सतही ऊर्जा

सतह विज्ञान में, सतह मुक्त ऊर्जा (अंतरापृष्ठीय ऊर्जा या सतह ऊर्जा) अंतर-आणविक बंधनों के विघटन की मात्रा निर्धारित करती है जो सतह बनने पर होता है। ठोस-अवस्था भौतिकी में, सतहों को सामग्री के थोक की तुलना में आंतरिक रूप से कम ऊर्जावान रूप से अनुकूल होना चाहिए (सतह पर परमाणुओं में थोक में परमाणुओं की तुलना में अधिक ऊर्जा होती है), अन्यथा सतहों के निर्माण के लिए एक प्रेरक शक्ति होगी, सामग्री के बड़े हिस्से को हटाना (ऊर्ध्वपातन देखें)। इसलिए सतह ऊर्जा को किसी सामग्री की सतह पर थोक की तुलना में अतिरिक्त ऊर्जा के रूप में परिभाषित किया जा सकता है, या यह किसी विशेष सतह के क्षेत्र के निर्माण के लिए आवश्यक कार्य है। सतह की ऊर्जा को देखने का दूसरा तरीका यह है कि इसे दो सतहों का निर्माण करते हुए एक बड़े नमूने को काटने के लिए आवश्यक कार्य से जोड़ा जाए। दो निर्मित सतहों के बीच अब अपूर्ण, अवास्तविक बंधन के परिणामस्वरूप "अतिरिक्त ऊर्जा" है।

किसी ठोस पिंड को टुकड़ों में काटने से उसके बंधन टूट जाते हैं और सतह का क्षेत्रफल बढ़ जाता है, और इसलिए सतह की ऊर्जा बढ़ जाती है। यदि कटाई विपरीत तरीके से की जाती है, तो ऊर्जा के संरक्षण का अर्थ है कि काटने की प्रक्रिया में खपत होने वाली ऊर्जा बनाई गई दो नई सतहों में निहित ऊर्जा के बराबर होगी। इसलिए किसी सामग्री की इकाई सतह ऊर्जा उसकी सामंजस्य की ऊर्जा का आधा होगी, अन्य सभी चीजें समान होंगी; व्यवहार में, यह केवल निर्वात में ताज़ा तैयार की गई सतह के लिए ही सत्य है। सतहें अक्सर ऊपर बताए गए सरल "क्लीवेड बॉन्ड" मॉडल से दूर अपना रूप बदलती हैं। वे अत्यधिक गतिशील क्षेत्र पाए जाते हैं, जो आसानी से पुनर्व्यवस्थित या रासायनिक प्रतिक्रिया करते हैं, जिससे ऊर्जा अक्सर निष्क्रियता (रसायन विज्ञान) या सोखना जैसी प्रक्रियाओं से कम हो जाती है।

संपर्क कोण
सतह ऊर्जा को मापने का सबसे आम तरीका संपर्क कोण प्रयोगों के माध्यम से है। इस विधि में, सतह के संपर्क कोण को कई तरल पदार्थों, सामान्यतः पानी और डियोडोमेथेन के साथ मापा जाता है। संपर्क कोण परिणामों के आधार पर और तरल पदार्थों की सतह के तनाव को जानने के बाद, सतह ऊर्जा की गणना की जा सकती है। व्यवहार में, यह विश्लेषण एक संपर्क कोण मीटर द्वारा स्वचालित रूप से किया जाता है।

संपर्क कोण रीडिंग के आधार पर सतह ऊर्जा की गणना के लिए कई अलग-अलग मॉडल हैं। सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली विधि OWRK है जिसमें दो जांच तरल पदार्थों के उपयोग की आवश्यकता होती है और परिणामस्वरूप कुल सतह ऊर्जा निकलती है और साथ ही इसे ध्रुवीय और फैलाने वाले घटकों में विभाजित किया जाता है।

संपर्क कोण विधि अपनी सादगी, सतहों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए प्रयोज्यता और त्वरितता के कारण मानक सतह ऊर्जा माप विधि है। माप पूरी तरह से स्वचालित किया जा सकता है और मानकीकृत है।

सामान्य तौर पर, जैसे-जैसे सतह की ऊर्जा बढ़ती है, संपर्क कोण कम हो जाता है क्योंकि अधिक तरल पदार्थ सतह द्वारा "पकड़" लिया जाता है। इसके विपरीत, जैसे-जैसे सतह की ऊर्जा घटती है, संपर्क कोण बढ़ता है, क्योंकि सतह तरल के साथ संपर्क नहीं करना चाहती है।

अन्य विधियाँ
किसी तरल पदार्थ की सतह ऊर्जा को तरल झिल्ली को खींचकर मापा जा सकता है (जिससे सतह क्षेत्र और इसलिए सतह ऊर्जा बढ़ जाती है)। उस स्थिति में, तरल के द्रव्यमान के सतह क्षेत्र को $δA$ की मात्रा तक बढ़ाने के लिए, काम की मात्रा $γ δA$ की आवश्यकता होती है (जहां $γ$ तरल की सतह ऊर्जा घनत्व है)। हालाँकि, इस तरह की विधि का उपयोग किसी ठोस की सतह ऊर्जा को मापने के लिए नहीं किया जा सकता है क्योंकि ठोस झिल्ली के खिंचाव से सतह ऊर्जा में वृद्धि के अलावा थोक में लोचदार ऊर्जा उत्पन्न होती है।

किसी ठोस की सतह ऊर्जा सामान्यतः उच्च तापमान पर मापी जाती है। ऐसे तापमान पर ठोस रेंगता है और भले ही सतह क्षेत्र बदलता है, आयतन लगभग स्थिर रहता है। यदि उच्च तापमान और स्थिर एकअक्षीय तनाव P पर त्रिज्या r और लंबाई l की एक बेलनाकार छड़ की सतह ऊर्जा घनत्व $γ$ है, तो संतुलन पर, कुलहेल्महोल्ट्ज़ मुक्त ऊर्जा की विविधताओं की गणना गायब हो जाती है और हमारे पास है

\delta F = -P~\delta l + \gamma~\delta A = 0 \quad \implies \quad \gamma = P\frac{\delta l}{\delta A} $$ कहाँ $F$ हेल्महोल्त्ज़ मुक्त ऊर्जा है और $A$ छड़ का सतह क्षेत्र है:

A = 2\pi r^2 + 2\pi r l \quad \implies \quad \delta A = 4\pi r\delta r + 2\pi l\delta r + 2\pi r\delta l $$ इसके अलावा, चूंकि वॉल्यूम ($V$) छड़ का परिवर्तन स्थिर रहता है ($δV$) का आयतन शून्य है, अर्थात
 * $$V = \pi r^2 l \text{ is constant} \quad \implies \quad \delta V = 2\pi r l \delta r + \pi r^2 \delta l = 0 \quad\implies\quad \delta r = -\frac{r}{2l}\delta l ~.$$

इसलिए, सतह ऊर्जा घनत्व को इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है

\gamma = \frac{Pl}{\pi r(l-2r)} ~. $$ ठोस की सतह ऊर्जा घनत्व को मापकर गणना की जा सकती है $P$, $r$, और $l$ संतुलन पर.

यह विधि केवल तभी मान्य है जब ठोस आइसोट्रॉपी है, जिसका अर्थ है कि सतह की ऊर्जा सभी क्रिस्टलोग्राफी अभिविन्यासों के लिए समान है। हालाँकि यह केवल अनाकार ठोस (कांच) और तरल पदार्थों के लिए ही सच है, आइसोट्रॉपी कई अन्य सामग्रियों के लिए एक अच्छा अनुमान है। विशेष रूप से, यदि नमूना बहु-दानेदार (अधिकांश धातु) या पाउडर सिंटरिंग (अधिकांश सिरेमिक) द्वारा बनाया गया है तो यह एक अच्छा अनुमान है।

एकल-क्रिस्टल सामग्री, जैसे कि प्राकृतिक रत्न, के मामले में, सतह ऊर्जा में अनिसोट्रॉपी से फेसिंग होती है। क्रिस्टल का आकार (संतुलन वृद्धि की स्थिति मानते हुए) वुल्फ निर्माण द्वारा सतह ऊर्जा से संबंधित है। इस प्रकार पहलुओं की सतह ऊर्जा को पहलुओं के सापेक्ष आकार को मापकर स्केलिंग स्थिरांक के भीतर पाया जा सकता है।

विकृत ठोस
ठोस पदार्थों के विरूपण में, सतह ऊर्जा को "सतह क्षेत्र की एक इकाई बनाने के लिए आवश्यक ऊर्जा" के रूप में माना जा सकता है, और यह विरूपण से पहले और बाद में प्रणाली की कुल ऊर्जा के बीच अंतर का एक कार्य है:
 * $$\gamma = \frac{1}{A} \left(E_1 - E_0\right)$$.

पहले सिद्धांतों से सतह ऊर्जा की गणना (उदाहरण के लिए, घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत) माप के लिए एक वैकल्पिक दृष्टिकोण है। सतह ऊर्जा का अनुमान निम्नलिखित चर डी-बैंड की चौड़ाई, वैलेंस डी-इलेक्ट्रॉनों की संख्या, और सतह पर और ठोस के थोक में परमाणुओं की समन्वय संख्या से लगाया जाता है।।

क्रिस्टलीय ठोस की सतह निर्माण ऊर्जा
घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत में, सतह ऊर्जा की गणना निम्नलिखित अभिव्यक्ति से की जा सकती है:


 * $$\gamma = \frac{E_\text{slab} - N E_\text{bulk}}{2A}$$

कहाँ
 * $E_{slab}$ घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत का उपयोग करके प्राप्त सतह स्लैब की कुल ऊर्जा है।
 * $N$ सतह स्लैब में परमाणुओं की संख्या है।
 * $E_{bulk}$ प्रति परमाणु थोक ऊर्जा है।
 * $A$ सतह क्षेत्र है.

एक स्लैब के लिए, हमारे पास दो सतहें हैं और वे एक ही प्रकार की हैं, जो हर में संख्या 2 द्वारा परिलक्षित होती हैं। इसकी गारंटी के लिए, हमें यह सुनिश्चित करने के लिए सावधानीपूर्वक स्लैब बनाने की आवश्यकता है कि ऊपरी और निचली सतहें एक ही प्रकार की हों।

चिपकने वाले संपर्कों की ताकत आसंजन के कार्य से निर्धारित होती है जिसे दो संपर्क निकायों की सापेक्ष सतह ऊर्जा भी कहा जाता है। सापेक्ष सतह ऊर्जा को एक सामग्री से बने अच्छी तरह से परिभाषित आकार के निकायों को अलग करके निर्धारित किया जा सकता है दूसरी सामग्री से बना सब्सट्रेट। उदाहरण के लिए, इंटरफ़ेस "ऐक्रेलिक ग्लास - जेलाटीन" की सापेक्ष सतह ऊर्जा 0.03 N/m के बराबर है। सापेक्ष सतह ऊर्जा और उसके कार्य को मापने के लिए प्रायोगिक सेटअप वीडियो में देखा जा सकता है।

ऊर्ध्वपातन की ऊष्मा से अनुमान
किसी शुद्ध, एकसमान सामग्री की सतह ऊर्जा का अनुमान लगाने के लिए, सामग्री के एक व्यक्तिगत क्षेत्र को एक घन के रूप में मॉडल किया जा सकता है। किसी घन को किसी पदार्थ के बड़े भाग से सतह तक ले जाने के लिए ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इस ऊर्जा लागत को सामग्री की सतह ऊर्जा में सम्मिलित किया जाता है, जिसे निम्न द्वारा निर्धारित किया जाता है:
 * $$\gamma = \frac{\left(z_\sigma - z_\beta\right) \frac{1}{2}W_\text{AA}}{a_0}$$

जहां $z_{σ}$ और $z_{β}$ सामग्री की सतह और थोक क्षेत्रों के अनुरूप समन्वय संख्याएं हैं, और क्रमशः 5 और 6 के बराबर हैं, $a_{0}$ एक व्यक्तिगत अणु का सतह क्षेत्र है और $W_{AA}$ जोड़ीदार अंतर-आणविक ऊर्जा है।

सतह का क्षेत्रफल अणु के आयतन के घनमूल का वर्ग करके निर्धारित किया जा सकता है:
 * $$a_0 = V_\text{molecule}^\frac{2}{3} = \left(\frac{\bar{M}}{\rho N_\text{A}}\right)^\frac{2}{3}$$

यहाँ, $M̄$ अणु के दाढ़ द्रव्यमान से मेल खाता है, $ρ$ घनत्व से मेल खाता है, और $N_{A}$ अवोगाद्रो स्थिरांक है।

जोड़ीवार अंतर-आण्विक ऊर्जा निर्धारित करने के लिए, सामग्री में सभी अंतर-आण्विक बलों को तोड़ना होगा। यह एकल अणुओं के लिए होने वाली अंतःक्रियाओं की गहन जांच की अनुमति देता है। किसी पदार्थ के उर्ध्वपातन के दौरान, अणुओं के बीच अंतर-आणविक बल टूट जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप पदार्थ ठोस से गैस में बदल जाता है। इस कारण से, ऊर्ध्वपातन की एन्थैल्पी पर विचार करना जोड़ीवार अंतर-आण्विक ऊर्जा निर्धारित करने में उपयोगी हो सकता है। उर्ध्वपातन की एन्थैल्पी की गणना निम्नलिखित समीकरण द्वारा की जा सकती है:


 * $$\Delta_\text{sub} H = -\frac{1}{2}W_\text{AA} N_\text{A} z_b$$

ऊर्ध्वपातन की एन्थैल्पी के लिए अनुभवजन्य रूप से सारणीबद्ध मूल्यों का उपयोग करके, जोड़ीवार अंतर-आणविक ऊर्जा निर्धारित करना संभव है। इस मान को सतह ऊर्जा समीकरण में सम्मिलित करने से सतह ऊर्जा का अनुमान लगाया जा सकता है।

सतही ऊर्जा के उचित अनुमान के रूप में निम्नलिखित समीकरण का उपयोग किया जा सकता है:


 * $$\gamma \approx \frac{-\Delta_\text{sub} H\left(z_\sigma - z_\beta\right)}{a_0 N_\text{A} z_\beta}$$

अंतरापृष्ठीय ऊर्जा
इंटरफ़ेस (रसायन विज्ञान) की उपस्थिति सामान्यतः प्रणाली के सभी थर्मोडायनामिक मापदंडों को प्रभावित करती है। ऐसे दो मॉडल हैं जिनका उपयोग सामान्यतः इंटरफ़ेशियल घटना को प्रदर्शित करने के लिए किया जाता है: गिब्स आदर्श इंटरफ़ेस मॉडल और गुगेनहाइम मॉडल। गिब्स मॉडल का उपयोग करके एक अंतरापृष्ठीय प्रणाली के थर्मोडायनामिक्स को प्रदर्शित करने के लिए, प्रणाली को तीन भागों में विभाजित किया जा सकता है, दो अमिश्रणीय तरल पदार्थ जिनकी मात्रा $V_{α}$ और $V_{β}$ है और एक असीम रूप से पतली सीमा परत जिसे गिब्स डिवाइडिंग प्लेन ($σ$) के रूप में जाना जाता है, इन दो वॉल्यूम को अलग करती है।

प्रणाली की कुल मात्रा है:
 * $$V = V_{\alpha} + V_{\beta}$$

प्रणाली की सभी व्यापक मात्राएँ तीन घटकों के योग के रूप में लिखी जा सकती हैं: बल्क चरण $α$, बल्क चरण $β$ और इंटरफ़ेस $α$ कुछ उदाहरणों में आंतरिक ऊर्जा $U$, ith पदार्थ $n_{i}$ के अणुओं की संख्या और एन्ट्रापी $S$ सम्मिलित हैं।
 * $$\begin{align}

U &= U_\alpha + U_\beta + U_\sigma \\ N_i &= N_{i\alpha} + N_{i\beta} + N_{i\sigma} \\ S &= S_\alpha + S_\beta + S_\sigma \end{align}$$ हालाँकि ये मात्राएँ प्रत्येक घटक के बीच भिन्न हो सकती हैं, प्रणाली के भीतर योग स्थिर रहता है। इंटरफ़ेस पर, ये मान थोक चरणों में मौजूद मानों से भिन्न हो सकते हैं। इंटरफ़ेस पर मौजूद अणुओं की सांद्रता (रसायन विज्ञान) को इस प्रकार परिभाषित किया जा सकता है:
 * $$N_{i\sigma} = N_i - c_{i\alpha}V_\alpha - c_{i\beta}V_\beta$$

कहाँ $c_{iα}$ और $c_{iβ}$ पदार्थ की सांद्रता को दर्शाता है $i$ थोक चरण में $α$ और $β$, क्रमश।

एक नये शब्द अंतरापृष्ठीय एक्सट्रा को परिभाषित करना लाभप्रद है $Γ_{i}$ जो हमें प्रति इकाई क्षेत्र में अणुओं की संख्या का वर्णन करने की अनुमति देता है:
 * $$\Gamma_i = \frac{N_{i\alpha}}{A}$$

फैलाव पैरामीटर
गीलापन की घटना में सतही ऊर्जा काम आती है। इसकी जांच करने के लिए, एक ठोस सब्सट्रेट पर तरल की एक बूंद पर विचार करें। यदि सब्सट्रेट की सतह ऊर्जा बूंद के जुड़ने पर बदलती है, तो सब्सट्रेट को गीला होना कहा जाता है। इसे गणितीय रूप से निर्धारित करने के लिए प्रसार पैरामीटर का उपयोग किया जा सकता है:
 * $$S = \gamma_\text{s} - \gamma_\text{l} - \gamma_{\text{s-l}}$$

जहां $S$ प्रसार पैरामीटर है, $γ_{s}$ सब्सट्रेट की सतह ऊर्जा है, $γ_{l}$ तरल की सतह ऊर्जा है और $γ_{s-l}$ सब्सट्रेट और तरल के बीच अंतरापृष्ठीय ऊर्जा है।

यदि $S < 0$ तो तरल सब्सट्रेट को आंशिक रूप से गीला कर देता है। यदि $S > 0$ तो तरल सब्सट्रेट को पूरी तरह से गीला कर देता है।

संपर्क कोण
गीलेपन को प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित करने का एक तरीका संपर्क कोण को देखना है ($θ$), जो ठोस-तरल इंटरफ़ेस और तरल-गैस इंटरफ़ेस को जोड़ने वाला कोण है (जैसा कि चित्र में है)।
 * अगर $θ = 0°$, तरल सब्सट्रेट को पूरी तरह से गीला कर देता है।
 * अगर $0° < θ < 90°$, अधिक गीलापन होता है।
 * अगर $90° < θ < 180°$, कम गीलापन होता है।
 * अगर $θ = 180°$, तरल सब्सट्रेट को बिल्कुल भी गीला नहीं करता है।

गीलापन संपर्क कोण को इंटरफ़ेसीय ऊर्जा से संबंधित करता है:
 * $$\gamma_\text{s-g} = \gamma_\text{s-l} + \gamma_\text{l-g}\cos\theta$$

कहाँ $γ_{s-g}$ ठोस और गैस चरणों के बीच अंतरापृष्ठीय ऊर्जा है, $γ_{s-l}$ सब्सट्रेट और तरल के बीच अंतरापृष्ठीय ऊर्जा, $γ_{l-g}$ तरल और गैस चरणों के बीच अंतरापृष्ठीय ऊर्जा है, और $θ$ ठोस-तरल और तरल-गैस इंटरफ़ेस के बीच संपर्क कोण है।

उच्च और निम्न-ऊर्जा सबस्ट्रेट्स का गीला होना
एक ठोस सब्सट्रेट के थोक घटक की ऊर्जा उन इंटरैक्शन के प्रकारों से निर्धारित होती है जो सब्सट्रेट को एक साथ रखते हैं। उच्च-ऊर्जा सब्सट्रेट्स को रासायनिक बंधनों द्वारा एक साथ रखा जाता है, जबकि कम-ऊर्जा सब्सट्रेट्स को बलों द्वारा एक साथ रखा जाता है। सहसंयोजक बंधन, आयनिक बंधन और धात्विक बंधन वैन डेर वाल्स और हाइड्रोजन बॉन्डिंग जैसी ताकतों की तुलना में बहुत मजबूत हैं। उच्च-ऊर्जा वाले सब्सट्रेट कम-ऊर्जा वाले सब्सट्रेट की तुलना में अधिक आसानी से गीले हो जाते हैं। इसके अलावा, यदि सब्सट्रेट में तरल की तुलना में बहुत अधिक सतह ऊर्जा है तो अधिक पूर्ण गीलापन होगा।

संशोधन तकनीक
सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले सतह संशोधन प्रोटोकॉल प्लाज्मा सक्रियण, ग्राफ्टिंग सहित गीला रासायनिक उपचार और पतली-फिल्म कोटिंग हैं।  सतह ऊर्जा नकल एक ऐसी तकनीक है जो डिवाइस निर्माण और पैटर्निंग सहित सतह संशोधनों को एक ही डिवाइस सामग्री का उपयोग करके एकल प्रसंस्करण चरण में विलय करने में सक्षम बनाती है।

गीलापन बढ़ाने के लिए कई तकनीकों का उपयोग किया जा सकता है। सतह उपचार, जैसे कोरोना उपचार, प्लाज्मा उपचार और रासायनिक मिलिंग, का उपयोग सब्सट्रेट की सतह ऊर्जा को बढ़ाने के लिए किया जा सकता है। तरल की सतह के तनाव को कम करने के लिए उसमें योजक भी मिलाये जा सकते हैं। इस तकनीक को अक्सर पेंट फॉर्मूलेशन में नियोजित किया जाता है ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि वे सतह पर समान रूप से फैले होंगे।

केल्विन समीकरण
तरल पदार्थों में निहित सतह तनाव के परिणामस्वरूप, क्षेत्र को कम करने के लिए घुमावदार सतहों का निर्माण होता है। यह घटना सतह बनाने की ऊर्जावान लागत से उत्पन्न होती है। इस प्रकार सतह के घुमावदार होने पर प्रणाली की गिब्स मुक्त ऊर्जा न्यूनतम हो जाती है। केल्विन समीकरण थर्मोडायनामिक सिद्धांतों पर आधारित है और इसका उपयोग घुमावदार सतहों वाले तरल पदार्थों के कारण वाष्प दबाव में परिवर्तन का वर्णन करने के लिए किया जाता है। वाष्प दबाव में इस परिवर्तन का कारण लाप्लास दबाव है। एक बूंद का वाष्प दबाव एक समतल सतह की तुलना में अधिक होता है क्योंकि बढ़े हुए लाप्लास दबाव के कारण अणु अधिक आसानी से वाष्पित हो जाते हैं। इसके विपरीत, बुलबुले के आसपास के तरल पदार्थों में, बुलबुले के आंतरिक भाग के संबंध में दबाव कम हो जाता है, जिससे अणुओं के लिए वाष्पीकरण करना अधिक कठिन हो जाता है। केल्विन समीकरण को इस प्रकार कहा जा सकता है:


 * $$RT \ln\frac{P_0^K}{P_0} = \gamma V_m \left(\frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}\right)$$

कहाँ $PK 0$ घुमावदार सतह का वाष्प दबाव है, $P_{0}$ समतल सतह का वाष्प दबाव है, $γ$ सतह तनाव है, $V_{m}$ द्रव का दाढ़ आयतन है, $R$ सार्वभौमिक गैस स्थिरांक है, $T$ तापमान (केल्विन में) है, और $R_{1}$ और $R_{2}$ सतह की वक्रता की प्रमुख त्रिज्या हैं।

कोटिंग्स के लिए सतह संशोधित रंगद्रव्य
रंगद्रव्य किसी कोटिंग के अनुप्रयोग गुणों को संशोधित करने में काफी संभावनाएं प्रदान करते हैं। उनके सूक्ष्म कण आकार और स्वाभाविक रूप से उच्च सतह ऊर्जा के कारण, तरल माध्यम में उनके फैलाव की आसानी को बढ़ाने के लिए उन्हें अक्सर सतह उपचार की आवश्यकता होती है। विभिन्न प्रकार के सतह उपचारों का उपयोग पहले किया जा चुका है, जिसमें ध्रुवीय समूहों की उपस्थिति में अणु की सतह पर सोखना, पॉलिमर की मोनोलेयर्स और कार्बनिक पिगमेंट की सतह पर अकार्बनिक ऑक्साइड की परतें सम्मिलित हैं।

जैसे-जैसे बड़े वर्णक कण छोटे उप-कणों में टूटते जाते हैं, नई सतहें लगातार बनती रहती हैं। परिणामस्वरूप ये नवगठित सतहें बड़ी सतह ऊर्जा में योगदान करती हैं, जिससे परिणामी कण अक्सर समुच्चय में एक साथ सीमेंट हो जाते हैं। चूँकि तरल मीडिया में बिखरे हुए कण निरंतर तापीय या ब्राउनियन गति में होते हैं, वे माध्यम से गुजरते और टकराते समय आस-पास के अन्य वर्णक कणों के लिए एक मजबूत आकर्षण प्रदर्शित करते हैं। इस प्राकृतिक आकर्षण का श्रेय काफी हद तक शक्तिशाली कम दूरी की वैन डेर वाल्स बलों को दिया जाता है, जो उनकी सतह ऊर्जा का प्रभाव है।

वर्णक फैलाव का मुख्य उद्देश्य समुच्चय को तोड़ना और इष्टतम आकार के वर्णक कणों के स्थिर फैलाव का निर्माण करना है। इस प्रक्रिया में सामान्यतः तीन अलग-अलग चरण सम्मिलित होते हैं: गीला करना, अलग करना और स्थिरीकरण। ऐसी सतह जिसे गीला करना आसान हो, एक कोटिंग तैयार करते समय वांछनीय होती है जिसके लिए अच्छे आसंजन और उपस्थिति की आवश्यकता होती है। यह सतह के तनाव से संबंधित दोषों, जैसे रेंगना, क्रेटरिंग और संतरे के छिलके के जोखिम को भी कम करता है। यह वर्णक फैलाव के लिए एक अनिवार्य आवश्यकता है; गीला करने के प्रभावी होने के लिए, वर्णक वाहन का सतह तनाव वर्णक की सतह मुक्त ऊर्जा से कम होना चाहिए। यह वाहन को वर्णक समुच्चय के अंतराल में प्रवेश करने की अनुमति देता है, इस प्रकार पूर्ण गीलापन सुनिश्चित करता है। अंत में, कणों को एक दूसरे से अलग रखने के लिए प्रतिकारक बल के अधीन किया जाता है और फ़्लोक्यूलेशन की संभावना कम हो जाती है।

फैलाव दो अलग-अलग घटनाओं के माध्यम से स्थिर हो सकता है: चार्ज प्रतिकर्षण और स्टेरिक या एंट्रोपिक प्रतिकर्षण। आवेश प्रतिकर्षण में, ऐसे कण जिनमें इलेक्ट्रोस्टैटिक आवेश समान होते हैं, एक दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं। वैकल्पिक रूप से, स्टेरिक या एंट्रोपिक प्रतिकर्षण एक ऐसी घटना है जिसका उपयोग विकर्षक प्रभाव का वर्णन करने के लिए किया जाता है जब सामग्री की सोखने वाली परतें (जैसे विलायक के साथ सूजन वाले बहुलक अणु) फैलाव में वर्णक कणों की सतह पर मौजूद होती हैं। पॉलिमर अणुओं के केवल कुछ हिस्से (एंकर) ही सोख लिए जाते हैं, उनके संगत लूप और पूंछ घोल में फैल जाते हैं। जैसे-जैसे कण एक-दूसरे के पास आते हैं, उनकी अधिशोषित परतें भीड़ जाती हैं; यह एक प्रभावी स्टेरिक अवरोध प्रदान करता है जो फ़्लोक्यूलेशन को रोकता है। यह भीड़ प्रभाव एन्ट्रापी में कमी के साथ होता है, जिससे अधिशोषित परत में बहुलक अणुओं के लिए संभव अनुरूपताओं की संख्या कम हो जाती है। परिणामस्वरूप, ऊर्जा बढ़ जाती है और अक्सर प्रतिकारक ताकतों को जन्म देती है जो कणों को एक दूसरे से अलग रखने में सहायता करती हैं।

यह भी देखें

 * संपर्क कोण
 * सतह तनाव
 * सेसाइल ड्रॉप तकनीक
 * केशिका सतह
 * वुल्फ निर्माण

बाहरी संबंध

 * What is surface free energy?
 * Surface Energy and Adhesion