کشش سطحی: نیروی نامرئی که جهان مایع‌ها را می‌چرخاند
کشش سطحی چیست و چگونه ایجاد می‌شود؟
برای درک کشش سطحی، باید به دنیای مولکول‌ها سفر کنیم. در درون یک مایع، هر مولکول از همه طرف توسط مولکول‌های دیگر احاطه شده و نیروهای جاذبه از همه جهات به آن وارد می‌شوند. این نیروها یکدیگر را خنثی می‌کنند. اما مولکول‌های واقع در سطح مایع، فقط از طرفین و از پایین توسط مولکول‌های دیگر کشیده می‌شوند و هیچ مولکولی در بالا برای ایجاد تعادل وجود ندارد. این عدم تعادل نیرو باعث می‌شود مولکول‌های سطح به سمت داخل کشیده شوند و یک «پوستۀ» محکم و کشسان روی مایع تشکیل دهند. این همان کشش سطحی است.
کشش سطحی ($\gamma$) به صورت نیروی وارد بر واحد طول تعریف می‌شود. واحد آن در سیستم SI، نیوتن بر متر (N/m) است. $\gamma = \frac{F}{L}$
مثالی ساده: حتماً دیدید که برخی حشرات می‌توانند روی سطح آب راه بروند یا یک سوزن اگر به آرامی روی آب گذاشته شود، شناور می‌ماند. این‌ها به لطف کشش سطحی آب ممکن شده‌اند. کشش سطحی آب باعث می‌شود سطح آن مانند یک پردهٔ نامرئی عمل کند که وزن حشره یا سوزن را تحمل می‌کند.
سورفکتانت: قهرمانی ناشناخته در ریه‌های ما
حالا که با کشش سطحی آشنا شدیم، به سراغ مشکل آن در بدن می‌رویم. ریه‌های انسان از میلیون‌ها کیسه‌هوای کوچک به نام آلوئول۳ ساخته شده‌اند. دیوارهٔ داخلی این آلوئول‌ها پوشیده از یک لایه نازک آب است. کشش سطحی این لایهٔ آبی تمایل دارد دیواره‌های آلوئول را به سمت داخل بکشد و آن‌ها را روی هم بخواباند (مچاله کند). اگر این اتفاق بیفتد، باز کردن آلوئول‌ها برای تنفس بسیار سخت و انرژی‌بر می‌شد.
اینجاست که سورفکتانت به کمک می‌آید. سورفکتانت یک مادهٔ لیپوپروتئینی۴ است که توسط سلول‌های خاصی در آلوئول‌ها ساخته و ترشح می‌شود. مولکول‌های سورفکتانت یک سر آب‌دوست۵ و یک سر آب‌گریز۶ دارند. وقتی به سطح لایهٔ آب می‌رسند، با سر آب‌گریز خود از آب فاصله گرفته و به سمت هوا می‌روند و سر آب‌دوست خود را در آب فرو می‌برند. حضور این مولکول‌ها میان مولکول‌های آب، نیروی جاذبه بین آن‌ها را ضعیف می‌کند و در نتیجه کشش سطحی را به میزان چشمگیری کاهش می‌دهند.
| ویژگی | آلوئول بدون سورفکتانت | آلوئول با سورفکتانت |
|---|---|---|
| کشش سطحی | بسیار بالا | کاهش یافته |
| انرژی مورد نیاز برای بازدم | بسیار زیاد | کم |
| ثبات آلوئول (عدم مچاله شدن) | ضعیف | عالی |
| وضعیت کلی | نارسایی تنفسی | تنفس طبیعی |
یک آزمایش ساده برای درک کشش سطحی و سورفکتانت
می‌توانید عملکرد سورفکتانت را در خانه شبیه‌سازی کنید. به دو ظرف آب نیاز دارید. در یکی فقط آب بریزید. در ظرف دیگر، چند قطره مایع ظرفشویی (که خود یک نوع سورفکتانت است) به آب اضافه کنید. حالا یک خلال دندان بردارید و نوک آن را به کرهٔ ذوب شدهٔ یک شمع آغشته کنید (این کار نوک خلال دندان را آب‌گریز می‌کند، درست مانند مولکول سورفکتانت).
حالا خلال دندان تمیز را در ظرف آب خالی فرو ببرید. اتفاق خاصی نمی‌افتد. اما وقتی خلال دندان آغشته به کره را به سطح آب حاوی مایع ظرفشویی نزدیک کنید، می‌بینید که خلال دندان به سرعت به سمت پایین کشیده می‌شود! زیرا مایع ظرفشویی کشش سطحی را کاهش داده و خلال دندان آب‌گریز دیگر نمی‌تواند روی سطح بماند. این آزمایش ساده، نحوهٔ تعامل سورفکتانت با سطح و کاهش کشش سطحی را نشان می‌دهد.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: خیر. تمام مایع‌ها کشش سطحی دارند، اما میزان آن در مایع‌های مختلف متفاوت است. برای مثال، کشش سطحی جیوه بسیار بیشتر از آب است.
پاسخ: بدون سورفکتانت، کشش سطحی بالا در آلوئول‌ها باعث می‌شد تا بازدم و خروج هوا برایمان بسیار سخت و طاقت‌فرسا شود. نوزادان نارس اغلب به اندازه‌کافی سورفکتانت تولید نمی‌کنند و به همین دلیل به «سندرم زجر تنفسی»۷ مبتلا می‌شوند که یک بیماری بسیار خطرناک است.
پاسخ: خیر! سورفکتانت‌ها کاربردهای صنعتی و خانگی گسترده‌ای نیز دارند. مواد شوینده، نرم‌کننده‌های لباس، و حتی برخی از رنگ‌ها حاوی سورفکتانت هستند تا کشش سطحی آب را کاهش داده و پخش شدن و نفوذ را بهتر کنند.
پاورقی
۱ کشش سطحی (Surface Tension)
۲ سورفکتانت (Surfactant – مخفف Surface Active Agent)
۳ آلوئول (Alveoli)
۴ لیپوپروتئین (Lipoprotein – ترکیبی از چربی و پروتئین)
۵ آب‌دوست (Hydrophilic)
۶ آب‌گریز (Hydrophobic)
۷ سندرم زجر تنفسی (Respiratory Distress Syndrome - RDS)