Адхезија

ИУПАЦ дефиниција

Процес везивања супстанце за површину друге супстанце.
Напомена 1: Адхезија захтева енергију која може да потиче од хемијских и/или физичких
веза. Физичке везе су реверзибилне када се примени довољна енергија.

Напомена 2: У биологији, адхезија одражава понашање ћелија непосредно након контакта
са површином.

Напомена 3: У хирургији, адхесион се користи да се два ткива неочекивано спајају.

Капи росе приањају на паукову мрежу због адхезије.

Адхезија (лат. adhaesio: пријањање, лепљење), у физици, је појава међусобног привлачења површина два тела начињена од различитих материја, или тела и течносту, због деловања интермолекулских сила између молекула. Привлачне силе су кратког досега, а њихова вредност зависи од врсте материја у додиру. Приањање је израженије ако је једна од материја течност. Оно може бити врло јако.

На својству адхезије заснива се, на пример, метализација прскањем (штрцањем, шопирањем), која се састоји се од прскања капљица растопљеног метала или легуре на површину предмета помоћу ваздушног млаза. Метализовање се врши помоћу посебног алата у облику пиштоља у који аутоматски улази жица од неког метала. Та се жица пламеником или електричним луком растопи, а онда се под ваздушним притиском (пнеуматика) избацује у млазу на предмет који се метализира. На такав начин се може и дрво метализирати.

Лепак

Главни чланак: Лепак

Нитроцелулозни лепак изван паковања.

Лепак или адхезив је материја која служи за лепљење (слепљивање) материјала, то јест за њихово спајање стварањем везнога филма међу слепљеним површинама. Деловање лепака темељи се на њиховом пријањању уз површину предмета (адхезија) и њиховој унутрашњој чврстоћи, која потиче од привлачних међуатомских или међумолекуларних сила (кохезија). Основа је лепљења квашење површина лепком те накнадно очвршћивање слепљеног споја. Квашење површине зависи од напетости површине и равнотежном контактном углу који се успоставља између чврсте површине материјала, течног лепка и ваздуха. Теорија лепљења врло је сложена, јер притом учествује низ чиниоца који се односе на својства површина које се лепе (хемијска активност, хидрофилност или хидрофобност, чистоћа, храпавост површине, хомогеност), на својства лепка (површинска напетост, вискозност, поларност, киселост или базност, брзина сушења) те физичка и механичка својства створеног везног филма. Лепкови се у облику вискозне течности наносе у танком слоју на једну или на обе површине које се слепљују, каткад уз повишени притисак. Сушењем лепка ствара се након неког времена адхезијска веза и постиже максимална чврстоћа слепљеног споја, због испаравања медија у којем се лепак примењује (вода или органски растварач) или пак хемијском реакцијом материја садржаних у лепку.

Метализација

На појави адхезије заснива се, на пример, метализација прскањем, која се састоји се у рапршивању капљица растаљеног метала или легуре на површину предмета помоћу ваздушног млаза. Метализирање се врши употребом посебног алата у облику пиштоља у који аутоматски улази жица неког метала. Та жица се на пламенику или електричним луком растопи, а затим, под ваздушним притиском (пнеуматика) избацује у млазу на предмет који се метализира. У таквом поступку, може се метализирати чак и дрво.

Радијација ојачава (интегрисано коло) микроконтролера, након метализације изведен је поступак микрофабрификације

Технике метализације започеле су већ од израде огледала. Године 1835, Јустус фон Либиг открио је поступак облагања стаклене површине металним сребром, чинећи стаклено огледало једним од најранијих метализираних предмета. Облагање осталих неметалних површина брзо се повећавало увођењем АБС пластике. Будући да је неметални објект лош електрични проводник, површина објекта мора се учинити проводљивом пре него што се обави облагање. Пластични део се најпре хемијски истискује погодним поступком, попут потапања у врућу смесу хромна киселина – сумпорна киселина. Потопљена површина је осетљива и активирана прво урањањем у калај(II) хлорид раствор, затим у паладијум хлорид. Обрађена површина се након додатног облагања премаже бакром или никлом. Овај поступак даје корисне (око 1 до 6 кгф/цм или 10 до 60 њутн/цм) адхезијска сила, али је много слабији од стварне чврстоће пријањања метала на метал.

Површинска енергија

Дијаграм различитих случајева цепања са обележеном сваком јединственом врстом.
А: γ = (1/2)W₁₁
Б: W₁₂ = γ₁ + γ₂ – γ₁₂
C: γ₁₂ = (1/2)W₁₂₁ = (1/2)W₂₁₂
D: W₁₂ + W₃₃ – W₁₃ – W₂₃ = W₁₃₂.

Површинска енергија се уобичајено дефинише као рад који је потребан за изградњу подручја одређене површине. Други начин да се види површинска енергија је веза са радом потребним за цепање скупног узорка, стварајући две површине. Ако су нове површине идентичне, површинска енергија γ сваке површине једнака је половини рада за разлагање, W:

γ = (1/2)W₁₁.

Ако су површине неједнаке, примјењује се Јанг-Дупреова једначина:

W₁₂ = γ₁ + γ₂ – γ₁₂,

где су γ₁ и γ₂ површинске енергије две нове површине, а γ₁₂ је интерфејсна енергија.

Овај метод се такође може користити за дискусију о цепању веза која се догађа у другом медију:

γ₁₂ = (1/2)W₁₂₁ = (1/2)W₂₁₂.

Ове две количине енергије односе се на енергију која је потребна за цепање једне врсте на два дела, а садржана је у медију друге врсте. Исто тако и за троврсни систем:

γ₁₃ + γ₂₃ – γ₁₂ = W₁₂ + W₃₃ – W₁₃ – W₂₃ = W₁₃₂,

где је W₁₃₂ енергија цепања врсте 1 из врсте 2 у медију врсте 3.

Основно разумевање термина енергије цепања, површинске енергије и површинске напетости врло је корисно за разумевање физичког стања и догађаја који се збивају на одређеној површини, теорија ових варијабли такође доноси неке занимљиве ефекте који се тичу практичности лепљивих површина у односу на окружење.

Механизми

Не постоји јединствена теорија о адхезији, а посебни механизми су специфични за одређене материјалне сценарије. Да би се објаснило зашто се један материјал залијепи за други, предложено је пет механизама адхезије.

Механички

Адхезивни материјали испуњавају празнине или поре површина и држе површине заједно спојене. Остале појаве међусобног спајања примећују се на скали различитих дужина. Шивење је пример два материјала који творе механичку везу великих размера, Шав твори један на средњој лествици, а неки текстилни садхезиви (лепило) формирају један у малим скалама.

Хемијски

Два материјала могу творити везу на споју. Најјача једињења су она где атоми дву материјала деле или замењују електроне (познате као ковалентно везање или јонско везање). Слабија веза настаје ако атом водоника у једном молекулу привлачи атом азота, кисеоника или флуора у другом молекулу, феномен који се зове водонична веза.

До хемијске адхезије долази када површински атоми две одвојене површине творе јонске, ковалентне или водоничне везе. Технички принцип који стоји иза хемијске адхезије у овом је смислу прилично једноставан: ако се површински молекули могу везати, тада ће се површине повезати мрежом тих веза.

Треба напоменути да су ове привлачне јонске и ковалентне силе учинковите на врло малим удаљеностима – мањим од нанометра. То у начелу значи не само да се површине с потенцијалом за хемијско везање требају зближити, већ и да су те везе прилично крхке, јер је потребно да одрже заједничку блискост.

Дисперзијски

Главни чланак: Дисперзијска адхезија

Код дисперзивне адхезије, познате и као физикација, два материјала су спојена ван дер Валсовим силама : привлачење између два молекула, од којих сваки има подручје благог позитивног и негативног набоја. У једноставном случају, такви молекули су према томе поларни у односу на просек густине набоја, мада у већим или сложенијим молекулима може бити више „полова” или регија с већим позитивним или негативним набојима. Ти позитивни и негативни полови могу бити трајно својство молекула (Кисомова сила) или пролазни ефект који се може догодити у било ком молекулу, јер насумично кретање електрона унутар молекула може резултирати привременом концентрацијом електрона у једној регији (Лондонове силе).

Кохезија узрокује стварање капи воде, површинска напетост узрокује да су готово сферне, а адхезија задржава капљице на месту.

Капљице воде су равније на цвету хибискуса који има бољу адхезију.

У науци о површинама, термин 'адхезија' се готово увек односи на дисперзивну адхезију. У типском систему круто-течно-гасовито (као што је кап течности на чврстој средини окружена ваздухом) контактни угао се користи за индиректно процењивање адхезије, док центрифугални баланс адхезије омогућава директно количинско мерење адхезије. Генерално, случајеви где је контактни угао низак, сматрају се адхезивнијим по јединици површине. Овај приступ претпоставља да доњи контактни угао одговара већој површинској енергији. Теоријски, тачнији однос између контактног угла и рада адхезије је укљученији и дат је Јанг-Дупреовом једначином. Контактни угао трофазног система је функција, не само дисперзивне адхезије (интеракција између молекула у течности и молекула у чврстој материји), већ и кохезије (интеракције између самих молекула течности). Јака адхезија и слаба кохезија резултирају високим степеном влажења, стањем лиофилности са малим измереним угловима контакта. Супротно томе, слаба адхезија и јака кохезија резултирају лиофобним условима са високим измереним угловима контакта и слабим влажењем.

Силе Лондонове дисперзије су посебно корисне за функцију уређаја за адхезију, јер није неопходно да иједна површина има трајну поларност. Описао их је 1930-их Фриц Лондон, а приметили су их многи истраживачи. Лондонове дисперзијске силе су последица ефеката статистичке квантне механике. Лондон је теоретизирао да привлачне силе између молекула, које се не могу објаснити јонском или ковалентном интеракцијом, могу изазвати поларни моменат унутар молекула. Мултиполови би могли објаснити привлачност између молекула који имају трајне мултиполне моменте који учествују у електростатичкој интеракцији. Међутим, експериментални подаци показали су да многи спојеви опажени на ван дер Валсовим силама уопште нису имали мултиполе. Лондон је сугерирао да тренутни диполи настају искључиво захваљујући томе што су молекули међусобно близу. Решавајући квантно механички систем два електрона као хармонички осцилатор на одређеној удаљености један од другог, измештајући се у паузама њихових положаја и међусобно комуницирајући са пољима. Лондон је показао да енергија овог система даје:

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

Док је први израз једноставно енергија нулте тачке, други негативни члан описује привлачну силу између суседних осцилатора. Исти се аргумент може проширити и на велики број спојених осцилатора, те на тај начин покреће питања која посебно негирају велике привлачне ефекте трајних дипола који се поништавају симетријом.

Додатна природа дисперзијског учинка има још једну корисну последицу. Размотримо један такв дисперзивни дипол, који се назива изворни дипол. Будући да је било који изворни дипол инхерентно оријентиран тако да га привлаче суседни диполи које он индукује, док остали, удаљенији диполи нису повезани било којим фазним односом с изворним диполом (тако да у просеку ништа не доприноси), постоји присилна нето привлачност у великој количини таквих честица. Када се разматрају идентичне честице, то се назива кохезијска сила.

Када се говори о адхезији, ову теорију је потребно претворити у изразе који се односе на површине. Ако у скупу сличних молекула постоји нето привлачна енергија кохезије, цепање ове масе за производњу две површине створиће површине с дисперзивном површинском енергијом, јер облик енергије остаје исти. Ова теорија даје основу за постојање ван дер Валсових сила на површини, које стоје између било којих молекула који имају електроне. Те се силе лако уоче кроз спонтано скакање глатких површина у контакт.

Глатке површине лискуна, злата, разних полимера и чврстих желатинских раствора не одвајају се када размак постане довољно мали – реда 1–10 нм. Једначину која описује ове атракције предвидели су 1930-тих Де Боер и Хамакер:

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

где је P сила (негативна на привлачност), z је удаљеност раздвајања, A је константа специфична за материјал која се назива Хамакерова константа.

Двије фазе ПДМ микроструктуре урушавају се због ван дер Валсовог привлачење. ПДМС печат означен је шрафираним подручјем, а подлога означеном осенчаном регијом. А) Печат ПДМС се поставља на подлогу са повишеним кровом. Б) Ван дер Валсове атракције урушавају кров енергетски повољнијим за ПДМС печат.

Учинак је очит и у експериментима у којима је полимиметилсилоксан (ПДМС) израђен са малим периодичним постструктурама. Подлога с стубовима поставља се лицем према доле на глатку површину, тако да је површина између сваког стуба уздигнута над глатком површином, попут крова који је подупрт стубовима. Због ових атрактивних дисперзивних сила између ПДМС-а и глатке подлоге, повишена површина – или „кров“ – урушава се на подлогу без икаквих вањских сила осим ван дер Валсвог привлачења. Једноставне глатке полимерне површине – без икаквих микроструктура – обично се користе за та дисперзивна својства адхезије. Етикете и налепнице које се стављају на стакло без употребе хемијских лепила прилично су честе као играчке и украси и корисне су као адхезиви за уклањање јер не губе брзо своја лепљива својства, као што то има лепљива трака лепљиви хемијски спој.

Важно је напоменути да ове силе делују и на врло малим растојањима – 99% потребних активности за разбијање ван дер Валсових веза одвија се након што се површине повуку више од нанометра. Као резултат, ово ограничено кретање и у ван дер Валсовим и у јонским/ковалентним ситуацијама спајања, практична ефикасност адхезије услед једне или обе ове интеракције представљају пожељно стање. Једном када се покрене пукотина, она се лако шири дуж сучеља због крхке природе интерфејсних веза. Као додатна последица, повећавање површине често не побољшава снагу адхезије у овој ситуацији. Ово произлази из горе наведеног квара пукотина – напон на сучељу није равномерно распоређен, већ је концентрисан на подручју грешке.

Електростатички

Неки водљиви материјали могу пропустити електроне да би формирали разлику у електричном набоју на споју. То резултира структуром сличном кондензатору и ствара привлачну електростатску силу између материјала.

Дифузијски

Сучеље (интерфејс) је означено испрекиданом линијом. А) Неумрежени полимери су помало слободни да дифундирају кроз сучеље. Једна петља и два дистална репа виде се дифузно. Б) умрежени полимери који нису довољно слободни за дифузију. C) „Згужвани” полимери врло слободни, с многим реповима који се пружају преко сучеља.

Неки материјали се могу спојити на контакту дифузијом. То се може догодити када су молекули оба материјала покретни и растворљиви једни у другом. Ово би било посебно ефикасно код полимерних ланаца где један крај молекуле дифундира у други материјал. То је уједно и механизам који је укључен у синтеровање. Када се метал или керамички прашкови заједно притисну и загревају, атоми дифундирају од једне честице до друге. Ово спаја честице у једно.

Дифузијке силе су донекле попут механичког везања на молекулском нивоу. Дифузно везање настаје када врсте с једне површине продиру у суседну површину док су још увек везане за фазу од које потичу. Један поучан пример је површина полимера на полимеру. Дифузно спајање на полимерима и полимерним површинама резултат је одсечака полимерних ланаца с једне површине који су међусобно повезани с онима суседне површине. Слобода кретања полимера има снажан учинак на њихову способност презасићености, а самим тим и на дифузно везање. На пример, умрежени полимери су мање способни за дифузију и интердигитацију, јер су повезани на многим тачкама додира и не могу се увити у суседну површину. Неумрежени полимери (термопластика), с друге стране слободније улазе у суседну фазу ширењем репова и петљи преко сучеља.

Друга околност под којом долази до дифузног везања је „цеђење”. Ланчани расцеп је начин резања полимерних ланаца, што резултира већом концентрацијом дисталних репова. Повишена концентрација ових крајева ланца доводи до повишене концентрације полимерних репова који се протежу преко сучеља. Шишање се лако постиже ултраљубичастим зрачењем у присуству плина са кисеоником, што сугери[е да адхезијски уређаји који користе дифузно везање заправо имају користи од дужег излагања топлоти/светлу и ваздуху. Што је дуже такав уређај изложен тим уветима, више се репова прегледа и разграничи кроз сучеље.

Након преласка преко сучеља, репови и петље формирају све везе које су повољне. У случају површина полимера на полимеру то значи више ван дер Валсових сила. Иако су оне крхке, прилично су јаке када се формира њихова велика мрежа. Вањски слој сваке површине има пресудну улогу у адхезијским својствима таквих интерфејса, чак и сићушна количина интердигитације – само један или два репа, дужине 1,25 ангстрома – може повећати ван дер Валсове везе зависно од величине.

Литература

• Јохн Цомyн, Адхесион Сциенце, Роyал Социетy оф Цхемистрy Папербацкс, 1997
• А.Ј. Кинлоцх, Адхесион анд Адхесивес: Сциенце анд Тецхнологy, Цхапман анд Халл, 1987