All’interno di una massa solida, le molecole sono circondate da molecole identiche con misurazioni di energia simili. Sulla superficie del solido, tuttavia, è probabile che le molecole siano in contatto con l’aria e talvolta con liquidi o altre masse di diverse misurazioni di energia. Di conseguenza, le misurazioni dell’energia superficiale sono sempre diverse da quelle trovate all’interno della massa di un solido.
Tutte e tre le fasi – solido, liquido e aria – hanno energie superficiali e tensioni superficiali misurabili. Le molecole hanno sia quelle che vengono chiamate “pulsioni adesive” che “mozioni coesive” che governano i modi in cui interagiscono con le molecole che le circondano. Le pulsioni adesive cercano di legarsi ad altri tipi di molecole, mentre le pulsioni coesive cercano di legarsi a molecole simili. Se le unità coesive sono più prominenti, le molecole liquide si appiccicheranno su una superficie solo quando resistono ad altre molecole; è vero il contrario se le unità adesive sono più evidenti.
Le misurazioni dell’energia superficiale, della tensione superficiale e della tensione della densità superficiale analizzano il comportamento di bagnatura tra liquidi e solidi quando gli scienziati stanno testando le proprietà termodinamiche dei solidi. Quando le molecole liquide su una superficie solida si accumulano in coesione, gli scienziati possono misurare l’angolo di contatto di tali molecole sulla superficie solida. Questa misurazione dell’angolo di contatto viene eseguita con uno strumento chiamato goniometro, che determina fino a che punto la coesione o l’adesione sono in ascesa. Altre due forze possono influenzare l’energia superficiale in questo caso. Se la superficie è ruvida o nota come idrofoba, questo fa sì che i liquidi si perlineino ad angoli più alti; al contrario, quando una superficie è idrofila, una goccia di liquido può estendersi fino a coprire tutta la superficie che le molecole del liquido possono raggiungere.
Le misurazioni dell’energia superficiale vengono solitamente effettuate a temperature estremamente elevate, quando i solidi reagiscono con lievi movimenti sotto lo stress del calore ma il volume è quasi costante. Le misurazioni dell’energia superficiale del liquido vengono effettuate utilizzando quello che viene chiamato “allungamento della membrana liquida” dell’area superficiale. Un metodo, chiamato metodo di Wilhelmy dinamico, prevede l’immersione di un solido in un liquido che è stato precedentemente misurato per la tensione superficiale e quindi la misurazione delle forze di bagnatura quando il solido viene rilasciato dal liquido. Un altro metodo, chiamato Powder Contact Angle Method, viene utilizzato quando gli scienziati hanno bisogno di conoscere i livelli di assorbimento e le energie superficiali di materiali porosi e polveri.
Le applicazioni pratiche di queste misurazioni dell’energia superficiale e delle procedure di prova avvantaggiano lo sviluppo di prodotti industriali e di consumo. I metalli rivestiti con polimeri si basano sulla conoscenza degli scienziati in materia di adesione e coesione per la loro resistenza e durata. Le misurazioni dell’energia superficiale dei materiali vengono eseguite per applicazioni di ossidazione e legame chimico. In litografia, gli inchiostri devono essere applicati in modo tale che le aree dell’immagine assorbano gli inchiostri e le aree non dell’immagine rimangano prive di inchiostro; la ricerca sull’energia di superficie ha affinato questi processi.