آبگریزی در علوم مختلف به‌معنای توانایی یک ماده در خیس نشدن است. برخلاف سطح آبگریز، سطح آب‌ دوست تمایل زیادی در خیس شدن دارد. معمولا مولکول‌های مواد آبگریز، غیر قطبی هستند؛ از این رو ترجیح می‌دهند تا در مولکول‌هایی حل شوند که به‌صورت غیر قطبی باشند. در نتیجه با توجه به قطبی بودن مولکول‌های آب، این گونه مواد کمتر تمایل دارند تا توسط مولکول‌های آب خیس شوند.

معروف‌ترین نمونه مواد غیر‌قطبی، آلکان‌ها، نفت و چربی‌ها هستند. از تجربه روزمره نیز می‌دانید که مثلا چربی در آب حل نمی‌شود. معمولا این مفهوم را به همراه مفهوم «چربی دوستی» (Lipophilicity) استفاده می‌کنند. در حقیقت این دو مفهوم، در جهت مخالف یکدیگر هستند. اگرچه اکثر مواد آبگریز، چربی دوست هستند، اما استثنائاتی همچون سیلیکون‌ها و فلوئوروکربن‌ها نیز وجود دارند که الزاما چربی دوست نیستند. عامل اصلی در آبگریز بودن یک سطح، میزان کشش سطحی قطرات آن در تماس با سطح است.

آبگریزی از دیدگاه شیمی

کنش آبگریزی، فرآیندی است که بایستی از نظر آنتروپی مورد تحلیل قرار گیرد. در حقیقت با تغییر ساختار پیوند هیدروژن، مولکول‌های آب که در نتیجه اضافه شدن ماده حلال است، آنتروپی سیستم تغییر می‌کند. با منظم‌تر شدن مولکول‌های آب پس از اضافه شدن ماده حل‌شوند – غیر قطبی – مولکول‌های آب تلاش می‌کنند به نحوی کنار هم قرار گیرند که بیشترین تماس را با یکدیگر داشته باشند. بنابراین آنتروپی سیستم افزایش یافته و در نتیجه مولکول‌های چربی به یکدیگر می‌چسبند. در نتیجه دو ماده آب دوست و آب‌ گریز در یکدیگر حل نخواهند شد. این اثر را می‌توان در پدیده‌ای تحت عنوان جدایی فاز مشاهده کرد.

فوق‌ آبگریزی

در طبیعت سطوحی وجود دارند که خیس شدن آن‌‌ها بسیار مشکل است. برای نمونه «زاویه تماس» (Contact Angle) برگ نیلوفر آبی، نزدیک به ۱۵۰ درجه است. به چنین سطوحی که زاویه تماس آن‌ها با آب زیاد باشد، سطح فوق‌ آبگریز گفته می‌شود. یا به‌طور دقیق‌تر اگر زاویه تماس سطحی با آب بیشتر از ۱۵۰ درجه باشد، فوق‌ آبگریز تلقی می‌شود. در بعضی از متون این پدیده را تحت عنوان «اثر لوتوس» (Lotus Effect) نیز می‌شناسند. شکل زیر قطرات قرار گرفته روی برگ نیلوفر آبی را نشان می‌دهد.

Lotus-hydrophobic

در اکثر موارد نمی‌توان با استفاده از تغییر خواص شیمیایی سطح، به چنین زاویه تماسی دست یافت. از طرفی با تغییر دادن خواص فیزیکی سطح، می‌توان سطوح فوق‌ آبگریز ساخت. در ادامه در مورد ادبیات استفاده شده در بررسی زاویه تماس قطره آب قرار گرفته روی یک سطح صحبت خواهیم کرد.

مفاهیم تئوری آب گریزی

در سال ۱۸۰۵، «توماس یانگ» (Thomas Young)،‌ دانشمند بریتانیایی،‌ زاویه تماس θ برای قطره‌ قرار گرفته روی یک سطح را با استفاده از تحلیل نیرو‌های وارد به آن، بدست آورد. جهت بررسی نیرو‌های وارد شده به قطره‌ای که روی سطحی جامد قرار گرفته،‌ شکل زیر را در نظر بگیرید.

Hydrophobic-surafce

با نوشتن تعادل نیرویی، رابطه نیرو‌های وارد شده به قطره برابر است با:

forces

در رابطه بالا S ,G ,L به ترتیب نشان دهنده قطره، هوای اطراف و سطح است. با توجه به نماد‌گذاری استفاده شده، نیرو‌های استفاده شده در رابطه بالا به‌صورت زیر هستند.

  • γSG: کشش بین جامد و گاز
  • γSL: کشش بین مایع و جامد
  • γLG: کشش بین مایع و گاز

زاویه θ را می‌توان با استفاده از دستگاه زاویه‌یاب (Goniometer) اندازه‌گیری کرد. «ونزل» (Wenzel)، این زاویه در حالتی که قطره درون سطح چسبیده باشد را با * θW نشان داد. او هم‌چنین ارتباط بین شعاع قطره و زاویه تماس را به‌صورت زیر تعریف کرد:

Cos θW * = r cos θ

در رابطه بالا r نسبت سطح واقعی و سطح تصویر شده است. رابطه ونزل نشان می‌دهد که با ایجاد ساختار‌های میکرو در سطح، تمایل به تماس با سطح افزایش می‌یابد. در حقیقت در مدل ونزل، ایجاد ساختار میکرو در سطح منجر به آبگریزتر شدن یک سطح می‌شود، اما اگر همین ساختار‌ها را برای سطحی آب‌دوست انجام دهیم، سطح مذکور آب‌ دوست‌تر خواهد شد.

در پژوهشی دیگر «کَسی و بَکستِر» (Cassie – Baxter)، متوجه شدند،‌ در حالتی که قطره روی ساختار‌های سطح، به‌صورت معلق قرار گیرد، در رابطه اصلی θ به  *θCB تبدیل می‌شود. در حقیقت رابطه زاویه تماس در این حالت، به‌شکل زیر است:

Cos θCB * = φ (cos θ + 1) – 1

در رابطه بالا φ نسبتی از سطح در نظر گرفته می‌شود که با قطره در تماس است. با توجه به دو مدل بیان شده، بدیهی است که در حالت ونزل،‌ قطره توانایی حرکت کم‌تری به نسبت مدل کسی-بکستر دارد.

با بدست آوردن زاویه تماس جدید، می‌توان پیش‌بینی کرد که کدام‌ یک از این دو مدل رخ خواهند داد. با استفاده از مینیمم کردن انرژی آزاد سیستم، زاویه تماس کوچکتر، حالتی است که در واقعیت رخ خواهد داد. از نظر ریاضیاتی مدل کسی-بکستر زمانی رخ خواهد داد که نامساوی زیر برقرار باشد.

Cassie-baxter

در شکل زیر حالت قرار‌گیری قطره روی سطح، در حالت ونزل و کسی-بکستر نشان داده شده است.

Wenzel-Cassie-Baxter

این سطوح در موادی کاربرد دارند که به‌صورت خود‌ به خود تمیز می‌شود. به چنین مواد خود تمیز شونده می‌گویند. هم‌چنین می‌توان با بکارگیری مواد آبگریز در وسایل، از لکه‌دار شدن، کثیف شدن و یا خیس شدن آن‌ها جلو‌گیری کرد. برای نمونه اگر پیراهنی با استفاده از سطحی آبگریز ساخته شود، با ریختن آب روی آن خیس نخواهد شد. در انیمیشن زیر می‌توانید کفشی را ببینید که با استفاده از چنین سطحی ساخته شده است.

آبگریز

در صورت علاقه‌مندی به مباحث مرتبط در زمینه مهندسی مکانیک و شیمی، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

بر اساس رای ۱۴ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

«مجید عوض‌زاده»، فارغ‌ التحصیل مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسی مکانیک از دانشگاه تهران است. فیزیک، ریاضیات و مهندسی مکانیک از جمله مباحث مورد علاقه او هستند که در رابطه با آن‌ها تولید محتوا می‌کند.

2 نظر در “سطح آبگریز (Hydrophobic Surface) چیست؟ — به زبان ساده

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *