ปรากฏการณ์นํ้ากลิ้งบนใบบัว

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

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