Spørg Scientariet: Hvad gør stoffer klistrede?
Vores læser Hans-Kristian Bjerregaard har spurgt: Hvad er det der gør forskellige stoffer klistrede? Jeg kan forstå, at intermolekylære kræfter kan holde stoffer sammen som væsker, og at stoffer kan have fast form eller være i gasfase. Men hvilke molekylære strukturer anleder til klistrede egenskaber hos stoffet?
Mogens Hinge, lektor på Institut for Ingeniørvidenskab, Plastic and Polymer Engineering på Aarhus Universitet svarer:
Der er fat i det helt rigtige her – inter-molekylære kræfter. Disse kræfter holder væsker og faste stoffer sammen til ja… hhv. væsker og faste stoffer. Disse kræfter (uden at komme ind på hvilken type det er – f.eks. dispersion, dipol-dipol, osv.) er også de afgørende kræfter, når noget er ‘klistret’.
Men lad os lige se på, hvad vi mener, når vi siger klistret. Når en overflade berøres, vil der være en interaktion imellem molekylerne på overfladen og f.eks. min finger. Dette resulterer i, at jeg vil føle, at jeg skal trække med en vis kraft (F) for at få min finger til at slippe underlaget igen – der er altså en interaktion imellem min finger og overflademolekylerne (mekanisk interaktion ignoreres – altså vi tænker på tape, post-it og lignende her).
Skulle disse interaktioner være af en sådan grad, at overflademolekylerne gerne vil interagere med min finger, så er halvdelen af grundlaget lagt. Det kan her være en fordel at tænke i overfladespændinger og areal.
Har overflademolekylerne mindre overfladespænding end min finger, så vil der være en gevinst for overflademolekylerne ved at interagere med min finger – ja, og så gør de det og dækker et givent areal af den. Det er derfor, man kan smøre silikoneolie på alt muligt (dog ikke teflon, som har en mindre overfladespænding end silikone), men ikke smøre noget på silikoneolien (det klassiske vognmaler-problem).
Læs også: Utrolig stærk mekanisk lim kan bruges som velcro i rummet
Nå men… den anden halvdel af svaret på klistret er, at molekylerne skal kunne bevæge sig på overfladen og mod min finger, f.eks. som med silikoneolien, som er flydende, men ikke teflon, som jo er fast (en semi-krystallinsk polymer). Så molekylernes bevægelsesfrihed er den anden del af grundlaget.
Ved mange typer lim/klister er det polymer, man bruger (der er nogle reaktive uorganiske lime, men de fremstår normalt ikke klistret.). Polymer udmærker sig ved at have en karakteristisk temperatur (kaldet glas-transitions-temperaturen Tg), hvor kun dele af polymermolekylet kan bevæge sig, alt i mens andre dele vil holde polymermolekylet fast i rum.
Så hvis overflademolekylerne er over Tg, vil de altså kunne bevæge sig lidt på forskellige steder langs polymeren, lige nok til at de kan fordele sig på spidsen af min finger (eller delvist bevæge sig op på min finger).
Dvs. for at noget er klistret, skal det opfylde to ting.
1) Overfladespændingen af overflademolekylerne (f.eks. tape) skal være under den, som de skal klistre sig på (f.eks. en finger).
2) Overflademolekylerne skal have en vis grad af bevægelsesfrihed (f.eks. ved temperaturer over Tg).
Når disse to krav er opfyldt, så vil det arbejde, jeg skal udføre for at flytte mine fingre, som har været i kontakt med den klistrede overflade, være proportional med overspændingsforskellen gange kontaktarealet.
Husk: Der er ingen materialeoverførelse fra overfladen til min finger – dette vil ændre problemet fra adhæsion til kohæsion – men det må vi tage en anden gang.
