น้ำกลิ้งบนใบบัว เป็นปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่เราสามารถพบเห็นได้เมื่อเรานำน้ำหยดลงไปที่บริเวณพื้นผิวของใบบัวจะพบว่าน้ำจะไม่มีการซึมผ่านหรือตกค้างให้ใบบัวเปียกและนอกจากนี้หยดน้ำที่สังเกตเห็นยังไม่ไหลกระจายไปทั่วพื้นผิวของใบบัวแต่หยดน้ำจะมีรูปร่างกลมและกลิ้งไปบริเวณตรงกลางของใบบัวหรือเราจะเรียกได้ว่าปรากฏการณ์นํ้ากลิ้งบนใบบัว (Lotus effect)
นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาใบบัวโดยการใช้กล้อง Scanning Electron Microscope (SEM)ส่องที่ผิวของใบบัวพบว่า ผิวหน้าของใบบัวประกอบด้วยโครงสร้างขนาดเล็กคล้ายหนามเป็นปุ่มแท่งเล็กๆ(micropapilla) จำนวนมหาศาลและมีการกระจายตัวอย่างเป็นระเบียบ โดยปุ่มแท่งเล็กๆ (papilla) แต่ละอันมีความเล็กขนาดนาโนเมตร papilla เหล่านี้ส่งผลให้ผิวด้านหน้าของใบบัวมีลักษณะขรุขระเมื่อหยดน้ำตกลงมากระทบใบบัว ทำให้พื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างน้ำกับใบบัวนั้นน้อยมาก จึงทำให้หยดน้ำบนใบบัวมีการกลิ้งเป็นลักษณะดังกล่าว นอกจากโครงสร้างของใบบัวที่นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการศึกษาแล้วยังมีสมบัติอื่นๆ ของใบบัวที่สามารถนำมาอธิบายปรากฏการณ์ดังกล่าวโดยสามารถนำความรู้ที่ได้มาศึกษาและต่อยอดในการประยุกต์ใช้ให้เข้ากับการพัฒนาคุณสมบัติของวัสดุ,ประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยีชีวภาพโดยการเลียนแบบพฤติกรรมของธรรมชาติ
ที่มาภาพ: www.freepik.com
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) ทำให้ทราบว่าโครงสร้างของใบบัวมีลักษณะโครงสร้างลำดับขั้น (hierarchical structure) โดยพบว่าพื้นผิวประกอบไปด้วยความขรุขระระดับไมโครเมตรเป็นปุ่มแท่งเล็กๆ (micropapillar) โดยที่แท่งเหล่านี้ถูกปกคลุมด้วยโครงสร้างแตกกิ่งแบบละเอียดระดับนาโนเมตรโดยมีเส้นผ่าศูนย์กลางเฉลี่ยประมาณ 125 นาโนเมตร ทำให้พื้นผิวมีลักษณะที่สังเกตด้วยตาเปล่าเหมือนแว็กซ์ มุมสัมผัส (contact angle) กับน้ำมีค่ามากว่า 150 ซึ่งทำให้เกิดลักษณะที่เรียกว่าความไม่ชอบน้ำยิ่งยวดการ micropapilla เป็นจำนวนมากจะเกิดอากาศที่บริเวณช่องว่างระหว่างปุ่มทำให้เกิดการเพิ่มของมุมสัมผัส จึงทำให้น้ำที่ตกลงมาบนใบบัวมีพื้นที่สัมผัสน้อยมาก และไม่สามารถซึมผ่าน หรือกระจายตัวแผ่ขยายออกในแนวกว้างบนใบบัวได้ ดังนั้นน้ำจึงต้องม้วนตัวเป็นหยดน้ำขนาดเล็กกลิ้งไปรวมกันอยู่ที่บริเวณที่ต่ำที่สุดบนใบบัว นอกจากนี้สิ่งสกปรกทั้งหลายไม่ว่าจะเป็นผงฝุ่น เชื้อแบคทีเรีย และเชื้อรา ก็ไม่สามารถเกาะติดแน่นอยู่กับใบบัวได้เช่นเดียวกัน เพราะว่ามีพื้นที่สัมผัสกับใบบัวได้แค่เพียงบริเวณปลายยอดของหนามเล็ก ๆ แต่ละอันเท่านั้น ดังนั้นเมื่อเวลาที่มีน้ำตกลงมาสิ่งสกปรกที่ เกาะอยู่บนใบบัวก็จะหลุดติดไปกับหยดน้ำอย่างง่ายดายจึงทำให้ใบบัวสะอาดอยู่ตลอดเวลา
ที่มาภาพ: www.freepik.com
พื้นผิวใบบัวมีสมบัติไม่ชอบนํ้ายิ่งยวด (superhydrophobic) เป็นลักษณะพิเศษของพื้นผิวเพื่อขับไล่หรือป้องกันหยดน้ำ พื้นผิวมีคุณสมบัติเป็นพื้นผิว superhydrophobic เฉพาะในกรณีที่พื้นผิวมีมุมสัมผัสสูง high 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
พื้นผิวทำความสะอาดตัวเองคือพื้นผิวที่สามรถทำความสะอาดตัวเองได้เนื่องจากการเกาะตัวของของเหลวที่เกือบจะเป็นก้อนกลม เมื่ออนุภาคของเหลวหรือน้ำหยดลงมาบนพื้นผิวก็จะไหลออกไปไม่เกาะติด และกวาดเอาอนุภาคฝุ่นและคราบสกปรกบนพื้นผิวอออกไปด้วย โดยอาศัยหลักการ ความไม่ชอบน้ำแบบยิ่งยวด (Superhydrophobic surface) ซึ่งฟังก์ชันการทำความสะอาดตัวเองของพื้นผิวได้รับแรงบันดาลใจปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ เช่น การทำความสะอาดตัวเองของใบบัว (Lotus Effect) โดยพื้นผิวของใบบัวที่เกิดปรากฏการณ์ไม่ชอบน้ำแบบยิ่งยวดเพราะ โครงสร้างทางกายภาพ (Physical structure) ของใบบัว มีลักษณะที่ขรุขระเป็นปุ่มหรือแท่งเล็กๆ ในระดับนาโนเมตร (Nanometer) การมีปุ่มหรือแท่งเล็กๆ จำนวนมากจะเกิดอากาศที่บริเวณช่องว่างระหว่างปุ่ม ทำให้หยดน้ำเกิดการฟอร์มตัวที่มีลักษณะใกล้เคียงกับทรงกลมเกิดการไม่เกาะติดบนพื้นผิวทำให้สามารถกลิ้งไปมาได้
หลักการของพื้นผิวทำความสะอาดตัวเอง คือความชอบน้ำยิ่งยวด (Hydrophilic) และความไม่ชอบน้ำยิ่งยวด (Superhydrophobic) โดยที่มุมสัมผัสของพื้นผิวและความขรุขระของพื้นผิวจำทำให้เกิดโครงสร้างของพื้นผิวที่ไม่ชอบน้ำ ทำให้สิ่งสกปรกมีพื้นที่ผิวสัมผัสน้อยลง โดยการที่น้ำอยู่บนพื้นผิวใดๆ และการที่พื้นผิวมีความขรุขระให้เกิดการไม่ชอบการน้ำ รูปร่างของหยดแสดงให้เห็นว่าน้ำมีการยึดเกาะกับพื้นผิวมากน้อยเพียงใด โดยสามารถวัดได้จากมุมสัมผัสระหว่างพื้นผิวกับของเหลว มุมสัมผัสดังกล่าว สามารถมาอธิบายเกี่ยวกับหลักการความเปียกน้ำและไม่เปียกน้ำของพื้นผิวได้หยดน้ำบนพื้นผิวที่มีมุมสัมผัสน้อยกว่า 90° เรียกว่ามีการเปียกผิวที่ดี (good wetting) แต่ถ้าหยดน้ำบนพื้นผิวมีมุมมากกว่า 90° จะ เป็นการเปียกบนพื้นผิวของแข็งที่ไม่ดี (bad wetting) การยึดเกาะของอนุภาคของเหลวกับพื้นผิวโดยของเหลวจะสัมผัสกับพื้นผิวทุกส่วนทั้งในที่สูงสุดและต่ำสุดของพื้นผิวที่ขรุขระการ สัมผัสแบบ Wenzel หยดน้ำกับพื้นผิวไม่แยกจากกัน สามมารถอธิบายได้โดยสมการนี้ เมื่อมุมสัมผัสมีค่าน้อยจนเข้าสู่ศูนย์จะเกิดความชอบน้ำยิ่งยวดหรือเมื่อมุมสัมผัสเข้าใกล้ 180° จะเกิดความไม่ชอบน้ำยิ่งยวด โดยทั่วไปพื้นผิวที่มีมุมสัมผัสของหยดน้ำน้อยกว่า 90° ถูกพิจารณาว่าเป็นพื้นผิวแบบชอบน้ำและ เกิดการเปียกผิวที่ดี เป็นพื้นผิวที่มีขั้วและมีการเกิดพันธะ ไฮโดรเจนกับน้ำ ในขณะที่มุมสัมผัสของหยดน้ำมากกว่า 90° เป็น พื้นผิวแบบไม่ชอบน้ำซึ่งเป็นพื้นผิวที่ไม่มีขั้วและเกิดการเปียกผิวที่แย่ อนุภาคของเหลวพื้นผิวแบบชอบน้ำยิ่งยวดจะเกิดการกระจายตัวไปทั่วพื้นผิว แต่ที่พื้นผิวแบบไม่ชอบน้ำยิ่งยวดน้ำจะเกิดการก่อตัวเป็นหยดเม็ดเล็กๆ เพื่อลดพื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างของแข็งและของเหลว
ที่มาภาพ: www.freepik.com
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 จะมีรูปร่างเป็นรูปทรงหยดน้ำค้างพื้นผิวทำความสะอาดตัวเองคือพื้นผิวที่สามรถทำความสะอาดตัวเองได้เนื่องจากการเกาะตัวของของเหลวที่เกือบจะเป็นก้อนกลม เมื่ออนุภาคของเหลวหรือน้ำหยดลงมาบนพื้นผิวก็จะไหลออกไปไม่เกาะติด และกวาดเอาอนุภาคฝุ่นและคราบสกปรกบนพื้นผิวอออกไปด้วย โดยอาศัยหลักการ ความไม่ชอบน้ำแบบยิ่งยวด (Superhydrophobic surface) ซึ่งฟังก์ชันการทำความสะอาดตัวเองของพื้นผิวได้รับแรงบันดาลใจปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ เช่น การทำความสะอาดตัวเองของใบบัว (Lotus Effect) โดยพื้นผิวของใบบัวที่เกิดปรากฏการณ์ไม่ชอบน้ำแบบยิ่งยวดเพราะ โครงสร้างทางกายภาพ (Physical structure) ของใบบัว มีลักษณะที่ขรุขระเป็นปุ่มหรือแท่งเล็กๆ ในระดับนาโนเมตร (Nanometer) การมีปุ่มหรือแท่งเล็กๆ จำนวนมากจะเกิดอากาศที่บริเวณช่องว่างระหว่างปุ่ม ทำให้หยดน้ำเกิดการฟอร์มตัวที่มีลักษณะใกล้เคียงกับทรงกลมเกิดการไม่เกาะติดบนพื้นผิวทำให้สามารถกลิ้งไปมาได้นำหลักการนํ้ากลิ้งบนใบบัว มาใช้ในการสังเคราะห์พื้นผิวไม่เปียกนํ้า โดยการผลิตสารเคลือบผิวจากวัสดุนาโนที่มีสมบัติไม่ชอบนํ้าอย่างยิ่งยวด เพื่อใช้เคลือบพื้นผิวชนิดต่างๆ เช่น เคลือบผิวเซรามิค กระดาษ ผ้า และไม้ เป็นต้น
การประยุกต์ใช้งาน
การประยุกต์ใช้งานจากคุณสมบัติของดอกบัว ได้แก่ การทำความสะอาดตัวเอง ไม่ชอบน้ำ ลดการติดเชื้อเนื่องจากเชื้อรา สามารถใช้ประโยชน์จากผิวงานและขนาดระดับนาโนเมตร เช่น เส้นใยสำหรับเสื้อผ้า ผ้ากันน้ำ ทนทานต่อการซึมผ่านของน้ำ มักใช้ผ้าธรรมชาติ,ผ้าสังเคราะห์ ที่มีการเคลือบด้วยวัสดุกันซึม เช่น ยาง โพลิไวนิลคลอไรด์(PVC) ซิลิโคนยาง ผลิตภัณฑ์คือ เสื้อกันฝน เรือยาง เป็นต้น
อ้างอิง
