6 Вопрос

Расклинивающее давление

Расклинивающее давление (Пd, Па), термодинамический параметр, характеризующий состояние тонкого слоя (плёнки) жидкости или газа в промежутке между поверхностями тел, который определяется уравнением

где

Пd — расклинивающее давление, N/m²

A — площадь поверхности взаимодействующих поверхностей, m²

G — энергия Гиббса взаимодействия двух поверхностей, J

x — расстояние, m

Индексы Т, V и А означают, что температура, объём и площадь поверхности остаются постоянными в производной.

Физический смысл

Физический смысл расклинивающего давления заключается в следующем.

Расклинивающее давление — это избыточное давление в тонкой пленке-прослойке (газовой или жидкой), разделяющей две фазы, по сравнению с давлением в объемной фазе, из которой образовалась прослойка. Расклинивающее давление возникает в состоянии термодинамического равновесия системы при условиях, когда в прослойке при ее медленном (квазиравновесном) утоньшении перекрываются межфазные слои, в которых действуют поверхностные силы.

Положительное расклинивающее давление препятствует утоньшению пленки под действием внешних сил, отрицательное расклинивающее давление приводит к самопроизвольному утоньшению пленки до толщины, при которой расклинивающее давление становится положительным, вплоть до разрыва пленки. Для системы из двух фаз при постоянстве температуры Т, объемного давления р и химических потенциалов компонентов mi изменение толщины прослойки связано со свободной энергией Гиббса G:

П(h)=-(9G/9h)T.p.mi.

История

Расклинивающее давление открыл Б. В. Дерягин (1935). Он ввёл и само понятие расклинивающего давления как термодинамического параметра тонких жидких плёнок. Возникновение расклинивающего давления связано с поверхностными силами разной природы (электрическими, магнитными, молекулярными), которые действуют в тонком поверхностном слое между двумя граничащими фазами. В коллоидной химии особенно важны электрические (электростатическое отталкивание) и молекулярные силы.

Тонкие пленки

Тонкие плёнки (англ. thin films) — тонкие слои материала, толщина которых находится в диапазоне от долей нанометра (моноатомного слоя) до нескольких микрон.

Оказалось, что объекты, имеющие столь малые размеры, кардинально меняют свои свойства. Например, у столь малых объектов меняется температура плавления, степень переохлаждения и межплоскостное расстояние по сравнению с массивными объектами.

Феномологическая термодинамика объясняет столь необычные свойства увеличением роли поверхности с уменьшением объекта, ведь при уменьшении размера тела его объём уменьшается пропорционально , а площадь поверхности — . Соответственно отношение S/V ведёт себя как 1/r.

Благодаря этому силы поверхностного натяжения, которые в массивных образцах не играют существенной роли, в нанообъектах становятся существенными. А поскольку силы поверхностного натяжения действуют в приповерхностном слое, их действие можно уподобить приложению внешнего давления, которое, как известно, может изменить как температуру плавления, так и межплоскостные расстояния.

С тонкими плёнками связаны такие явления, как технологии получения высокого вакуума, процессы и различные механизмы формирования пленок, многокомпонентные системы, технологические аспекты напыления, методы исследований, получения подложек и др. Исследование данных объектов имеет решающее значение для совершенствования микроэлектронных устройств и для науки в целом.