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Biomaterials Lecture 12 Surfaces: Surface Tension and Young Laplace Equation Unless otherwise noted, source Information for the following slides: 1) B. Ratner, A. Hoffman, F. Schoen, and J. Lemons: Biomaterials Science, 2 nd edition (San Diego: Elsevier Academic Press. 2004). 2) Butt , HJ.; Graf, K.; Kappl Physics and  Chemistry  of  Interfaces, 2 nd Edition (WiletVCH: Weinheim 2006).

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Biomaterials Lecture 12Surfaces: Surface Tension and Young 

Laplace Equation

Unless otherwise noted, source Information for the following slides:

1) B. Ratner, A. Hoffman, F. Schoen, and J. Lemons: Biomaterials Science,2nd edition (San Diego: Elsevier Academic Press. 2004).

2) Butt, H‐J.; Graf, K.; Kappl Physics and  Chemistry  of  Interfaces, 2nd Edition (Wilet‐VCH: Weinheim 2006).

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“Today…I propose to tell you of  a real two‐

dimensional world in which phenomena 

occur that are analogous to those described in ‘Flatland’.  I plan to tell you about the 

behavior of  molecules and atoms that are 

held at the surface of  solids and liquids”.

 – I. Langmuir, Science 1936, 84, 379. 

In 1932 he received the Nobel Prize in Chemistry "for his discoveries 

and investigations in surface chemistry.“

1st industrial scientist to win the Nobel Prize 

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Surfaces of  Biomaterials

• Why are surfaces important in biomaterials 

applications?• The surface of  a material strongly dictates 

performance in vivoSurface Properties Influencing Cell Adhesion

Wettability• Roughness

• Electrical Charge

Crystallinity• Composition

• Mobility

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What constitutes a surface?

An interface is the boundary region between two adjacent bulk phases

We recognize (S/G), (S/L), and (L/V) as surfaces

L

L

V

G

S

S

L

L

L = Liquid

G = Gas

S = Solid

V = Vapor

S

S

We recognize (S/G), (S/L), and (L/V) as surfaces

http://www.bioen.utah.edu/faculty/pat/Courses/biomaterials/coursenotes.html

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What’s so special about a surface?

1. Inherently small number of  atoms

a) Bulk vs. Surface

1 cm3 material

≈ 1023 atoms 

Surface ≈ 1015 atoms 

Modified from:Anne Mayes 3.051J/20.340J Materials for Biomedical Application, MIT, http://ocw.mit.edu,

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What’s so special about a surface?

2. Enhanced mobility

a) Fewer bonds

b) Gradient in density

→ Facilitates rate limited processes (phase transformations, 

crystallization, corrosion,…)

“Ideal” 2‐D surfaces exist only 

as mathematic constructs

Modified from:Anne Mayes 3.051J/20.340J Materials for Biomedical Application, MIT, http://ocw.mit.edu,

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What’s so special about a surface?

3. Higher energy state

– Atoms/molecules with unsatisfied (“dangling”) or 

strained bonds

– → High reacvity and suscepbility to adsorbates

Modified from:Anne Mayes 3.051J/20.340J Materials for Biomedical Application, MIT, http://ocw.mit.edu,

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Physical Description of  Biomaterial Surfaces

Biomaterial surfaces exhibit remarkable heterogeneity in physical structure:

Material dependant: Metals vs. Polymers vs. Ceramics vs. Gels

Chemistry: Polar vs. Apolar, Charge, Reactivity, Patterned

Morphology: Smooth, Rough, Stepped, Patterned, Diffuse

Order: Crystalline, Amorphous, Semi‐Crystalline, Phases

Environment: Hydration, Solvent Quality

Bumpy  with Phases

Hydration

Glassy

http://www.bioen.utah.edu/faculty/pat/Courses/biomaterials/coursenotes.html

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Crystal Surface Defects

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Crystal Surface Dynamics

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Polymer Surface Dynamics

Given sufficient mobility, polymer surfaces will reorient or restructure in 

response to their local micro‐environment so as to minimize their interfacial free 

energy with the surrounding phase.

CH3

OH

CH3

OH

CH3 CH3

OH OH

OH OHOH OH

CH3 CH3CH3 CH3

Bulk Bulk

Polar Solvent Apolar Solvent / Air

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Biological Surfaces

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Surface Energetics

Molecules in the bulk of  a material (e.g. crystal lattice) have a low relative energy 

state due to nearest neighbor interactions (e.g. bonding).

Performing sufficient work on the system to create an interface can disrupt this 

harmony...

http://www.bioen.utah.edu/faculty/pat/Courses/biomaterials/coursenotes.html

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Molecules at a surface are in a state of  higher free energy than those in the bulk. 

This is in large part due to the lack of  nearest neighbor interactions at a surface.

(Excess) Surface Free Energy

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The same thing occurs regardless of  material (e.g. polymers).

(Excess) Surface Free Energy

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Important Point

Systems move toward lowering their free energy

Surfaces do so by:Geometric changes (if  possible)

Bonding (strong and weak interactions)

Dynamic rearrangement

Protein

CH3

OH

CH3

OH CH3

OH

CH3

OH

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Surface Tension• Surface tension acts to decrease the free energy of  the system, hence 

some observed effects:

• Liquid droplets form spheres

• Meniscus effects in capillaries

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Surface Energy and Tension in Liquids

• The cohesive forces between molecules 

down into a liquid are shared with all 

neighboring atoms.

• Those on the surface have no 

neighboring atoms above, and exhibit 

stronger attractive forces upon their 

nearest neighbors on the surface.

• This enhancement of  the 

intermolecular attractive forces at the 

surface is called surface tension. 

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Surface Tension: Intermolecular Forces

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Surface Energy and Tension in Liquids

In order to develop some concepts related to surfaces we will first look at the surface properties of  liquids.

The work (w) required to create a new surface is proportional to the # molecules at the 

surface, hence the area (A):

Where  is the proportionality constant defined as the specific surface free energy. It has 

units of  (energy/unit area, mJ/m2).

acts as a restoring force to resist any increase in area, for liquids it is numerically equal 

to the surface tension.

When considered as a force rather than an energy, the force is called "surface tension“ and 

has units of  (force/unit length, mN/m) 

 AW     

1) Butt, H‐J.; Graf, K.; Kappl Physics and  Chemistry  of  Interfaces, 2nd Edition (Wilet‐VCH: Weinheim 2006).

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Surface Energy and Tension in Liquids

acts as a restoring force to resist any increase in area, for liquids it is numerically equal to the surface tension.

Surface tension can also be defined by the force required to hold the slider in place and to 

balance the surface tensional force

 Ldx

W F   

 2

1) Butt, H‐J.; Graf, K.; Kappl Physics and  Chemistry  of  Interfaces, 2nd Edition (Wilet‐VCH: Weinheim 2006).

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Surface Tension of  Solids

Bottomline:

The surface tension of  solids is experimentally inaccessible.

Why? 

Creation of  new area in a solid is not reversible  – you end up stretching or cleaving the 

sample. Interfacial stress during elastic enlargement can be measured and related to 

interfacial tension only if  the relationship of  interfacial tension as a function of  strain is 

independently known.

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Surface Tension of  Example Materials

Trends: 

• high  materials (> 200 dyn/cm)  – metals, carbides, oxides

• Low  materials: polymers and organics

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Examples: Surface Tension of  Liquids in Contact 

with Air

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The Young‐Laplace Equation

In physics, the Young–Laplace equation is a nonlinear partial differential equation that describes the capillary pressure difference sustained across the interface 

between two static fluids, such as water and air, due to the phenomenon of  surface 

tension.

for the radius of  curvature in directions 1 (R1) and 2 (R2).  Hence  is balanced by 

P, or the surface tension tends to compress the droplet, increasing the internal 

pressure.

An interesting consequence:

 

  

 

21

11

 R RP  

Δ p for water drops of  different radii at STP

Droplet radius 1 mm 0.1 mm 1 μm 10 nm

Δ p (atm) 0.0014 0.0144 1.436 143.6

The pressure difference (P ) across the 

surface of  a liquid is related to the surface 

curvature:

1) Butt, H‐J.; Graf, K.; Kappl Physics and  Chemistry  of  Interfaces, 2nd Edition (Wilet‐VCH: Weinheim 2006).

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The Young‐Laplace Equation

• In a sufficiently narrow (i.e., low Bond number) tube of  circular cross‐

section (radius a), the interface between two fluids forms a meniscus that 

is a portion of  the surface of  a sphere with radius R. The pressure  jump across this surface is:

 RP

 2

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The Young‐Laplace Equation

Young‐Laplace has several fundamental implications:

• If  we know the shape of  a liquid surface we know its curvature and we can 

calculate the pressure difference

• In the absence of  external fields, the pressure is the same everywhere in 

the liquid; otherwise there would be a flow of  liquid to regions of  lower 

pressure.  Thus, P is constant and Young‐Laplace equation tells us that in this case the surface of  the liquid has the same curvature everywhere

• With the help of  Young‐Laplace equation, it is possible to calculate the equlibrium shape of  a liquid surface.  If  we know the pressure difference 

and some boundary conditions (volume of  liquid and its contact line), then 

we can calculate the geometry of  the liquid surface

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Applications to Biomaterials

• Consequence for the alveolar network during breathing

• Presence of  pulmonary surfactants lower surface tension and 

stabilize the system…related to respiratory distress syndrome

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Measuring Surface Energy of  Solids

Fracture Method

• A crack is opened up by forces pulling the edges 

apart.

• A "double cantilever" forms. The work done by the 

applied force is equal to the potential energy of  the 

"leaf  springs" and the surface energy. Solving for the 

surface energy (eventually) gives:

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Measuring Surface Energy of  Solids

Indentation Method

With small specimens an indentation method is used.

•A diamond point is forced into the surface and microcracksappear at the sharp edges.

• It can be shown (but not in this course) that the surface 

energy is given by:

• Measuring the lengths, a, and c, and the indenting force, F, 

will give the surface energy.

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Measuring Surface Tension of  Liquids

Winhelmy Plate Method

• A thin plate that is used to measure 

equilibrium surface or interfacial tension at 

an air‐liquid or liquid‐liquid interface. 

• The plate is oriented perpendicular to the 

interface, and the force exerted on it is 

measured

• L the wetted perimeter (2w + 2d) of  the 

Wilhelmy plate and θ is the contact angle 

between the liquid phase and the plate

• The force on the plate due to wetting is 

measured via a tensiometer or microbalance

• Plate is usually platinum (easy to clean in a 

flame) 

coslF  

1) Butt, H‐J.; Graf, K.; Kappl Physics and  Chemistry  of  Interfaces, 2nd Edition (Wilet‐VCH: Weinheim 2006).

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Measuring Surface Tension of  LiquidsPendant

 Drop

 Method

• A drop of  liquid is suspended from the end of  a tube by surface tension. 

• The force due to surface tension is proportional to the length of  the boundary between the liquid and the tube, with the proportionality 

constant usually denoted γ. Since the length of  this boundary is the circumference of  the tube, the force due to surface tension is given by:

• The mass m of  the drop hanging from the end of  the tube can be found by equating the force due to gravity (F g = mg) with the component of  the surface tension in the vertical direction (F 

γ

sinα) giving the formula

• Where α is the angle of  contact with the tube, and g is the acceleration due to gravity.

• The limit of  this formula, as α goes to 90°, gives the maximum weight of  a pendant drop for a 

liquid with a given surface tension, γ.

    d F 

  d mg

1) Butt, H‐J.; Graf, K.; Kappl Physics and  Chemistry  of  Interfaces, 2nd Edition (Wilet‐VCH: Weinheim 2006).

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Measuring Surface Tension

• Other Methods include:

• Du Noüy ring tensionmeter

• Bubble Pressure Method

•Sessile Drop Method

1) Butt, H‐J.; Graf, K.; Kappl Physics and  Chemistry  of  Interfaces, 2nd Edition (Wilet‐VCH: Weinheim 2006).