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

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

         

โดยที่    =มุมสัมผัสของน้ำบนพื้นผิว

          =พลังงานพื้นผิวของส่วนต่อประสานกับอากาศ

         =พลังงานพื้นผิวของส่วนต่อประสานกับพื้นผิวของเหลว

         =พลังงานพื้นผิวของส่วนต่อประสานระหว่างของเหลวและอากาศ

หยดน้ำบนพื้นผิวที่มีมุมสัมผัสน้อยกว่า  90° เรียกว่ามีการเปียกผิวที่ดี (good wetting) แต่ถ้า

หยดน้ำบนพื้นผิวมีมุมมากกว่า 90° จะ เป็นการเปียกบนพื้นผิวของแข็งที่ไม่ดี (bad wetting)

Cassie transition.png

การยึดเกาะของอนุภาคของเหลวกับพื้นผิวโดยของเหลวจะสัมผัสกับพื้นผิวทุกส่วนทั้งในที่สูงสุดและต่ำสุดของพื้นผิวที่ขรุขระการ สัมผัสแบบ Wenzel หยดน้ำกับพื้นผิวไม่แยกจากกัน  สามมารถอธิบายได้โดยสมการนี้

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

โดยที่       คือ มุมปรากฏของ Cassie-Baxter

                  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

นาโนเทคโนโลยี