กลิ้งไว้ก่อน  ธรรมชาติสอนไว้
สมศร สิงขรัตน์

หลายคนเมื่อมีโอกาสได้อยู่ใกล้ต้นบอนสี ซึ่งเป็นไม้ประดับที่นิยมปลูกกันทั่วไป เช่น สาวน้อยประแป้ง หรือ ถุงเงิน-ถุงทอง ฯลฯ มักอดไม่ได้ที่จะนึกสนุกทำหยดน้ำกลิ้งบนใบบอนเล่น ในใจก็จะรู้สึกทึ่งไปด้วยว่าทำไมหยดน้ำประมาณขนาดเม็ดถั่วเหลืองบนใบบอน จึงเกือบกลมได้ถึงขนาดนั้น ไม่เห็นเหมือนกับหยดน้ำบนใบมะม่วงเลย ปรากฏการณ์นี้พบเห็นได้บนใบบัวเช่นกัน ฝรั่งรู้จักบัวมากกว่า บอนกระมัง เลยเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า “Lotus effect” โดยเชื่อกันว่าเป็นพรสวรรค์ที่ธรรมชาติให้มาเป็นการเฉพาะเพื่อที่ผิวใบของ พืชประเภทนี้จะกลับสะอาดขึ้นมาใหม่ได้เพียงแต่ฝนตกใส่ (ไม่ต้องพึ่งเด็กปั๊มคอยเช็ดให้) เพราะเมื่อหยดน้ำฝนกลิ้ง (ไม่ใช่ไถล) ผ่านไปก็จะนำเม็ดฝุ่นผงติดไปด้วย (รูปที่1) แต่ใบไม้อีกหลายๆ ชนิดก็ไม่ได้มีคุณสมบัตินี้ มันต่างกันตรงไหน ?

 

รูปที่ 1  การ “กลิ้ง”  ของหยดน้ำจะช่วยทำให้ใบสะอาดขึ้น  สามารถรับ พลังงานจากแสงอาทิตย์ได้เต็มที่(โปรดดูรูปสี
ที่หน้า 28)

วัสดุสังเคราะห์ ใกล้ๆตัวที่มีอาการ“เกลียดน้ำ (hydrophobic)” อย่างชัดเจน ก็ได้แก่ ถุงพลาสติกใสใส่อาหาร หรือ กระดาษไข ( wax paper) ที่ใช้รองก้นถาดทำขนม ซึ่งหยดน้ำก็เคลื่อนที่ได้คล่องบนผิวของวัสดุทั้งสองแต่รูปทรงของหยดน้ำกลับแตกต่างจาก กรณีของใบบัว มาก ดรรชนีชี้วัดความแตกต่างตัวหนึ่ง คือค่า contact angle  (รูปที่ 2)ซึ่งจะขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวกลางที่ เกี่ยวข้องดัง สมการต่อไปนี้

                         (1)

รูปที่ 2  แผนภาพแสดงการคิดค่า contact angle  ผิวใดที่มีค่า
มากกว่า 150 องศา ถือว่ามีคุณสมบัติซูเปอร์เกลียดน้ำ
(superhydrophobic)

เมื่อ  คือ ค่าความตึงผิว (พลังงานต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่) ตรงผิวรอยต่อระหว่างตัวกลางของแข็ง (S) กับแก๊ส (G) ,ของแข็งกับของเหลว (L)  และของเหลวกับแก๊ส ตามลำดับ ซึ่งเป็นสมการที่คิดไว้ให้โดยนักฟิสิกส์ยอดอัจฉริยะ Thomas Young (คศ. 1773 – 1829) ตั้งแต่เมื่อปี คศ. 1805 แต่เป็นเฉพาะกรณีวัตถุผิวเรียบและสภาพเคมีของผิวมีความสม่ำเสมอเท่านั้น มุม  ยิ่งเข้าใกล้ 180 องศามากเท่าใด หยดน้ำก็ยิ่งกลมมากขึ้นเท่านั้นสาเหตุของคุณลักษณะเกลียดน้ำ เช่นที่กล่าวถึงอยู่ใน “เรื่องเด่นประจำฉบับ (หน้า 6)” อาจเป็นในทำนองเดียวกับกรณีกระดาษไขแต่ธรรมชาติยังรังสรรค์ให้ใบบัวมีลูกเล่นพิเศษชนิด ที่รู้แล้วจะต้องทึ่งผู้ริเริ่มนำความอัศจรรย์ของน้ำกลิ้งบนใบบัวมาศึกษาอย่างเป็นวิทยาศาสตร์เป็นคนแรกๆ คือ ศาสตราจารย์ W. Barthlott กับ C. Neinhuis สองนักพฤกษศาสตร์แห่ง University of Bonn ประเทศเยอรมันนี (คศ. 1997) หลังจากนั้นก็มีผู้สนใจตาม มาอีกมากมาย เพราะกลายเป็นมีศักยภาพเชิงประยุกต์ที่น่าสนใจ จากการส่องดูด้วยกล้องจุลทรรศน์ อิเล็กตรอนพบว่าผิวของใบบัวที่มีคุณสมบัติเกลียดน้ำระดับหนึ่งอยู่แล้ว ยังมีลักษณะเป็นปุ่มปมดังแสดงในรูปที่ 3  ด้วย สภาพความเป็นปุ่มปมนี้เองที่เกิดผลปรากฏดังแสดงในรูปที่ 4 ซึ่งทำให้ความเกลียดน้ำถูกขยายผลเพิ่มขึ้น ตามสมการ

    (2)

จากกฎของ A.B.D Cassie (คศ. 1944) โดย  คือ อัตราส่วนของพื้นที่ระหว่างของแข็งกับของเหลวตรงบริเวณรอยต่อและ   คือค่า contact angle ตามสมการของ Young (สมการที่ 1) โดยปกติ มีค่าน้อยกว่า 1 ดังนั้น จึงย่อมมีค่ามากกว่า

 

รูปที่ 3  ภาพถ่ายขยายผิวใบบัวด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
แบบ SEM จะเห็นว่ามีปุ่มขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ
10 ไมครอน (0.01 มม.) กระจายอยู่ทั่วไป บนปุ่มยังมีขน
ขนาดประมาณ 1 ไมครอนอีกด้วย

รูปที่ 4  ลักษณะของหยดน้ำบนผิวเกลียดน้ำที่ไม่เรียบ

จากความรู้ที่ธรรมชาติให้มานี้ มีผู้พยายามนำไปสร้างผิวสังเคราะห์ที่สามารถสะอาดได้เอง(self-cleaning) โดยเพียงแต่ถูกสัมผัส ด้วยฝอยละอองน้ำ ดังแสดงในรูปที่ 5 เช่น คณะนักวิจัยญี่ปุ่นที่ Research Center for Advanced Science and Technology ของ University of Tokyo นำโดย Kazuhito Hashimoto (คศ. 2000) ใช้วิธีเคลือบผิวกระจกใสด้วยฟิล์มบาง boehmite – TiO2 ซึ่งยังคงสภาพความโปร่งแสง แต่มีคุณสมบัติซูเปอร์เกลียดน้ำเพิ่มเข้ามา ที่สามารถคงทนสภาพอยู่ได้นาน แม้นำไปใช้ภายนอก อาคาร ส่วนบริษัทเคมีภัณฑ์ BASF ของเยอรมันคิดจะทำออกมาเป็นเหมือนสีสเปรย์ สามารถฉีดพ่นลงบนผิวของวัสดุได้ แทบทุกชนิด เช่น กระดาษ, หนัง, สิ่งทอ, อิฐ, ไม้ ฯลฯ ซึ่งเมื่อแห้งจะทิ้งคราบโครงสร้างปุ่มปมบนผิวนั้นด้วย ทำให้มีคุณสมบัติของ “lotus effect” ที่สมบูรณ์และสามารถอยู่ได้ทนเป็นปีจนกว่าจะต้องสเปรย์ซ้ำ อย่างนี้แล้วทำให้ผมเกิดความหวังว่าคง ได้มีโอกาสใส่รองเท้าหนังที่ไม่ต้องขัดในอนาคตอันไม่ไกลนัก ไม่ชอบเวลาที่ต้องล้างคราบยาขัดรองเท้าออกจากมือเลย

 

รูปที่ 5  การที่ผิวมีสภาพเป็นปุ่มปมที่มีขนทำให้ผิวสัมผัสของฝุ่น
กับวัตถุน้อยลงมาก (โดยปกติฝุ่นจะมีขนาดใหญ่กว่าปุ่ม
ความยาวของ เส้นสีขาวเทียบเท่ากับ 50 ไมครอน)
เมื่อมีหยดน้ำ กลิ้งมาทับก็รักที่จะไปเกาะอยู่กับหยดน้ำ
แทน ดังแสดงในรูปวาดขวามือ ต่างกับกรณีรูปวาดซ้ายมือ
ที่หยดน้ำไม่กลม ก็จะไม่สามารถช่วยทำความสะอาดผิวได้