ปรากฏการณ์นํ้ากลิ้งบนใบบัว

น้ำกลิ้งบนใบบัว เป็นปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่เราสามารถพบเห็นได้เมื่อเรานำน้ำหยดลงไปที่บริเวณพื้นผิวของใบบัวจะพบว่าน้ำจะไม่มีการซึมผ่านหรือตกค้างให้ใบบัวเปียก และนอกจากนี้หยดน้ำที่สังเกตเห็นยังไม่ไหลกระจายไปทั่วพื้นผิวของใบบัวแต่หยดน้ำจะมีรูปร่างกลมและกลิ้งไปบริเวณตรงกลางของใบบัวหรือเราจะเรียกได้ว่าปรากฏการณ์นํ้ากลิ้งบนใบบัว (Lotus effect) ทำไมถึงเป็นเช่นนั้น? นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาใบบัวโดยการใช้กล้อง Scanning Electron Microscope (SEM) ส่องที่ผิวของใบบัวพบว่า ผิวหน้าของใบบัวประกอบด้วยโครงสร้างขนาดเล็ก คล้ายหนามเป็นปุ่มแท่งเล็กๆ(micropapilla) จำนวนมหาศาลและมีการกระจายตัวอย่างเป็นระเบียบ โดยปุ่มแท่งเล็กๆ (papilla) แต่ละอันมีความเล็กขนาดนาโนเมตร papilla เหล่านี้ส่งผลให้ผิวด้านหน้าของใบบัวมีลักษณะขรุขระเมื่อหยดน้ำตกลงมากระทบใบบัว ทำให้พื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างน้ำกับใบบัวนั้นน้อยมาก จึงทำให้หยดน้ำบนใบบัวมีการกลิ้งเป็นลักษณะดังกล่าว นอกจากโครงสร้างของใบบัวที่นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการศึกษาแล้วยังมีสมบัติอื่นๆของใบบัวที่สามารถนำมาอธิบายปรากฏการณ์ดังกล่าวโดยสามารถนำความรู้ที่ได้มาศึกษาและต่อยอดในการประยุกต์ใช้ให้เข้ากับการพัฒนาคุณสมบัติของวัสดุ,ประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยีชีวภาพโดยการเลียนแบบพฤติกรรมของธรรมชาติ

The leaf surface is water-repellent, and water beads up on the surface. The ability of the leaf to self-clean by the repelled water droplets traveling over leaf surfaces to pick up dust particles is termed the "lotus effect" and is due to the leaf's nanostructure, which minimizes adhesion. The leaves and stalks contain air ducts of various sizes.

โครงสร้างของใบบัว

การศึกษาโครงสร้างของใบบัวเริ่มจากการที่นักพฤกษศาสตร์ชื่อ Barthlott และNeinhuis แห่ง University of Bonn ประเทศเยอรมันศึกษาโครงสร้างใบพืชหลากหลายชนิดรวมถึงลักษณะทางกายภาพและเคมีที่เกี่ยวข้องกับพื้นผิวที่มีลักษณะมันเหมือนแว๊กซ์โดยเฉพาะใบบัว เนื่องจากเกิดการไม่เกาะติดของน้ำที่ผิวใบและเกิดการกลิ้งของหยดน้ำไปตามใบ (Blossey, 2003; Forbes, 2008, Kochet al., 2008) ซึ่งเป็นใบบัวหรือชื่อทางพฤกษศาสตร์คือ Nelumbo Nucifera โดย Barthlott และNeinhuis ได้ใช้การสังเกตที่มีค่านี้ในการค้นพบปรากฏการณ์ที่ให้ชื่อว่า lotus effect หรือน้ำกลิ้งบนใบบัว (Barthlott andNeinhuis, 1997; Roach et al., 2008) โดยในปี ค.ศ. 1970 Barthlott เริ่มทำการศึกษาพื้นผิวของใบบัวโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (Scanning Electron Microscope) ที่ได้มีการพัฒนาออกสู่ท้องตลาดราวปี ค.ศ. 1965 ทำให้ทราบว่าโครงสร้างของใบบัวมีลักษณะโครงสร้างลำดับขั้น (hierarchical structure) โดยพบว่าพื้นผิวประกอบไปด้วยความขรุขระระดับไมโครเมตรเป็นปุ่มแท่งเล็กๆ(micropapillar) โดยที่แท่งเหล่านี้ถูกปกคลุมด้วยโครงสร้างแตกกิ่งแบบละเอียดระดับนาโนเมตรโดยมีเส้นผ่าศูนย์กลางเฉลี่ยประมาณ 125 นาโนเมตร ทำให้พื้นผิวมีลักษณะที่สังเกตด้วยตาเปล่าเหมือนแว็กซ์ มุมสัมผัส (contact angle) กับน้ำมีค่ามากว่า 150 ซึ่งทำให้เกิดลักษณะที่เรียกว่าความไม่ชอบน้ำยิ่งยวดการmicropapilla เป็นจำนวนมากจะเกิดอากาศที่บริเวณช่องว่างระหว่างปุ่มทำให้เกิดการเพิ่มของมุมสัมผัส จึงทำให้น้ำที่ตกลงมาบนใบบัวมีพื้นที่สัมผัสน้อยมาก และไม่สามารถซึมผ่าน หรือกระจายตัวแผ่ขยายออกในแนวกว้างบนใบบัวได้ ดังนั้นน้ำจึงต้องม้วนตัวเป็นหยดน้ำขนาดเล็กกลิ้งไปรวมกันอยู่ที่บริเวณที่ต่ำที่สุดบนใบบัว นอกจากนี้สิ่งสกปรกทั้งหลายไม่ว่าจะเป็นผงฝุ่น เชื้อแบคทีเรีย และเชื้อรา ก็ไม่สามารถเกาะติดแน่นอยู่กับใบบัวได้เช่นเดียวกัน เพราะว่ามีพื้นที่สัมผัสกับใบบัวได้แค่เพียงบริเวณปลายยอดของหนามเล็ก ๆ แต่ละอันเท่านั้น ดังนั้นเมื่อเวลาที่มีน้ำตกลงมาสิ่งสกปรกที่ เกาะอยู่บนใบบัวก็จะหลุดติดไปกับหยดน้ำอย่างง่ายดายจึงทำให้ใบบัวสะอาดอยู่ตลอดเวลา

Superhydrophobic

พื้นผิวใบบัวมีสมบัติไม่ชอบนํ้ายิ่งยวด (superhydrophobic) เป็นลักษณะพิเศษของพื้นผิวเพื่อขับไล่หรือป้องกันหยดน้ำ พื้นผิวมีคุณสมบัติเป็นพื้นผิว superhydrophobic เฉพาะในกรณีที่พื้นผิวมีมุมสัมผัสสูงhigh apparent contact angle (> 150 °) ฮิสเตอร์ริซิสของมุมสัมผัสต่ำ low contact angle hysteresis (<10 °) มุมเลื่อนต่ำ low sliding angle (<5 °) และความเสถียรสูงของสถานะตามแบบจำลองแคสซี่เนื่องจากโมเดลของ Cassie-Baxter จะอธิบายสภาวะการเปียกพื้นผิวแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกัน นั่นคือ น้ำจะกักอากาศอยู่ในช่องว่างของพื้นผิว ผิวสัมผัสระหว่างพื้นผิวของของเหลวและของแข็ง และระหว่างของเหลวกับอากาศจะลดลงส่งผลให้เกิดการก่อตัวของหยดน้ำเป็นทรงกลมโดยทำให้มี contact angle hysteresis มีค่าน้อยลงและสามารถลดลงได้อีกโดยการเพิ่มความขรุขระของพื้นผิวซึ่งทำให้มุมสัมผัสสูงขึ้น (higher contact angle) ความพยายามที่จะเลียนแบบ superhydrophobicity ที่พบในธรรมชาติ (เช่นใบบัว) จากองค์ความรู้ในระดับนาโน นักวิทยาศาสตร์นำหลักการนํ้ากลิ้งบนใบบัว มาใช้ในการสังเคราะห์พื้นผิวไม่เปียกนํ้า โดยการผลิตสารเคลือบผิวจากวัสดุนาโนที่มีสมบัติไม่ชอบนํ้าอย่างยิ่งยวด เพื่อใช้เคลือบพื้นผิวชนิดต่างๆ เช่น เคลือบผิวเซรามิค กระดาษ ผ้า และไม้ เป็นต้น

พื้นผิวทำความสะอาดตัวเอง Self-cleaning surfaces

พื้นผิวทำความสะอาดตัวเองคือพื้นผิวที่สามรถทำความสะอาดตัวเองได้เนื่องจากการเกาะตัวของของเหลวที่เกือบจะเป็นก้อนกลม เมื่ออนุภาคของเหลวหรือน้ำหยดลงมาบนพื้นผิวก็จะไหลออกไปไม่เกาะติด และกวาดเอาอนุภาคฝุ่นและคราบสกปรกบนพื้นผิวอออกไปด้วย โดยอาศัยหลักการ ความไม่ชอบน้ำแบบยิ่งยวด (Superhydrophobic surface) ซึ่งฟังก์ชันการทำความสะอาดตัวเองของพื้นผิวได้รับแรงบันดาลใจปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ เช่น การทำความสะอาดตัวเองของใบบัว (Lotus Effect) โดยพื้นผิวของใบบัวที่เกิดปรากฏการณ์ไม่ชอบน้ำแบบยิ่งยวดเพราะ โครงสร้างทางกายภาพ (Physical structure) ของใบบัว มีลักษณะที่ขรุขระเป็นปุ่มหรือแท่งเล็กๆในระดับนาโนเมตร (Nanometer) การมีปุ่มหรือแท่งเล็กๆจำนวนมากจะเกิดอากาศที่บริเวณช่องว่างระหว่างปุ่ม ทำให้หยดน้ำเกิดการฟอร์มตัวที่มีลักษณะใกล้เคียงกับทรงกลมเกิดการไม่เกาะติดบนพื้นผิวทำให้มารถกลิ้งไปมาได้.

หลักการของพื้นผิวทำความสะอาดตัวเอง

หลักการของพื้นผิวทำความสะอาดตัวเอง คือความชอบน้ำยิ่งยวด (Hydrophilic) และความไม่ชอบน้ำยิ่งยวด (Superhydrophobic) โดยที่มุมสัมผัสของพื้นผิวและความขรุขระของพื้นผิวจำทำให้เกิดโครงสร้างของพื้นผิวที่ไม่ชอบน้ำ ทำให้สิ่งสกปรกมีพื้นที่ผิวสัมผัสน้อยลง โดยการที่น้ำอยู่บนพื้นผิวใดๆจะสามารถอธิบายได้ด้วยสมการของยังค์ (Young’s equation) และการที่พื้นผิวมีความขรุขระให้เกิดการไม่ชอบการน้ำโดยสามารถอธิบายได้ด้วยสมการของ Wenzel และ Cassie-Baxter

• โมเดลของ Young

รูปร่างของหยดแสดงให้เห็นว่าน้ำมีการยึดเกาะกับพื้นผิวมากน้อยเพียงใด โดยสามารถวัดได้จากมุมสัมผัสระหว่างพื้นผิวกับของเหลว มุมสัมผัสดังกล่าว สามารถมาอธิบายเกี่ยวกับหลักการความเปียกน้ำและไม่เปียกน้ำของพื้นผิวได้

$\cos {\left(\theta _{0}\right)}={\frac {\gamma _{SA-}\gamma _{SL}}{\gamma _{LA}}}$

โดยที่    $\theta _{0}$=มุมสัมผัสของน้ำบนพื้นผิว

         $\gamma _{SA}$=พลังงานพื้นผิวของส่วนต่อประสานกับอากาศ

         $\gamma _{SL}$=พลังงานพื้นผิวของส่วนต่อประสานกับพื้นผิวของเหลว

         $\gamma _{LA}$=พลังงานพื้นผิวของส่วนต่อประสานระหว่างของเหลวและอากาศ

หยดน้ำบนพื้นผิวที่มีมุมสัมผัสน้อยกว่า 90° เรียกว่ามีการเปียกผิวที่ดี (good wetting) แต่ถ้า

หยดน้ำบนพื้นผิวมีมุมมากกว่า 90° จะ เป็นการเปียกบนพื้นผิวของแข็งที่ไม่ดี (bad wetting)

• Cassie transition.png

การยึดเกาะของอนุภาคของเหลวกับพื้นผิวโดยของเหลวจะสัมผัสกับพื้นผิวทุกส่วนทั้งในที่สูงสุดและต่ำสุดของพื้นผิวที่ขรุขระการ สัมผัสแบบ Wenzel หยดน้ำกับพื้นผิวไม่แยกจากกัน  สามมารถอธิบายได้โดยสมการนี้

โมเดลของ Wenzelหยดน้ำกับพื้นผิวไม่แยกจากกัน//Cassie transition.png

$\cos {\theta _{w}}=r\cos {\theta }$

โดยที่    𝑟 คือ อัตราส่วนของพื้นที่ผิวขรุขระ

𝜃 คือ มุมสัมผัสจากสมการของยังค์บนพื้นผิวอุดมคติ(ราบเรียบ)

𝜃𝑤 คือ มุมของปรากฏของ Cassie transition.png

• โมเดลของ Cassie-Baxter

แบบของ Cassie-Baxter อนุภาคของเหลวจะสัมผัสเพียงแค่จุดสูงสุดหรือบสุดของพื้นผิวขรุขระ มีช่องว่างระหว่างพื้นผิวที่อยู่ด้านล่างเป็นอากาศ สามารถอธิบายได้ด้วยตัวแปร φ คือส่วนของพื้นผิวที่สัมผัสกับของเหลวโดยตรง เขียนเป็นสมการได้ดังนี้

$cos\theta _{CB}=r_{C}\varphi \cos {\theta +\varphi }$

โดยที่     $\theta _{CB}$ คือ มุมปรากฏของ Cassie-Baxter

           $r_{C}$ คือ  อัตราส่วนของพื้นที่ผิวขรุขระ (พื้นผิวขรุขระจริง/พื้นผิวขรุขระภาพฉาย)

         φ = 1

เมื่อมุมสัมผัสมีค่าน้อยจนเข้าสู่ศูนย์จะเกิดความชอบน้ำยิ่งยวดหรือเมื่อมุมสัมผัสเข้าใกล้ 180° จะเกิดความไม่ชอบน้ำยิ่งยวด โดยทั่วไปพื้นผิวที่มีมุมสัมผัสของหยดน้ำน้อยกว่า 90° ถูกพิจารณาว่าเป็นพื้นผิวแบบชอบน้ำและ เกิดการเปียกผิวที่ดี เป็นพื้นผิวที่มีขั้วและมีการเกิดพันธะ ไฮโดรเจนกับน้ำ ในขณะที่มุมสัมผัสของหยดน้ำมากกว่า 90° เป็น พื้นผิวแบบไม่ชอบน้ำซึ่งเป็นพื้นผิวที่ไม่มีขั้วและเกิดการเปียกผิวที่แย่ อนุภาคของเหลวพื้นผิวแบบชอบน้ำยิ่งยวดจะเกิดการกระจายตัวไปทั่วพื้นผิว แต่ที่พื้นผิวแบบไม่ชอบน้ำยิ่งยวดน้ำจะเกิดการก่อตัวเป็นหยดเม็ดเล็กๆ เพื่อลดพื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างของแข็งและของเหลว

ภาวะการเปียก

คือความสามารถของของเหลวในการรักษาหน้าสัมผัสกับพื้นผิวของแข็ง ซึ่งเป็นผลจาก ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล โดยระดับขั้นของภาวการณ์เปียกขึ้นกับความสมดุลระหว่างแรง แอดฮีชั่น และ โคฮีชั่น โดยแอดฮีชั่นระหว่างของเหลวและของแข็ง จะทำให้ของเหลวกระจายตัวไปทั่วพื้นผิว ส่วนแรง โคฮีชั่นภายในของเหลวเองจะทำให้ของเหลวเกาะกันเป็นทรงกลมและไม่สัมผัสกับพื้นผิวของแข็งพื้น ผิวที่มีการกระจายตัวได้ดีจะถูกเรียกว่า hydrophilic และพื้นผิวที่มีการกระจายตัวไม่ดีจะถูกเรียกว่า hydrophobic พื้นผิวที่มีการกระจายตัวไม่ดีอย่างยิ่งยวด (Superhydrophobic) ภาวะการเปียกมีความสำคัญในการยึดติดกันของวัสดุสองชิ้น แรงยกตัว (หรือ capillary effect) ก็เป็นผลมาจากภาวะการเปียก และแรงพื้นผิวที่กำหนดภาวะการเปียก รูปร่างของหยดของเหลวบนพื้นผิวของแข็ง จะมีรูปร่างเป็นรูปทรงหยดน้ำค้าง

การประยุกต์ใช้งาน

จากคุณสมบัติของดอกบัว ได้แก่ การทำความสะอาดตัวเอง ,ไม่ชอบน้ำ,ลดการติดเชื้อเนื่องจากเชื้อรา,สามารถใช้ประโยชน์จากผิวงานและขนาดระดับนาโนเมตร เช่น เส้นใยสำหรับเสื้อผ้า ผ้ากันน้ำ ทนทานต่อการซึมผ่านของน้ำ มักใช้ผ้าธรรมชาติ,ผ้าสังเคราะห์ ที่มีการเคลือบด้วยวัสดุกันซึม เช่น ยาง ,โพลิไวนิลคลอไรด์(PVC),ซิลิโคนยาง ผลิตภัณฑ์คือ เสื้อกันฝน เรือยาง เป็นต้น

• ฟิล์มไฮบริดได้รับแรงบันดาลใจจากดอกบัวโดยอาศัยเทคนิค Interfacial self Assmbly และSitu Asymmertric Modification

• ผลิตภัณฑ์สุขภัณฑ์ โดยสารเคลือบผิวเซรามิกระดับนาโนทำให้ชิ้นงานต่อต้านสิ่งสกปรกและทำให้ชิ้นงานเงางาม

อ้างอิง

1.     Rmutphysics.(2554).โครงสร้างนาโนในธรรมชาติ ตอนน้ำกลิ้งบนใบบัว.Retrieved Sep 29 2562, จาก http://www.rmutphysics.com/teaching-glossary/index.php?option=com_content&task=view&id=4493&Itemid=3

2.     ภัทร์ สุขแสน.(2554).พื้นผิวอัจฉริยะด้วยนาโนเทคโนโลยี(Smart Surfaces with Nanotechnology). วารสารวิทยาศาสตร์บูรพา.1 : 124-130. http://science.buu.ac.th/ojs246/index.php/sci/article/download/820/755

3.     เพ็ญวิสาข์ พิสิฏฐศักดิ์.(2555).ปรากฏการณ์น้ำกลิ้งบนใบบัว:ทฤษฎีและการประยุกต์ใช้เพื่อสร้างพื้นผิวทำความสะอาดตัวเอง.Retrieved Sep 29 2562, จาก https://www.yumpu.com/en/document/read/43874067/-the-lotus-effect-theory-and-application-to-artificial-self-cleaning-

4.     มลฤดี สไตน์* และ การะเกด เทศศรี.(2561).การสังเคราะห์สารเคลือบผิวนาโนสมบัติไม่ชอบนํ้า และการออกแบบการทดลองเพื่อการเรียนรู้นาโนเทคโนโลยี. Retrieved Sep 29 2562, จาก http://wjst.wu.ac.th/index.php/wuresearch

5.     Krishan Kumar Chania(2559). Fibrous Material.Retrieved Oct 15 2562,จาก https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/fibrous-material

6. Kwangseok Seo, Minyoung Kim and Do Hyun Kim/ Re-derivation of Young’s Equation, Wenzel Equation, and Cassie-Baxter Equation Based on Energy Minimization/ Submitted: November 6th 2014Reviewed: June 16th 2015Published: December 16th 2015DOI: 10.5772/61066 https://www.intechopen.com/books/surface-energy/re-derivation-of-young-s-equation-wenzel-equation-and-cassie-baxter-equation-based-on-energy-minimiz

7.     Nanotechnology solutions for self-cleaning, dirt and water-repellent coatings/ Posted: Jan 11, 2011 https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=19644.php

8. Simpson, John & Hunter, Scott & Aytug, T.. (2015). Superhydrophobic materials and coatings: A review. Reports on progress in physics. Physical Society (Great Britain). 78. 086501. 10.1088/0034-4885/78/8/086501.

https://www.researchgate.net/publication/280115341_Superhydrophobic_materials_and_coatings_A_review

9.     Wetting and spreading phenomenaPonnuraj KrishnakumarMay 13, 2010

http://guava.physics.uiuc.edu/~nigel/courses/563/Essays_2010/PDF/Krishnakumar.pdf