পানিবিকর্ষী

রসায়নে পানিবিকর্ষণ একটি অণুর রাসায়নিক ধর্ম, যার ফলে অণুটি বৃহৎ পরিমাণ পানির থেকে দূরে থাকার প্রবণতা দেখায়। এই ধরনের অণুকে পানিবিকর্ষী বলা হয়। এর বিপরীতে, পানিআকর্ষী অণুগুলো পানির প্রতি আকর্ষণ দেখায়।
পানিবিকর্ষী অণুগুলো সাধারণত অ-মেরু প্রকৃতির হয় এবং তাই তারা অন্যান্য নিরপেক্ষ অণু ও অমেরু দ্রাবকের প্রতি আকৃষ্ট হয়। যেহেতু পানির অণুগুলো মেরুযুক্ত, তাই পানিবিকর্ষী অণুগুলো এদের মধ্যে ভালোভাবে দ্রবীভূত হয় না। পানিতে পানিবিকর্ষী অণুগুলো প্রায়ই একত্রিত হয়ে মাইসেল গঠন করে। পানিবিকর্ষী পৃষ্ঠে পানি একটি উচ্চ স্পর্শকোণ প্রদর্শন করে।
পানিবিকর্ষী অণুর উদাহরণগুলোর মধ্যে অ্যালকেন, তেল, চর্বি এবং সাধারণত তৈলাক্ত পদার্থ অন্তর্ভুক্ত। পানিবিকর্ষী উপকরণ তেল অপসারণ, তেল ছড়িয়ে পড়া নিয়ন্ত্রণ এবং রাসায়নিক পৃথকীকরণ প্রক্রিয়ায় ব্যবহৃত হয় যাতে অ-মেরু পদার্থকে মেরুযুক্ত যৌগ থেকে আলাদা করা যায়।
পানিবিকর্ষী শব্দটি প্রাচীন গ্রিক ὑδρόφοβος (হাইড্রোফোবোস) থেকে এসেছে, যার অর্থ "পানির ভয় থাকা"। এটি প্রাচীন গ্রিক ὕδωρ (হুদোর) অর্থাৎ 'পানি' এবং φόβος (ফোবোস) অর্থাৎ 'ভয়' থেকে গঠিত। এই শব্দটি প্রায়শই লিপোফিলিক বা "চর্বিপ্রেমী" শব্দের সমার্থক হিসেবে ব্যবহৃত হয়। তবে এই দুটি শব্দ সমার্থক নয়। যদিও পানিবিকর্ষী পদার্থ সাধারণত লিপোফিলিক, কিছু ব্যতিক্রম রয়েছে, যেমন সিলিকন এবং ফ্লুরোকার্বন।
পানিবিকর্ষী ক্রিয়া মূলত একটি বিশৃঙ্খলগত প্রভাব (entropic effect), যা অমেরু দ্রবক দ্বারা তরল পানির অণুগুলোর গতিশীল হাইড্রোজেন বন্ধন ব্যাহত হওয়ার ফলে সৃষ্টি হয়। এর ফলে পানি অমেরু অণুগুলোর চারপাশে একটি ক্লাথ্রেট জাতীয় কাঠামো তৈরি করে। এই কাঠামোটি মুক্ত পানির অণুর চেয়ে বেশি সুশৃঙ্খল, কারণ পানি অণুগুলো নিজেদের মধ্যে যতটা সম্ভব সংযোগ স্থাপন করতে চায়। এর ফলে একটি উচ্চতর বিশৃঙ্খল অবস্থা তৈরি হয়, যা অমেরু অণুগুলোকে একত্রিত হতে বাধ্য করে যাতে পানির সংস্পর্শে থাকা পৃষ্ঠের পরিমাণ কমে এবং সিস্টেমের বিশৃঙ্খলতা হ্রাস পায়। তাই দুটি অমিশ্র পর্যায় (পানিআকর্ষী ও পানিবিকর্ষী) এমনভাবে পরিবর্তিত হয় যাতে তাদের সংযোগস্থলের ক্ষেত্রফল সর্বনিম্ন হয়। এই প্রভাবটি পর্যায় বিভাজন (phase separation) নামে পরিচিত একটি ঘটনায় দেখা যায়।
অতিপানিবিকর্ষী পৃষ্ঠগুলি (যেমন: পদ্ম গাছের পাতা) ভেজানো অত্যান্ত কঠিন। পানির এক ফোঁটার স্পর্শকোণ ১৫০° এর বেশি হয়। এটি "পদ্ম প্রভাব" (lotus effect) নামে পরিচিত। এটি মূলত একটি রাসায়নিক ধর্ম যা রাসায়নিক ধর্মের তুলনায় আন্তঃপৃষ্ঠ টানের সাথে বেশি সম্পর্কিত।
১৮০৫ সালে, থমাস ইয়ং একটি তরলের ফোঁটা বিশ্লেষণ করে পৃষ্ঠ এবং গ্যাস দ্বারা ঘেরাও করা একটি কঠিন পৃষ্ঠে ব্যবহৃত স্পর্শ কোণ θ সংজ্ঞায়িত করেন।
formula_1
এখানে,
𝛾 SG = কঠিন এবং গ্যাসের মধ্যে আন্তঃপৃষ্ঠ টান
𝛾 SL = কঠিন এবং তরলের মধ্যে আন্তঃপৃষ্ঠ টান
𝛾 LG = তরল এবং গ্যাসের মধ্যে আন্তঃপৃষ্ঠ টান
"θ" স্পর্শকোণটি 'স্পর্শকোণ গনিওমিটার""' ব্যবহার করে পরিমাপ করা যেতে পারে।
ওয়েঞ্জেল সিদ্ধান্ত নিয়েছিলেন যে, যখন তরল একটি মাইক্রোস্ট্রাকচার্ড পৃষ্ঠের সাথে ঘনিষ্ঠ স্পর্শে থাকে, তখন "θ" পরিবর্তিত হয়ে "θ" এ চলে আসে।
formula_2
এখানে r হলো প্রকৃত এলাকার সাথে প্রদর্শিত এলাকার অনুপাত। ওয়েঞ্জেলের সমীকরণটি দেখায় যে একটি পৃষ্ঠের মাইক্রোস্ট্রাকচারিং তার স্বাভাবিক প্রবণতাকে বাড়িয়ে তোলে। একটি পানিবিকর্ষী পৃষ্ঠ (যার মূল স্পর্শ কোণ ৯০° এর বেশি) যখন মাইক্রোস্ট্রাকচারিত হয় তখন এটি আরও পানিবিকর্ষী হয়ে ওঠে – এর নতুন স্পর্শ কোণ মূলের থেকে বড় হয়। তবে একটি পানি আকর্ষী পৃষ্ঠ (যার মূল স্পর্শ কোণ ৯০° এর কম) মাইক্রোস্ট্রাকচারিত হলে এটি আরও পানি আকর্ষী হয়ে ওঠে – এর নতুন স্পর্শ কোণ মূলের থেকে কম হয়।
ক্যাসি এবং ব্যাক্সটার সিদ্ধান্ত নিয়েছিলেন যে যদি তরল মাইক্রোস্ট্রাকচারের শীর্ষে স্থির থাকে, তাহলে "θ" পরিবর্তিত হয়ে "θ" এ চলে আসে:
formula_3
এখানে φ হলো সেই কঠিন এলাকার অনুপাত যা তরলের সংস্পর্শে আসে। ক্যাসি-ব্যাক্সটার অবস্থায় তরলটি ওয়েঞ্জেল অবস্থার তুলনায় আরও গতিশীল হয়।
আমরা উভয় সমীকরণ ব্যবহার করে নতুন স্পর্শ কোণ হিসাব করে এটি পূর্বাভাস দিতে পারি যে কোন অবস্থায় কাসি-ব্যাক্সটার বা ওয়েঞ্জেল অবস্থা থাকতে পারে। মুক্ত শক্তির আর্গুমেন্টের মাধ্যমে বলা যায়, যে সম্পর্কটি তুলনামূলক ছোট নতুন স্পর্শকোণের পূর্বাভাস দেয় সেটিই হলো সবচেয়ে সম্ভাব্য অবস্থান । গাণিতিকভাবে, কাসি-ব্যাক্সটার অবস্থার জন্য নিম্নলিখিত অসমতা সত্য হতে হবে:
formula_4
ক্যাসি-ব্যাক্সটার অবস্থার জন্য একটি সাম্প্রতিক বিকল্প মানদণ্ড দাবি করেছে যে কাসি-ব্যাক্সটার অবস্থাটি তখনই থাকবে যখন দুটি মানদণ্ড পূর্ণ হবে:
১) স্পর্শ রেখার বলগুলি অবিচলিত ফোঁটার ওজনের শারীরিক বলকে অতিক্রম করবে,
২) মাইক্রোস্ট্রাকচারগুলি এত উঁচু হবে যাতে মাইক্রোস্ট্রাকচারের মধ্যে যাওয়া তরলটি মাইক্রোস্ট্রাকচারের বেসের সাথে স্পর্শ করবে না।
সম্প্রতি, পৃষ্ঠের রুক্ষতা এবং পৃষ্ঠের শক্তির ভিত্তিতে ওয়েঞ্জেল এবং ক্যাসি-ব্যাক্সটার অবস্থার মধ্যে স্যুইচ করার জন্য একটি নতুন মানদণ্ড উন্নয়ন করা হয়েছে। এই মানদণ্ডটি খসখসে পৃষ্ঠের উপর তরল ফোঁটার জন্য বাতাস আটকে রাখার ক্ষমতার উপর ভিত্তি করে; যা বলে দিতে পারে যে, একটি নির্দিষ্ট পৃষ্ঠের রুক্ষতা এবং শক্তির সংমিশ্রণে ওয়েঞ্জেল মডেল বা ক্যাসি-ব্যাক্সটার মডেল ব্যবহার করা উচিত।
স্পর্শকোণ হলো স্থির পানিবিকর্ষণের একটি পরিমাপ। এবং 'স্পর্শকোণ হিস্টিরেসিস' এবং 'স্লাইড কোণ' হলো গতিশীল পরিমাপ। স্পর্শকোণ হিস্টিরেসিস একটি ঘটনা যা পৃষ্ঠের অনিয়মিততা চিহ্নিত করে। যখন একটি পিপেট একটি তরল একটি কঠিন পৃষ্ঠে ঢালাই করে, তখন তরল কিছু স্পর্শকোণ তৈরি করবে। যত বেশি তরল ঢালাই করা হবে, তত বেশি ফোঁটার আয়তন বাড়বে, স্পর্শ কোণ বাড়বে; তবে তার ত্রৈমাসিক সীমানা স্থির থাকবে যতক্ষণ না তা হঠাৎ বাহিরে চলে যায়। ফোঁটা বাহিরে চলে যাওয়ার ঠিক আগে যে স্পর্শকোণটি ছিল, তাকে আগত স্পর্শকোণ বলা হয়। পুনরায় তরল পাম্প করে ফোঁটাটি থেকে বের করে ফেরত স্পর্শকোণ পরিমাপ করা হয়। ফলে ফোঁটার আয়তন কমে যায়, স্পর্শকোণ কমে যায়, তবে তার ত্রৈমাসিক সীমানা স্থির থাকবে যতক্ষণ না তা হঠাৎ ভিতরে চলে যাবে। ফোঁটা ভিতরে চলে যাওয়ার ঠিক আগে যে স্পর্শকোণটি ছিল, তাকে ফেরত স্পর্শকোণ বলা হয়। আগত এবং ফেরত স্পর্শকোণের মধ্যে পার্থক্যকে স্পর্শকোণ হিস্টিরেসিস বলা হয় এবং এটি পৃষ্ঠের অনিয়মিততা, রুক্ষতা এবং গতিশীলতা চিহ্নিত করতে ব্যবহার করা যেতে পারে। যেসব পৃষ্ঠ সমতল নয়, সেগুলির মধ্যে এমন এলাকা থাকে যা স্পর্শ রেখার গতির প্রতিবন্ধকতা সৃষ্টি করে। স্লাইড কোণ হলো পানিবিকর্ষণের আরেকটি গতিশীল পরিমাপ এবং এটি একটি ফোঁটা পৃষ্ঠে জমা করে পরিমাপ করা হয় এবং পৃষ্ঠটি এমনভাবে বাঁকানো হয় যতক্ষণ না ফোঁটাটি স্লাইড করতে শুরু করে। সাধারণত, ক্যাসি-ব্যাক্সটার অবস্থায় তরলগুলির স্লাইড কোণ, হিস্টিরেসিস ওয়েঞ্জেল অবস্থার স্পর্শকোণের তুলনায় কম থাকে।
ডেট্র এবং জনসন ১৯৬৪ সালে আবিষ্কার করেছিলেন যে 'সুপারহাইড্রোফোবিক লোটাস ইফেক্ট' খসখসে হাইড্রোফোবিক পৃষ্ঠের সাথে সম্পর্কিত ছিল, এবং তারা গ্লাস বীডস যা প্যারাফিন বা টিএফই টেলোমার দ্বারা আবৃত থাকা নিয়ে এক তাত্ত্বিক মডেল তৈরি করেছিলেন। সুপারহাইড্রোফোবিক মাইক্রো-ন্যানোস্ট্রাকচারড পৃষ্ঠের স্ব-পরিষ্কারের গুণ ১৯৭৭ সালে রিপোর্ট করা হয়েছিল। পারফ্লুওরোআলকাইল (Perfluoroalkyl), পারফ্লুওরোপলিওইথার (perfluoropolyether), এবং আরএফ প্লাজমা (RF plasma) দ্বারা গঠিত সুপারহাইড্রোফোবিক উপাদানগুলি ১৯৮৬ থেকে ১৯৯৫ সালের মধ্যে ইলেক্ট্রোওয়েটিং (electrowetting) এবং বায়োমেডিক্যাল ব্যবহারগুলির জন্য ব্যবহৃত হয়েছিল এবং বাণিজ্যিকীকৃত হয়েছিল। ১৯৯০-এর দশকের মাঝামাঝি থেকে অন্যান্য প্রযুক্তি এবং ব্যবহারগুলি আবির্ভূত হয়েছে। একটি টেকসই সুপারহাইড্রোফোবিক হায়ারকিক্যাল (superhydrophobic hierarchical) রচনাকে ২০০২ সালে এক বা দুটি পদক্ষেপে প্রকাশ করা হয়েছিল, যার মধ্যে ন্যানো আকারের কণা ≤ ১০০ ন্যানোমিটার একটি পৃষ্ঠের উপর প্রয়োগ করা হয় যার মাইক্রোমিটার আকারের বৈশিষ্ট্য বা কণা ≤ ১০০ মাইক্রোমিটার। বৃহত্তর কণাগুলি হতে লক্ষ্য করা গিয়েছিল যে, বৃহত্তর কণাগুলি ছোট কণাগুলিকে যান্ত্রিক ঘর্ষণ থেকে সুরক্ষা প্রদান করে।
সম্প্রতি গবেষণায়, আলকাইলকেটেন ডাইমার (AKD; alkylketene dimer) কে একটি ন্যানোস্ট্রাকচারড ফ্র্যাক্টাল (nanostructured fractal) পৃষ্ঠে কঠিন হতে দিয়ে সুপারহাইড্রোফোবিকতা রিপোর্ট করা হয়েছে। অনেক গবেষণাপত্র পরবর্তী সময়ে সুপারহাইড্রোফোবিক পৃষ্ঠ তৈরি করার জন্য ফ্যাব্রিকেশন (fabrication) পদ্ধতিগুলি উপস্থাপন করেছে, যার মধ্যে কণা জমা করা (particle deposition), সল-জেল কৌশল (sol-gel techniques), প্লাজমা চিকিৎসা (plasma treatments), বাষ্প নির্গমন (vapor deposition), এবং কাস্টিং (casting) কৌশলগুলি অন্তর্ভুক্ত রয়েছে। বর্তমানে মূলত মৌলিক গবেষণা এবং ব্যবহারিক উৎপাদনে গবেষণার প্রভাবের সুযোগ রয়েছে।[১৩] সম্প্রতি ওয়েঞ্জেল এবং ক্যাসি-ব্যাক্সটার মডেলের প্রযোজ্যতা নিয়ে বিতর্ক উঠে এসেছে। একটি পরীক্ষায় যা ওয়েঞ্জেল এবং ক্যাসি-ব্যাক্সটার মডেলের পৃষ্ঠ শক্তির দৃষ্টিভঙ্গি চ্যালেঞ্জ করার জন্য এবং স্পর্শ রেখার দৃষ্টিভঙ্গি প্রচার করার জন্য ডিজাইন করা হয়েছিল, পানি ফোঁটা একটি মসৃণ হাইড্রোফোবিক (পানি বিকর্ষী) স্থানে, একটি খসখসে হাইড্রোফোবিক (পানি বিকর্ষী) স্থানে, এবং একটি হাইড্রোফিলিক (পানি আকর্ষী) স্থানে রাখা হয়েছিল। পরীক্ষায় দেখানো হয়েছিল যে, স্পর্শ রেখার উপর পৃষ্ঠ রসায়ন এবং আণবিক কাঠামো স্পর্শকোণ এবং স্পর্শকোণ হিস্টিরেসিসকে প্রভাবিত করে, তবে স্পর্শ রেখার ভিতরের পৃষ্ঠ এলাকা কোনও প্রভাব ফেলেনি। স্পর্শ রেখার অস্বাভাবিকতা ড্রপলেটের গতিশীলতা বৃদ্ধি করে এমন একটি তর্কও প্রস্তাবিত হয়েছিল।
প্রাকৃতিকভাবে পাওয়া অনেক হাইড্রোফোবিক উপাদান ক্যাসির সূত্র (Cassie's law) অনুযায়ী চলে এবং সাবমাইক্রোমিটার (submicrometer) স্তরে দুটি উপাদান নিয়ে গঠিত, যার একটি উপাদান হলো বায়ু। লোটাস ইফেক্ট এই নীতির উপর ভিত্তি করে। এর থেকে অনুপ্রাণিত হয়ে, অনেক কার্যকরী সুপারহাইড্রোফোবিক পৃষ্ঠ প্রস্তুত করা হয়েছে।
ন্যানোটেকনোলজিতে একটি বায়োনিক বা বায়োমিমেটিক সুপারহাইড্রোফোবিক উপাদানের উদাহরণ হলো ন্যানোপিন ফিল্ম (nanopin film)।
একটি গবেষণায় ভ্যানেডিয়াম পেন্টোক্সাইড পৃষ্ঠ উপস্থাপন করা হয়েছে যা UV রশ্মির প্রভাবে সুপারহাইড্রোফোবিকতা এবং সুপারহাইড্রোফিলিকতার মধ্যে বিপরীতভাবে পরিবর্তিত হয়। গবেষণাটি অনুযায়ী, যেকোনো পৃষ্ঠকে এই প্রভাবের জন্য পরিবর্তন করা যেতে পারে উদাহরণস্বরূপ রোজ-সদৃশ V2O5 কণার সাসপেনশন প্রয়োগ করে (যেমন: "ইনকজেট প্রিন্টার দ্বারা")। আবার, হাইড্রোফোবিকতা ইন্টারল্যামিনার বায়ু পকেট দ্বারা উদ্ভূত হয় (যেগুলি ২.১ ন্যানোমিটার দূরত্ব দ্বারা পৃথক)। UV প্রভাবও ব্যাখ্যা করা হয়েছে। UV রশ্মি 'ইলেকট্রন-হোল জোড়া' (electron-hole pairs) তৈরি করে, যেখানে হোলগুলি ল্যাটিস অক্সিজেনের সাথে প্রতিক্রিয়া করে, পৃষ্ঠ অক্সিজেনের অভাব তৈরি করে, এবং ইলেকট্রনগুলি V5+ কে V3+ এ রিডিউস করে। অক্সিজেনের অভাব পানি দ্বারা পূর্ণ হয়, এবং এই পানি শোষণই ভ্যানেডিয়াম পৃষ্ঠকে হাইড্রোফিলিক (পানি আকর্ষী) করে তোলে। দীর্ঘ সময় অন্ধকারে সংরক্ষণ করলে পানি অক্সিজেন দ্বারা প্রতিস্থাপিত হয় এবং হাইড্রোফিলিকতা আবার হারিয়ে যায়।
একটি বড় সংখ্যক হাইড্রোফোবিক (পানি বিকর্ষী) পৃষ্ঠের হাইড্রোফোবিক গুণগুলি তাদের পৃষ্ঠের যে কোনও খসখসে বা রসায়নিক পরিবর্তন দ্বারা অর্জিত হয়, যা হয় পৃষ্ঠ আবরণ বা পৃষ্ঠ চিকিৎসা দ্বারা। এর মানে হলো যে, আণবিক প্রজাতির (সাধারণত জৈবিক) বা কাঠামোগত বৈশিষ্ট্যগুলির উপস্থিতি পানি দ্বারা উচ্চ স্পর্শকোণ সৃষ্টি করে। সাম্প্রতিক বছরগুলোতে, বিরল পৃথিবীর অক্সাইডগুলি তাদের অন্তর্নিহিত হাইড্রোফোবিকতা প্রদর্শন করেছে। বিরল পৃথিবীর অক্সাইডগুলির অন্তর্নিহিত হাইড্রোফোবিকতা পৃষ্ঠের অভিমুখ এবং অক্সিজেনের অভাবের স্তরের উপর নির্ভর করে, এবং এটি কোটা বা পৃষ্ঠ চিকিৎসার তুলনায় প্রাকৃতিকভাবে আরও টেকসই, যা কনডেন্সার এবং ক্যাটালিস্টে ব্যবহৃত হতে পারে, যেগুলি উচ্চ তাপমাত্রা বা ক্ষয়কারি পরিবেশে কাজ করতে সক্ষম।
১৯শতকের মাঝামাঝি থেকে হাইড্রোফোবিক কংক্রিট উৎপাদিত হচ্ছে।
সম্প্রতি হাইড্রোফোবিক উপকরণের ওপর সক্রিয় গবেষণা ভবিষ্যতে শিল্প ক্ষেত্রে আরো ব্যবহার নিয়ে আসতে পারে।
একটি সহজ প্রক্রিয়া, যেখানে সিলিকা অথবা টাইটানিয়া কণার মাধ্যমে তুলার কাপড়কে সল-জেল কৌশলে আবরণ করা হয়, যা কাপড়কে অতিবেগুনি আলো থেকে রক্ষা করে এবং এটিকে সুপারহাইড্রোফোবিক বানায়।
একটি কার্যকর পদ্ধতি প্রতিবেদিত হয়েছে যাতে পলিথিনকে সুপারহাইড্রোফোবিক এবং স্ব-পরিষ্কারে সক্ষম করা যায়। এমন একটি পৃষ্ঠে ৯৯% ময়লা সহজেই ধুয়ে যায়।
নকশাযুক্ত সুপারহাইড্রোফোবিক পৃষ্ঠগুলি ল্যাব-অন-এ-চিপ মাইক্রোফ্লুইডিক ডিভাইসগুলির জন্য প্রতিশ্রুতিশীল, এবং এটি পৃষ্ঠাভিত্তিক জীববিজ্ঞান বিশ্লেষণকে বিপর্যস্তভাবে উন্নত করতে পারে।
ফার্মাসিউটিক্যালসে, ফার্মাসিউটিক্যাল মিশ্রণের হাইড্রোফোবিকতা চূড়ান্ত পণ্যের গুরুত্বপূর্ণ গুণাবলীতে প্রভাব ফেলে (যেমন: "ওষুধের দ্রবণ" এবং "শক্তি")। ফার্মাসিউটিক্যাল উপকরণের হাইড্রোফোবিকতা পরিমাপের জন্য কিছু পদ্ধতি তৈরি করা হয়েছে।
হাইড্রোফোবিক প্যাসিভ ডেইটাইম রেডিয়েটিভ কুলিং (PDRC;passive daytime radiative cooling) পৃষ্ঠগুলির উন্নয়ন, যার কার্যকারিতা সোলার রিফ্লেকট্যান্স (solar reflectance) এবং থার্মাল এমিট্যান্সের (thermal emittance) ওপর ভিত্তি করে তাদের পরিষ্কারতা। এই পৃষ্ঠগুলি এসব পৃষ্ঠে "স্ব-পরিষ্কার"-এর উন্নতি করেছে। স্কেলযোগ্য এবং টেকসই হাইড্রোফোবিক PDRC গুলি VOCs (ভলাটাইল অর্গানিক কম্পাউন্ড) পরিহার করে আরও উন্নত করা হয়েছে।