昆虫が水の上をどのように歩くことができるのか疑問に思ったことはありませんか?

11年2022月XNUMX日

水より軽い、密度が低いからではなく、答えは…表面張力です!

表面張力とは

それが泡を形成する原因であり、水が毛細管の側面を這うことができる方法であり、アメンボなどの昆虫が池を壊すことなく池の表面に沿って歩くことを可能にするものです。 

表面張力は、液体の表面積を増やすために必要なエネルギーであり、したがって、液体が可能な限り小さな表面積を持ちたいと思う原因となります。 言い換えれば、それは液体内で働く分子間力による外力に抵抗する表面の能力です。 これらの力には、水素結合(強い分子間相互作用)と分散力(弱い分子間相互作用)が含まれます。

表面張力の力に加えて、アメンボは空気を閉じ込めて耐水性を高めるために、足に何千もの小さな毛を持っています。
表面張力の力に加えて、アメンボは空気を閉じ込めて耐水性を高めるために、足に何千もの小さな毛を持っています。

水の奇妙さ

他の多くのユニークな特性の中で、水の化学構造はそれに ずっと 他の液体よりも高い表面張力—約72mN/m。 より高い表面張力を持つ唯一の液体は、500mN/mの水銀です。 このため、表面張力を示すときに使用される最も一般的な例は水であり、どこに行っても水が実際に動いているのを見ることができます。

水は四面体構造のXNUMXつの水素原子とXNUMXつの酸素原子で構成されており、この構成により、水分子は隣接する分子間に水素結合と呼ばれる静電結合を形成できます。

表面は、親水性(水を好む)または疎水性(水を嫌う)のいずれかであると説明されることが多く、これは、水が単にそれ自体に結合するのではなく、水分子と結合する表面の能力によって決定されます。 この表面結合能力は、多くの場合、分子の極性、および水素結合が発生するサイトがあるかどうかによって決まります。 化学では、「likeはlikeを引き付ける」ので、水のような極性分子は、正味電荷のない表面よりも極性表面に引き付けられます。

蓮の葉

蓮の花の葉から流れ出る水を見ると、葉があまり濡れていないことがわかります。 水は跡形もなく流れ出ます。 ロータス効果は超疎水性の特殊なケースであり、これはXNUMXつの要因によって引き起こされます。

ロータス効果は、テフロン調理器具のコーティングであるPTFEなど、他の表面を超疎水性、セルフクリーニング、非粘着性にする生体模倣の開発に影響を与えました。
ロータス効果は、テフロン調理器具のコーティングであるPTFEなど、他の表面を超疎水性、セルフクリーニング、非粘着性にする生体模倣の開発に影響を与えました。

まず、蓮の葉はキューティクルで覆われており、葉の表面全体にワックス状の物質を分泌します。 ワックスとオイルは疎水性であるため、水滴は葉の表面よりも他の水滴に付着しやすくなります。

第二に、蓮の葉の表面は十分に滑らかに見えるかもしれませんが、実際には微視的なレベルでは非常に粗いです。 それは葉の表面の多くの小さな点で覆われ、表面のフラクタル階層を形成し、空気を閉じ込めることができるギャップを形成します。 これにより、水滴と葉の表面の間の抵抗が増加し、水が単純に転がり落ちます。 

表面張力を壊す

表面のエネルギーを下げて、表面をより簡単に壊すことができます。 これは、界面活性剤を使用して達成されます。 サーフエース 行動するアイブ ageNTS。 

最も一般的な家庭用界面活性剤は、製品の洗浄に含まれる洗剤と、食品や化粧品に含まれる乳化剤です。
最も一般的な家庭用界面活性剤は、製品の洗浄に含まれる洗剤と、食品や化粧品に含まれる乳化剤です。

界面活性剤は、親水性のヘッドと疎水性のテールを持つ分子です。 分子は、水と別の流体(油や空気など)の界面に沿って整列することができ、これにより表面に沿ったエネルギーが低下します。 

これは、水分子をコーティングし、それらを界面や相互に分離する余分な層のように視覚化できます。 これにより、水分子が薄く広がり、気泡が発生します。 

洗剤では、これらの小さな泡が溝や毛穴に入り、汚れやバクテリアを取り除きます。 エマルジョンでは、気泡を別の流体全体に分散させることができます。たとえば、水粒子を油に懸濁させてマーガリンを作ることができます。 乳化界面活性剤は、XNUMXつの相の一貫性を均質なものに変え、それらが分離するのをはるかに困難にすることができます。

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