سطح آبگریز (Hydrophobic Surface) چیست؟ — به زبان ساده

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.

فیلم آموزش شیمی عمومی در فرادرس

کلیک کنید

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.

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.

فیلم آموزش مکانیک سیالات ۱ در فرادرس

کلیک کنید

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

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  *θ_CB تبدیل می‌شود. در حقیقت رابطه زاویه تماس در این حالت، به‌شکل زیر است:

Cos θ_CB * = 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.

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

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.

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

• مجموعه آموزش‌های مهندسی مکانیک
• دروس مهندسی مکانیک
• مجموعه آموزشی دروس مهندسی شیمی
• آنتروپی — از صفر تا صد
• مجموعه آموزشی نرم افزارهای مهندسی مکانیک