¿Qué es la adherencia física?
La adherencia física es la unión entre dos o más superficies, ya sea de un mismo material o diferente, cuando se ponen en contacto. Se produce por la fuerza de atracción de Van der Waals y por las interacciones electrostáticas que existen entre las moléculas y los átomos de los materiales.
Las fuerzas de Van der Waals están presentes en todos los materiales, son atractivas y se originan a partir de las interacciones atómicas y moleculares. Estas fuerzas se deben a los dipolos inducidos o permanentes creados en las moléculas por los campos eléctricos de las moléculas vecinas, o por los dipolos instantáneos de los electrones alrededor de los núcleos atómicos.
Las interacciones electrostáticas se fundamentan en la formación de una doble capa eléctrica cuando dos materiales entran en contacto. Esta interacción produce una fuerza electrostática de atracción entre los dos materiales al intercambiar electrones, llamada fuerza de Coulomb.
La adherencia física hace que el líquido se adhiera a la superficie sobre la que descansa. Por ejemplo, cuando el agua se coloca sobre un vidrio, se forma una película delgada y uniforme sobre la superficie debido a las fuerzas de adhesión entre el agua y el vidrio. Estas fuerzas actúan entre las moléculas del vidrio y las moléculas del agua, y mantienen el agua en la superficie del vidrio.
¿En qué consiste la adherencia física?
La adherencia física es la propiedad superficial de los materiales que les permite mantenerse unidos al estar en contacto. Está directamente relacionada con la energía libre superficial (ΔE) para el caso de adhesión sólido-líquido.
En el caso de adhesión líquido-líquido o líquido-gas, la energía libre superficial se llama tensión interfacial o superficial.
La energía libre superficial es la energía requerida para generar una unidad de área superficial del material. A partir de la energía libre superficial de dos materiales se puede calcular el trabajo de adhesión (adherencia).
El trabajo de adhesión se define como la cantidad de energía que se suministra a un sistema para romper la interfase y crear dos nuevas superficies.
Mientras mayor sea el trabajo de adhesión, mayor será la resistencia a la separación de las dos superficies. El trabajo de adhesión mide la fuerza de atracción entre dos materiales diferentes al estar en contacto.
Ecuaciones
La energía libre de separación de dos materiales, 1 y 2, es igual a la diferencia entre la energía libre después de la separación (γfinal) y la energía libre antes de la separación (γinicial).
ΔE = W12 = γfinal – γinicial = γ1 + γ2 – γ12 [1]
γ1 = energía libre superficial del material 1
γ2 = energía libre superficial del material 2
La cantidad W12 es el trabajo de adhesión que mide la fuerza de adhesión de los materiales.
γ12 = energía libre interfacial
Cuando la adhesión es entre un material sólido y un material líquido, el trabajo de adhesión es:
WSL = γS + γLV – γSL [2]
γS = energía libre superficial del sólido en equilibrio con su propio vapor.
γLV= energía libre superficial del líquido en equilibrio con vapor.
WSL = trabajo de adhesión entre el material sólido y el líquido.
γ12 = energía libre interfacial
La ecuación [2] se escribe en función de la presión de equilibrio (πequil), que mide la fuerza por unidad de longitud de las moléculas adsorbidas en la interfase.
πequil = γS – γSV [3]
γSV= energía libre superficial del sólido en equilibrio con el vapor.
WSL = πequil + γSV + γLV – γSL [4]
Al sustituir γSV – γSL = γLV cos θC en la ecuación [4] se obtiene
WSL = πequil + γSL(1+cos θC ) [5]
θC es el ángulo de contacto en equilibrio entre una superficie sólida, una gota de líquido y vapor.
La ecuación [5] mide el trabajo de adhesión entre una superficie sólida y una superficie líquida debido a la fuerza de adhesión entre las moléculas de ambas superficies.
Ejemplos de adherencia física
Adherencia de neumáticos
La adherencia física es una característica importante de valoración de la eficiencia y seguridad de los neumáticos. Sin una buena adherencia, los neumáticos no pueden acelerar ni frenar el vehículo, ni ser dirigidos de un lugar a otro, y la seguridad del conductor puede verse comprometida.
La adherencia del neumático se debe a la fuerza de fricción entre la superficie del neumático y la superficie del pavimento. Una alta seguridad y eficiencia va a depender de la adherencia en diferentes superficies, tanto rugosas como resbaladizas, y en diferentes condiciones atmosféricas.
Por esta razón, cada día la ingeniería automotriz avanza en obtener diseños apropiados de neumáticos que permitan una buena adherencia, incluso en superficies mojadas.
Adherencia de placas de vidrio pulidas
Al ponerse en contacto dos placas de vidrio pulidas y humedecidas experimentan una adherencia física que se observa en el esfuerzo que hay que aplicar para vencer la resistencia de separación de las placas.
Las moléculas del agua se unen a las moléculas de la placa superior y así mismo se adhieren a la placa inferior, impidiendo que ambas placas se separen.
Las moléculas de agua tienen fuerte cohesión entre sí, pero también manifiestan una fuerte adhesión con las moléculas del vidrio debido a las fuerzas intermoleculares.
Adherencia dental
Un ejemplo de adherencia física es una placa dental adherida a un diente que suele colocarse en tratamientos odontológicos restauradores. La adherencia se manifiesta en la interfase entre el material adhesivo y la estructura del diente.
La eficiencia en la colocación de esmaltes y dentinas en los tejidos dentales, y en la incorporación de estructuras artificiales tales como cerámicas y polímeros que sustituyen la estructura dental, va a depender del grado de adherencia de los materiales utilizados.
Adherencia del cemento con estructuras
Una buena adherencia física del cemento a las estructuras de ladrillo, mampostería, piedra o acero se manifiesta en una alta capacidad de absorber la energía que proviene de los esfuerzos normales y tangenciales a la superficie que une el cemento con las estructuras, es decir, en una alta capacidad de soportar cargas.
Para obtener una buena adherencia en la unión del cemento con la estructura, es necesario que la superficie sobre la que se va a colocar el cemento tenga suficiente absorción y que la superficie sea lo suficientemente rugosa. La falta de adherencia se traduce en fisuras y desprendimiento del material adherido.
Referencias
- Lee, L.H. Fundamentals of Adhesion. Plenium Press.
- Pocius, A.V. Adhesives, Chapter 27. Springer.
- Israelachvili, J.N. Intermolecular and surface forces. Academic Press.
- Israelachvili, J.N, Chen, You-Lung y Yoshizawa, H. Relationship between adhesion and friction forces, Journal of Adhesion Science and Technology.
- Hiemenz, P.C. y Rajagopalan, R. Principles of Colloid and Surface Chemistry. Marcel Dekker, Inc.