anul·larien els efectes atractius a gran escala dels dipols permanents que s'anul·len a través de la simetria, en particular.

La naturalesa additiva de l'efecte de dispersió té una altra conseqüència útil. Considerem un únic dipol dispersiu d'aquest tipus, denominat dipol d'origen. Atès que qualsevol dipol d'origen està inherentment orientat per a ser atret pels dipols adjacents que indueix, mentre que els altres dipols més distants no estan correlacionats amb el dipol original per cap relació de fase (per tant, en mitjana no contribueixen en res), hi ha una força d'atracció neta en una massa de tals partícules. Quan es consideren partícules idèntiques, això es denomina força de cohesió.

Quan es parla d'adhesió, és necessari convertir aquesta teoria en termes relatius a les superfícies. Si existeix una energia de cohesió atractiva neta en una massa de molècules similars, en dividir aquesta massa per a produir dues superfícies s'obtindran superfícies amb una energia superficial dispersiva, ja que la forma de l'energia continua sent la mateixa. Aquesta teoria proporciona una base per a l'existència de forces de van der Waals en la superfície, que existeixen entre qualsevol molècula que tingui electrons. Aquestes forces s'observen fàcilment a través del salt espontani de superfícies llises en contacte. Les superfícies llises de mica, or, diversos polímers i solucions sòlides de gelatina no se separen quan la seva separació és prou petita - de l'ordre d'1-10 nm. L'equació que descriu aquestes atraccions va ser predita en la dècada de 1930 per De Boer i Hamaker:

${\frac {P}{area}}=-{\frac {A}{24\pi z^{2}}}$

on P és la força (negativa per a l'atracció), z és la distància de separació i A és una constant específica del material anomenada constant de Hamaker.

Les dues etapes del col·lapse de la microestructura del PDMS a causa de les atraccions de van der Waals. El segell de PDMS s'indica amb la regió ombrejada, i el substrat s'indica amb la regió ombrejada. A) El segell de PDMS es col·loca sobre un substrat amb el "sostre" elevat. B) Les atraccions de Van der Waals fan que l'esfondrament del sostre sigui energèticament favorable per al segell de PDMS

.

L'efecte també és evident en experiments en els quals es fabrica un segell de polidimetilsiloxà (PDMS) amb petites estructures periòdiques de pals. La superfície amb els pals es col·loca boca avall sobre una superfície llisa, de manera que la superfície entre cada pal s'eleva per sobre de la superfície llisa, com una teulada sostinguda per columnes. A causa d'aquestes forces de dispersió atractives entre el PDMS i el substrat llis, la superfície elevada -o "sostre"- s'esfondra sobre el substrat sense cap força extern a part de l'atracció de van der Waals. Les superfícies de polímer llises i simples -sense cap microestructura- s'utilitzen habitualment per a aquestes propietats adhesives dispersives. Les calcomanies i adhesius que s'adhereixen al vidre sense usar cap adhesiu químic són bastant comuns com a joguines i decoracions i útils com a etiquetes amovibles perquè no perden ràpidament les seves propietats adhesives, com ho fan les cintes adhesives que usen compostos químics adhesius.

La interfície s'indica per la línia de punts. A) Els polímers no reticulats són una mica lliures per a difondre's a través de la interfície. Un bucle i dues cues distals es veuen difondre. B) Els polímers reticulats no són prou lliures per a difondre. C) polímers "Scissed" són molt lliures, amb moltes cues que s'estenen a través de la interfície.

És important assenyalar que aquestes forces també actuen a distàncies molt petites: el 99% del treball necessari per a trencar els enllaços de van der Waals es realitza una vegada que les superfícies se separen més d'un nanòmetre. Com a resultat d'aquest moviment limitat tant en les situacions d'enllaç de van der Waals com en les d'enllaç iònic/covalent, l'eficàcia pràctica de l'adhesió deguda a una o totes dues d'aquestes interaccions deixa molt a desitjar. Una vegada que s'inicia una esquerda, es propaga fàcilment al llarg de la interfície a causa de la naturalesa fràgil dels enllaços interfacials.

Com a conseqüència addicional, l'augment de la superfície sovint fa poc per a millorar la força de l'adhesió en aquesta situació. Això es dedueix de la fallada de l'esquerda esmentada anteriorment: la tensió en la interfície no es distribueix uniformement, sinó que es concentra en la zona de la fallada.

Adhesió electroestàtica

Alguns materials conductors deixen passar electrons formant una diferència de potencial en unir. Això dona com a resultat una estructura similar a un condensador i crea una força electroestàtica atractiva entre materials.

Adhesió difusiva

Alguns materials poden ser capaços d'unir-se per mitjà de difusió. Això pot passar quan les molècules d'ambdós materials són mòbils i solubles entre si. Això pot ser particularment efectiu amb cadenes de polímers on el final de les molècules es difonen en l'altre material. Aquest procés també ocorre en sinterització quan es barregen els pols de diverses ceràmiques o metalls i es fonen aquests queden barrejats perfectament per aquest mètode.

Bibliografia

• Ira N. Levine; "Fisicoquímica" Volum 1; Cinquena edició; 2004; Mc Graw Hill.