ปรากฏการณ์นํ้ากลิ้งบนใบบัว

thumb
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

== 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 (\cos{\left(\theta_0\right)}=\frac{\gamma_{SA-}\gamma_{SL}}{\gamma_{LA}}
โดยที่&nbsp; &nbsp;&nbsp;\theta_0=มุมสัมผัสของน้ำบนพื้นผิว
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;&nbsp;  \gamma_{SA}=พลังงานพื้นผิวของส่วนต่อประสานกับอากาศ
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;&nbsp; \gamma_{SL}=พลังงานพื้นผิวของส่วนต่อประสานกับพื้นผิวของเหลว
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;&nbsp; \gamma_{LA}=พลังงานพื้นผิวของส่วนต่อประสานระหว่างของเหลวและอากาศ
หยดน้ำบนพื้นผิวที่มีมุมสัมผัสน้อยกว่า  90° เรียกว่ามีการเปียกผิวที่ดี (good wetting) แต่ถ้า
หยดน้ำบนพื้นผิวมีมุมมากกว่า 90° จะ&nbsp;เป็นการเปียกบนพื้นผิวของแข็งที่ไม่ดี (bad wetting)
Cassie transition.png
การยึดเกาะของอนุภาคของเหลวกับพื้นผิวโดยของเหลวจะสัมผัสกับพื้นผิวทุกส่วนทั้งในที่สูงสุดและต่ำสุดของพื้นผิวที่ขรุขระการ สัมผัสแบบ Wenzel หยดน้ำกับพื้นผิวไม่แยกจากกัน &nbsp;สามมารถอธิบายได้โดยสมการนี้

\cos{\theta_w}=r\cos{\theta}  
โดยที่ &nbsp;&nbsp; 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 &nbsp;&nbsp; &nbsp;\theta_{CB}  คือ มุมปรากฏของ Cassie-Baxter
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;&nbsp; &nbsp;    r_C    คือ &nbsp;อัตราส่วนของพื้นที่ผิวขรุขระ (พื้นผิวขรุขระจริง/พื้นผิวขรุขระภาพฉาย)
&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;&nbsp;      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. &nbsp; &nbsp; 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. &nbsp; &nbsp; ภัทร์ สุขแสน.(2554).พื้นผิวอัจฉริยะด้วยนาโนเทคโนโลยี(Smart Surfaces with Nanotechnology). วารสารวิทยาศาสตร์บูรพา.1&nbsp;: 124-130. http://science.buu.ac.th/ojs246/index.php/sci/article/download/820/755
3. &nbsp; &nbsp; 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. &nbsp; &nbsp; มลฤดี สไตน์* และ การะเกด เทศศรี.(2561).การสังเคราะห์สารเคลือบผิวนาโนสมบัติไม่ชอบนํ้า และการออกแบบการทดลองเพื่อการเรียนรู้นาโนเทคโนโลยี. Retrieved Sep 29 2562, จาก http://wjst.wu.ac.th/index.php/wuresearch
5. &nbsp; &nbsp; 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. &nbsp; &nbsp; 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. &nbsp; &nbsp; Wetting and spreading phenomenaPonnuraj KrishnakumarMay 13, 2010
http://guava.physics.uiuc.edu/~nigel/courses/563/Essays_2010/PDF/Krishnakumar.pdf
นาโนเทคโนโลยี