سطح آب گریز

آب گریزی (Hydrophobia) قابلیت مقاومت یک ماده در برابر خیس شدن می باشد. سطوحی که آب دوست یا هیدروفیل می باشند، تمایل بسیار بالایی در خیس شدن دارند. از آنجایی که مواد آب گریز عمدتاً حاوی مولکولهای غیرقطبی می باشند، تمایل بر حل شدن در حلالهای غیرقطبی دارند. ولی مولکولهای آب قطبی می باشند. به همین دلیل مولکولهای غیر قطبی مواد آب گریز در مولکولهای قطبی آب حل نمی شوند.

آلکانها، نفت و چربیها از مشهورترین و معروفترین مواد غیرقطبی و آب گریز می باشند. همگان می دانند که چربی در آب حل نمی شود. لذا این مفهوم به «چربی دوستی» (Lipophilicity) معروف شده است. آب دوستی و چربی دوستی دو مفهومی هستند که غالباً با هم در تقابل می باشند.

با وجود اینکه بیشتر مواد آب گریز چربی دوست می باشند، اما موادی نیز وجود دارند که علی رغم آب گریزی، چربی دوست نیستند. از جمله این مواد می توان به فلوئوروکربن‌ها و سیلیکون‌ها اشاره نمود. اما نکته مهم و قابل توجه این است که مهمترین عاملی که آب گریزی یک سطح را تعیین می کند، میزان کشش سطحی 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 دارد که به سختی با آب خیس و مرطوب می شوند. به عنوان مثال زاویه تماس گیاه نیلوفر آب حدوداً 150 درجه می باشد. در واقع این سطح یک سطح فوق آب گریز محسوب می شود. سطوح فوق آب گریز سطوحی می باشند که زاویه تماس آنها با آب بیشتر از 150 درجه است. در برخی منابع به این اثر، «اثر لوتوس» (Lotus Effect) گفته می شود. در شکل زیر چگونگی قرارگیری یک قطره آب را بر روی گیاه نیلوفرآبی نشان داده شده است.

در بیشتر موارد ایجاد آب گریزی با تغییرات شیمیایی صرف امکان پذیر نمی باشد. گاهاً لازم است با ایجاد تغییرات فیزیکی در سطح، آن را آب گریز نمود. در این نوشته تلاش می شود، روش آب گریز نمودن سطوح را از طریق ایجاد تغییرات فیزیکی بیان شود.

مفاهیم تئوری آب گریزی

اولین بار در سال ۱۸۰۵، «توماس یانگ» (Thomas Young)،‌ فیزیکدان انگلیسی قرن هجدهم و نوزدهم،‌ 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.

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.

نوشتار مرتبط

• نانوپوششهای آب گریز
• محصولات آب گریز سنگ و بلوک ایران
• مقاوم نمودن نمای شسته در برابر رطوبت

منابع و مآخذ

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

 

کارگاه سنگ و بلوک ایران مرکز پخش و عرضه کننده انواع پودر سنگ، پودر سنگ جوشقان، سنگهای دانه بندی شده و سنگهای تزئینی می باشد.

کیسه های پودر سنگ در بسته بندی های 30 کیلوگرمی عرضه می شود.

محصولات به تمامی نقاط کشور بنا به درخواست مشتری ارسال می گردد.

مدیریت فروش: یحیی حامدی

تماس با ما: