Theory and Application to Artificial Self-Cleaning Surfaces เพ็ญวิสาข พิสิฏฐศักดิ์1

ว.วิทย. มข. 40(3) 750-771 (2555) KKU Sci. J. 40(3) 750-771 (2012)

ปรากฏการณ น้ํากลิ้งบนใบบัว: ทฤษฎีและการประยุกต ใช2เพื่อสร2างพื้นผิวที่ทําความสะอาดตัวเองได2 The Lotus Effect: Theory and Application to Artificial Self-Cleaning Surfaces เพ็ญวิสาข พิสิฏฐศักดิ์1

บทคัดยQอ นักวิทยาศาสตรนําเอาองคความรูที่ไดจากการศึกษาปรากฏการณน้ํากลิ้งบนใบบัว (lotus effect) มา พัฒนาพื้นผิวใหมีคุณสมบัติพิเศษโดยอาศัยการเลียนแบบพื้นผิวของใบบัว ทําใหไดเป8นพื้นผิวที่ทําความสะอาด ตัวเองได (self-cleaning surface) พื้นผิวดังกล@าวจะสามารถทําความสะอาดไดง@ายและคงความสะอาดไวได ยาวนานกว@าพื้นผิวทั่วไป หลักการพัฒนาพื้นผิวเลียนแบบใบบัวทําไดโดยทําใหพื้นผิวที่สนใจขรุขระและมีโครงสราง ไม@ชอบน้ํา ซึ่งสิ่งสกปรกจะมีพื้นที่สัมผัสกับพื้นผิวไดนอยทําใหไม@สามารถยึดเกาะบนพื้นผิวนั้นไดและจะหลุดติดไป กับหยดน้ําที่กลิ้งผ@าน พื้นผิวเลียนแบบใบบัวจะมีคุณสมบัติสะทอนน้ํายิ่งยวด นั่นคือมีค@ามุมสัมผัสเชิงสถิตมากกว@า 150º และหยดน้ําตองสามารถกลิ้งบนพื้นผิวดวยมุมเอียงพื้นผิวนอยกว@า 10º แบบจําลองเบื้องตนที่ใชอธิบายการ เปIยกผิวและมุมสัมผัสของหยดของเหลวบนพื้นผิวขรุขระไดแก@แบบจําลองของแคเซีย-แบ็กซเทอร (Cassie- Baxter’s model) ใชสําหรับพื้นผิวที่มีช@องอากาศแทรกอยู@ในร@องความขรุขระภายใตหยดของเหลว ส@วน แบบจําลองของเวนเซล (Wenzel’s model) ใชสําหรับพื้นผิวขรุขระที่ไม@มีช@องอากาศ เมื่อเทียบระหว@าง แบบจําลองทั้งสอง หยดน้ําที่อยู@ในสภาวะแคเซีย-แบ็กซเทอรจะสามารถกลิ้งไปบนพื้นผิวไดง@ายกว@า อย@างไรก็ตามมี การรายงานว@าหยดน้ําในสภาวะแคเซีย-แบ็กซเทอรสามารถเปลี่ยนไปสู@สภาวะเวนเซลได ปTจจุบันงานวิจัยและ พัฒนาผลิตภัณฑที่ทําความสะอาดตัวเองไดโดยการเลียนแบบผิวใบบัวถูกผลักดันสู@เชิงพาณิชยอย@างกวางขวาง และ ยังมีผูใหความสนใจศึกษาพัฒนาเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของพื้นผิวดังกล@าวอย@างต@อเนื่อง

1ภาควิชาวิทยาศาสตรและเทคโนโลยีสิ่งทอ คณะวิทยาศาสตรและเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร อ.คลองหลวง จ.ปทุมธานี 12121 E-mail: [email protected]

บทความ วารสารวิทยาศาสตร มข. ปIที่ 40 ฉบับที่ 3 751

ABSTRAT Scientists have learned to apply the concept of the “lotus effect” to develop surfaces with special properties, i.e. those capable of cleaning themselves. The self-cleaning surfaces can be cleaned more easily, and will remain unsoiled longer than simple surfaces. To mimic a surface of a lotus leaf, the surface of interest must be rough and hydrophobic. Dirt particles with an extremely reduced contact area are picked up by water droplets and are thus easily washed away, leaving the surface clean. All lotus-like surfaces are superhydrophobic having a static contact angle greater than 150 ° and a water roll-off angle less than 10 °. Two fundamental models that describe the contact angle of liquid with a rough surface are: first, the Cassie- Baxter’s model for a rough surface with air pockets present between the solid and the liquid; and the Wenzel’s model for a rough surface without air pockets. Comparing between these two models, the water droplet in a Cassie-Baxter state can roll-off more easily. However, the transitions from a Wenzel state to a Cassie–Baxter state have been reported. Currently, the research on self-cleaning surfaces based on the lotus effect becomes more significant to both academic fields and industrial applications.

คําสําคัญ: การเปIยกผิว ปรากฏการณน้ํากลิ้งบนใบบัว พื้นผิวเลียนแบบใบบัว พื้นผิวทําความสะอาดตัวเองได พื้นผิวสะทอนน้ํายิ่งยวด Keywords: Lotus-like surface, Lotus effect, Self-cleaning surface, Superhydrophobicity, Wetting phenomenon

บทนํา พื้นผิวของพืชบางชนิดในธรรมชาติ เช@นใบบัว พื้นผิวทําความสะอาดตัวเองได (self- (Nelumbo Nucifera ) ที่แมจะนําขึ้นมาจากน้ําโคลนก็ cleaning surface) คือพื้นผิวที่ทําความสะอาดไดง@าย ยังคงความสะอาดไวได ดวยเหตุนี้บัวจึงกลายมาเป8น คงความสะอาดไวไดยาวนาน จึงไม@ตองการการลางทํา สัญลักษณของความบริสุทธิ์สําหรับพุทธศาสนิกชน แม ความสะอาดบ@อย ๆ ซึ่งจะช@วยลดการใชน้ํา พลังงาน มนุษยจะสังเกตเห็นปรากฏการณลักษณะนี้มานานกว@า และสารเคมีในการทําความสะอาด ทําใหผูบริโภค สองพันปIแลว แต@ความเขาใจเกี่ยวกับปรากฏการณ ประหยัดเวลาและค@าใชจ@าย อีกทั้งยังเป8นการรักษา ดังกล@าวเพิ่งเริ่มขึ้นเมื่อเขาสู@ช@วงคริสตศักราช 1970 ที่มี สิ่งแวดลอม หลักการหนึ่งที่ใชประดิษฐพื้นผิวทําความ การประดิษฐกลองจุลทรรศนอิเล็กตรอนแบบส@องกราด สะอาดตัวเองได คือการทําใหพื้นผิวมีความสามารถ กําลังขยายสูง (high-resolution scanning electron สะทอนน้ํายิ่งยวด (superhydrophobicity) และมีค@า microscope) ซึ่งต@อมา ดร.วิลเฮลม บารทโลทท ฮิสเตอรรีซิสของมุมสัมผัส (contact angle (Wilhelm Barthlott) และคณะวิจัย (Barthlott and hysteresis) ต่ํา ซึ่งหลักการนี้ไดมาจากการเลียนแบบ Ehler,1977; Barthlott and Neinhuis, 1997) ได

752 KKU Science Journal Volume 40 Number 3 Review

นํามาใชในการศึกษาพื้นผิวของใบบัว รวมทั้งพืชชนิด นักวิทยาศาสตรไดนําเอาแรงบันดาลใจจาก อื่น ๆ พวกเขาไดพบลักษณะร@วมที่ช@วยใหพืชเหล@านี้ทํา ปรากฏการณแบบใบบัวมาใชในการประดิษฐหรือดัด ความสะอาดตัวเองได และเรียกปรากฏการณเช@นนี้ว@า แปรผิว (surface modification) ใหไดพื้นผิวที่สามารถ “ปรากฏการณน้ํากลิ้งบนใบบัว (lotus effect)” ทําความสะอาดตัวเองได ปTจจุบันมีผูใหความสนใจ Barthlott และคณะ จดสิทธิบัตรการคนพบพื้นผิวทํา เกี่ยวกับพื้นผิวสะทอนน้ํายิ่งยวดอย@างกวางขวาง โดยมี ความสะอาดตัวเองไดแบบใบบัวในปI 1998 โดยอธิบาย การพัฒนาสารเคลือบผิว สีทาบาน แผ@นมุงหลังคา สิ่ง ว@าเพราะผิวของใบบัวไม@ชอบน้ํา (hydrophobic ทอ และพื้นผิวอื่น ๆ โดยส@วนใหญ@จะใชสารเคมีที่มี surface) และมีความขรุขระในระดับไมโครเมตรและ ส@วนผสมของฟลูออรีน หรือใชสารพวกซิลิโคนเคลือบ ระดับนาโนเมตร ทําใหหยดน้ําฝนที่ตกลงมาไม@เปIยกผิว บนพื้นผิวขรุขระ หรือผสมอนุภาคเล็ก ๆ ลงไปดวย ใบ แต@จะเป8นหยดกลมกลิ้งพาเอาสิ่งสกปรกต@าง ๆ หลุด ตัวอย@างผลิตภัณฑทางการคา ไดแก@ สีทานอกอาคาร ออกจากผิวใบไปอย@างง@ายดาย (รูปที่ 1a-1d) ซึ่ง สเปรยเคลือบผิว และผากันน้ํา เป8นตน

(a) (b)

(c) (d) รูปที่ 1 (a) ตัวอย@างใบบัว (ที่มา: Cannavale et al., 2010); (b) ลักษณะของหยดน้ําบนใบบัว (Guo and Liu, 2007); (c) พาพิลลาจํานวนมากบนพื้นผิวใบบัว (Nosonovsky and Bhushan, 2007); (d) ภาพขยาย ของไขที่อยู@บนพาพิลลา (Guo and Liu, 2007)

ปรากฏการณ น้ํากลิ้งบนใบบัว wax crystals) ซึ่งโดยธรรมชาติสารประเภทนี้จะไม@ ใบบัวมีพื้นผิวที่ขรุขระประกอบดวยปุมเล็ก ๆ ชอบน้ํา (รูปที่ 1d) การมีโครงสรางความขรุขระระดับ เรียกว@าพาพิลลา (papilla) ขนาดเสนผ@านศูนยกลาง นาโนเมตร (ไข) อยู@บนโครงสรางระดับไมโครเมตร ประมาณ 10 ไมโครเมตร แต@ละปุมอยู@ห@างกัน 20-40 (พาพิลลา) เรียกว@ามีโครงสรางเชิงลําดับชั้น ไมโครเมตร บนปุมแต@ละปุมจะมีขนเล็ก ๆ เสนผ@าน (hierarchical structure) พื้นผิวที่มีโครงสรางลําดับ ศูนยกลางประมาณ 100 นาโนเมตร ขนเหล@านี้เป8น ชั้นจะมีพื้นที่สัมผัสยังผล (effective contact area) สารประกอบไฮโดรคารบอนประเภทไข (epicuticular กับหยดน้ําและสิ่งสกปรกนอยกว@าพื้นผิวเรียบและ

บทความ วารสารวิทยาศาสตร มข. ปIที่ 40 ฉบับที่ 3 753

พื้นผิวขรุขระระดับเดียว (รูปที่ 2a) หยดน้ําจะวางตัว ดวยแรงแวนเดอรวาลส (van der Waals forces) ซึ่ง เป8นหยดกลมอยู@บนยอดของความขรุขระ คลายกับโยคี เป8นแรงดึงดูดทางกายภาพที่ค@อนขางอ@อน (Chow, ที่นั่งอยู@บนเตียงตะปู ทําใหมีช@องว@างอากาศเป8นปริมาณ 2007) ขณะที่อนุภาคสิ่งสกปรกสามารถยึดติดกับน้ํา มากภายใตหยดน้ํา ดวยเหตุนี้ใบบัวจึงไม@เปIยกน้ํา การที่ ดวยแรงคะปลลารี (capillary forces) ซึ่งแข็งแรงกว@า ผิวใบบัวแหงอยู@เสมอทําใหเชื้อโรค (pathogen) เช@น แรงแวนเดอรวาลส (Pitois and Chateau, 2002; แบคทีเรีย สปอรของเชื้อรา ที่ตองพึ่งพาน้ําไม@สามารถ Reyssat et al., 2008) ดังนั้นเมื่อหยดน้ํากลิ้งผ@าน จะ ยึดเกาะกับผิวใบได (Bhushan and Jung, 2011) พาเอาอนุภาคสิ่งสกปรกหลุดออกไปดวย ซึ่งต@างจาก นอกจากนี้ความขรุขระยังทําใหอนุภาคสิ่งสกปรกต@าง ๆ พื้นผิวเรียบที่อนุภาคสิ่งสกปรกจะยึดเกาะกับพื้นไดดีจึง ไม@สามารถเกาะติดอยู@บนใบบัว เนื่องจากอนุภาคสิ่ง ไม@หลุดไปกับหยดของเหลว ดังรูปที่ 2b สกปรกจะมีแรงยึดติด (adhesion) กับผิวใบที่ขรุขระ

(a) (b) รูปที่ 2 (a) หยดของเหลวบนพื้นผิวแบบต@าง ๆ (Bhushan and Jung, 2011); (b) เปรียบเทียบการเคลื่อนที่ของ หยดของเหลวบนพื้นเอียงที่มีอนุภาคสิ่งสกปรกอยู@ ระหว@างพื้นผิวเรียบ กับพื้นผิวที่ขรุขระดวยโครงสราง แบบลําดับชั้น (ดัดแปลงจาก: Genzer and Efimenko, 2006)

จากงานวิจัยของ Cheng และคณะพบว@าเมื่อ สัตวในธรรมชาติอื่น ๆ กว@า 200 ชนิด เช@น ปIกผีเสื้อ ใชความรอนกําจัดเสนขนระดับนาโนเหล@านั้นออกไป ขนเป8ด และขาของจิงโจน้ํา ก็พบปรากฏการณแบบ จะทําใหสมบัติการทําความสะอาดตัวเองของใบบัว ใบบัวในโครงสรางลําดับชั้นเช@นเดียวกัน (Neinhuis ลดลงอย@างมาก โครงสรางลําดับชั้นจึงมีความสําคัญต@อ and Barthlott, 1997; Bhushan, 2009) นอกจากนี้ คุณลักษณะการทําความสะอาดตัวเองไดของใบบัว Su et al. (2006) ไดทําการทดลองและพบว@า ในพื้นผิว (Cheng et al., 2006) โดยมีผลการทดลองอื่น ๆ ที่ ไม@ชอบน้ํา (hydrophobic surface) ที่มีองคประกอบ สนับสนุนใหเชื่อว@าโครงสรางขรุขระแบบลําดับชั้นจะ ทางเคมีเหมือนกัน พื้นผิวที่ขรุขระเท@านั้นจึงจะแสดง ช@วยใหสมบัติสะทอนน้ํายิ่งยวดดีขึ้น (Gao and สมบัติแบบใบบัวได McCarthy, 2006a, 2006b) จากการสํารวจพืชและ

754 KKU Science Journal Volume 40 Number 3 Review

จากรายงานของ Koch และคณะ พบว@า มุม เหนือผิวหนาของเหลว โมเลกุล B จะไดรับแรงยึด สัมผัสเชิงสถิต (static contact angle) ของหยดน้ําบน เหนี่ยวจากโมเลกุลของอากาศดังแสดงโดยลูกศร ใบบัวมีค@าเท@ากับ 164 องศา และค@าฮิสเตอรรีซิสของ เสนประในรูป 3b แต@แรงนี้จะมีค@าต่ํากว@าแรงยึดเหนี่ยว มุมสัมผัสเท@ากับ 3 องศา (Koch et al., 2009) ซึ่งจะ จากโมเลกุลของเหลว ทําใหแรงลัพธที่โมเลกุล B ยังคง ไดกล@าวถึงในภายหลัง เป8นแรงดึงเขาสู@ภายในเนื้อของเหลว) เนื่องจากการเพิ่มพื้นที่ผิวหนาวัฏภาค แรงตึงผิวและพลังงานอิสระที่พื้นผิว ของเหลว จะตองมีการใชพลังงานเพื่อแยกโมเลกุล (Woodruff, 1973) ของเหลว A ที่อยู@ติดกันออกจากกัน ใหกลายเป8น แรงตึงผิว (surface tension) เกิดขึ้นจาก โมเลกุลที่ผิวหนา (โมเลกุล B) พลังงานที่ใชเรียกว@า ความไม@สมดุลกันของแรงยึดเหนี่ยวระหว@างโมเลกุล พลังงานอิสระที่พื้นผิว ดวยเหตุนี้โมเลกุล B ซึ่งเป8น เมื่อพิจารณาระบบที่มีวัฏภาคของเหลวกับวัฏภาค โมเลกุลที่ผิวหนาวัฏภาคของเหลวจะมีพลังงานส@วนเกิน อากาศ (รูปที่ 3) โมเลกุลที่อยู@ที่ผิวหนาของของเหลว เมื่อเทียบกับโมเลกุล A ที่อยู@ภายในของเหลว ของเหลว (โมเลกุล B) มีโมเลกุลของเหลวดวยกันลอมรอบอยู@นอย จึงมีแนวโนมที่จะพยายามใหมีจํานวนโมเลกุลแบบ B กว@าโมเลกุลที่อยู@ถัดเขาไปภายในของเหลว (โมเลกุล A) ใหนอยที่สุดเพื่อใหพลังงานของระบบต่ําที่สุด ซึ่งทําได หากพิจารณาในแง@ของแรงลัพธ โมเลกุล A จะถูกแรง โดยการลดพื้นที่ผิวของเหลวนั้นใหต่ําที่สุด ยึดเหนี่ยวจากโมเลกุลของเหลวโดยรอบ (ตามลูกศรเสน โดยสรุป พลังงานอิสระที่พื้นผิว คือพลังงานที่ ทึบ) เท@ากันในทุกทิศทาง ทําใหแรงลัพธที่กระทําต@อ ใชในการสรางพื้นที่ผิวเพิ่มขึ้นหนึ่งหน@วยที่อุณหภูมิและ โมเลกุล A เป8นศูนย แต@สําหรับโมเลกุล B ที่อยู@ที่ ความดันคงที่ สามารถแสดงไดในรูปพลังงานต@อหน@วย ผิวหนาของเหลวนั้น เนื่องจากเหนือผิวหนาขึ้นไปจะไม@ พื้นที่ของพื้นผิว (energy per unit surface area) มี 2 2 มีโมเลกุลของเหลวอยู@ แต@ยังมีโมเลกุลของเหลวที่อยู@ หน@วยเป8น mJ/m หรือ erg/cm และยังแสดงไดใน ภายในเนื้อของเหลวซึ่งยังส@งแรงยึดเหนี่ยวกับโมเลกุล B รูปแรงตึงผิว ซึ่งเป8นแรงตึงต@อหน@วยความยาวของเสน ทําใหเกิดแรงลัพธที่จะดึงโมเลกุล B เขาสู@ดานในเนื้อ รอยต@อระหว@างวัฏภาค ใชหน@วย dynes/cm หรือ ของเหลว (ตามลูกศรเสนทึบ) ดังนั้นผิวหนาของเหลวจึง mN/m แรงตึงผิวจะใชเมื่อกล@าวถึงการวัดพลังงาน พยายามหดตัวลง เกิดความตึงที่วัดค@าได เรียกว@า แรง ส@วนเกินที่พื้นผิวระหว@างของเหลวกับอากาศ แต@ถา ตึงผิว แรงตึงผิวจึงเป8นแรงที่ของเหลวพยายามลดพื้นที่ ระบบที่ศึกษาเป8นพื้นผิวระหว@างของเหลวกับของเหลว ผิว (surface area) ลง ดังนั้นถาไม@มีแรงกระทําจาก ที่ไม@เขากัน จะใชคําว@า interfacial tension ส@วนคําว@า ภายนอก หยดของเหลวจะมีรูปร@างเป8นทรงกลม ซึ่งเป8น surface free energy เป8นคําที่ไม@เจาะจง ใชไดกับทั้ง รูปร@างที่ใหพื้นที่ผิวต่ําที่สุด ณ ปริมาตรหนึ่ง ๆ (แมว@า พื้นผิวของเหลวและพื้นผิวของแข็ง

บทความ วารสารวิทยาศาสตร มข. ปIที่ 40 ฉบับที่ 3 755

(a) (b) รูปที่ 3 อธิบายการเกิดแรงตึงผิว (a) โมเลกุลภายในของเหลว (โมเลกุล A) มีแรงยึดเหนี่ยวโดยรอบกับโมเลกุล ของเหลวดวยกันทุกทิศทาง; (b) โมเลกุลที่ผิวหนาของเหลว (โมเลกุล B) มีบางส@วนที่สัมผัสกับอากาศ ทํา ใหมีแรงยึดเหนี่ยวกับโมเลกุลของเหลวดวยกันเองนอยลง ดวยเหตุนี้จึงทําใหโมเลกุลที่ผิวหนาของเหลว B มีพลังงานสูงกว@าโมเลกุลภายในของเหลว A (ดัดแปลงจาก: Bruus, 2008)

การเปYยกผิว (Sawhney, 2011) เชื่อมแน@นนอยกว@าแรงยึดติด ของเหลวมีแนวโนมจะ ความสามารถในการเปIยก (wettability) เปIยกของแข็ง ซึ่งระดับการเปIยกผิว (degree of เป8นสมบัติพื้นฐานอย@างหนึ่งของวัสดุ ซึ่งจะบอกถึง wetting) สามารถวัดไดโดยดูจากค@ามุมสัมผัสของ โครงสรางทางเคมี และลักษณะทางกายภาพของพื้นผิว ของเหลวบนพื้นผิวของแข็ง โดยมุมสัมผัสยิ่งนอยแสดง เช@น ความเรียบหรือขรุขระ ซึ่งตัวแปรทั้งสองต@างก็มีผล ว@าของเหลวเปIยกผิวของแข็งไดดี แต@หากของเหลวไม@ ต@อการเปIยกผิว (wetting) เปIยกผิวหรือเปIยกผิวไม@ดีจะไดค@ามุมสัมผัสที่สูง โดย การเปIยกผิวคือความสามารถของของเหลวที่ รายละเอียดจะไดกล@าวถึงในหัวขอมุมสัมผัส จะรักษาผิวสัมผัสกับของแข็ง ซึ่งเป8นผลมาจากการ แข@งขันระหว@างแรงสองประเภทที่เกิดขึ้นเมื่อของเหลว ความสัมพันธ ระหวQางการเปYยกผิวกับพลังงาน มาสัมผัสกับของแข็ง ไดแก@ ของพื้นผิว (de Gennes et al., 2004; Jiang and แรงยึดเหนี่ยวระหว@างโมเลกุลของของเหลว Feng, 2010) ดวยกัน เรียกว@า แรงเชื่อมแน@น (cohesive force) จะ พื้นผิวที่เป8นของแข็งนั้นแบ@งไดเป8นพื้นผิวที่มี ทําใหของเหลวพยายามหดตัวลงเป8นหยดกลม เพื่อลด พลังงานอิสระสูง กับพื้นผิวที่มีพลังงานอิสระต่ํา พื้นที่สัมผัสกับผิวของของแข็ง 1. พื้นผิวที่มีพลังงานอิสระสูง คือพื้นผิวของ แรงยึดเหนี่ยวระหว@างโมเลกุลของของเหลว ของแข็งที่มีพันธะเคมีที่มีความแข็งแรง เช@น พันธะ กับของแข็ง เรียกว@า แรงยึดติด (adhesive force) ซึ่ง โคเวเลนต (covalent bond) พันธะไอออนิก (ionic จะทําใหของเหลวพยายามแผ@ตัวออก เพื่อเพิ่มพื้นที่ bond) พันธะโลหะ (metallic bond) เมื่อพันธะเคมีที่ สัมผัสกับผิวของของแข็ง ยึดเหนี่ยวอยู@ภายในมีความแข็งแรงสูง ก็จะทําใหตองใช หากแรงเชื่อมแน@นมากกว@าแรงยึดติด พลังงานมากในการแยกส@วนของแข็งนั้นออกจากกัน ของเหลวมีแนวโนมจะไม@เปIยกของแข็ง แต@หากแรง เพื่อเพิ่มพื้นที่ผิว ค@าแรงตึงผิวของพื้นผิวประเภทนี้อยู@ที่

756 KKU Science Journal Volume 40 Number 3 Review

ประมาณ 500 – 5000 mN/m ไดแก@ โลหะ (metals) ฟลูออรีน ซึ่งพบว@าค@าพลังงานอิสระที่พื้นผิวเรียง ออกไซดของโลหะ (metal oxides) ซัลไฟดของโลหะ ตามลําดับจากสูงไปต่ําไดดังนี้

(metal sulfides) เกลืออนินทรีย (inorganic salts) -CH 2- > -CH 3- > -CF 2- > -CF 2H > -CF 3

แกว (glasses) และเซรามิกส (ceramics) เป8นตน หมู@ –CF 3 เป8นหมู@ที่มีพลังงานอิสระที่พื้นผิวต่ํา ของเหลวทั่วไปมักจะเปIยกผิวพื้นผิวแบบนี้ไดดี ที่สุดเป8น 6.7 mN/m (Nishino et al., 1999) 2. พื้นผิวที่มีพลังงานอิสระต่ํา คือพื้นผิว ของแข็งที่แรงยึดเหนี่ยวภายในเป8นแรงทางกายภาพ มุมสัมผัส (Kumar, 2010; Yan et al., 2011) เช@น แรงแวนเดอรวาลส และพันธะไฮโดรเจน มุมสัมผัส (contact angle) คือ มุมในหยด (hydrogen bonds) แรงเหล@านี้เป8นแรงอ@อนๆที่ถูก ของเหลวที่ผิวสัมผัสของของเหลว-แกส ทํากับ ผิวสัมผัส ทําลายไดง@ายดวยการใหพลังงานเพียงเล็กนอย ค@าแรง ของของเหลว-ของแข็ง มักแทนดวยสัญลักษณ θ ดัง ตึงผิวอยู@ในช@วง 10-50 mN/m พื้นผิวแบบนี้อาจเกิด แสดงในรูปที่ 4 มุมสัมผัสใชชี้วัดความสามารถในการ การการเปIยกผิวไดหลายระดับ ขึ้นกับชนิดของ เปIยกผิวได ถามุมสัมผัสมีค@านอย แสดงว@าหยด ของเหลวที่ใช ตัวอย@างพื้นผิวพลังงานต่ํา ไดแก@ พื้นผิว ของเหลวมีแนวโนมที่จะมีพื้นที่สัมผัสกับพื้นผิวมาก นั่น ของแข็งที่เป8นสารอินทรีย (organic solids) และ คือเปIยกผิวไดดี เนื่องจากมุมสัมผัสสัมพันธกับการเปIยก พื้นผิวพอลิเมอร (polymers) ผิว ดังนั้นปTจจัยที่กําหนดการเปIยกผิวย@อมกําหนดขนาด การสรางพื้นผิวที่ไม@เปIยก (non-wettable มุมสัมผัส ซึ่งไดแก@ พลังงานอิสระที่พื้นผิว และลักษณะ surface) สามารถทําไดโดยใชโมเลกุลที่มีโครงสราง ทางกายภาพของพื้นผิว ประกอบดวยหมู@เมทิล หรือหมู@คารบอนที่ติดกับอะตอม

Three phase γLV contact line ! γSL θ γSV θ1 θ θ " 2 3

(a) (b)

รูปที่ 4 (a) หยดของเหลวบนพื้นผิวเรียบ แสดงมุมสัมผัส (θ) และแรงตึงผิวของเหลว-แกส ( γLV ), แรงตึงผิว

ของเหลว-ของแข็ง ( γSL ), และแรงตึงผิวของแข็ง-แกส ( γSV ); (b) จากซายไปขวา แสดงการเปIยกผิวจาก

ซายไปขวาเรียงจากต่ําไปสูง (θ1 > θ2 > θ3)

ถา θ < 90º หยดของเหลวจะแผ@ตัวกวางบน (hydrophilic) มักเป8นพื้นผิวพลังงานสูงและประกอบ ผิวของแข็ง (มีพื้นที่สัมผัสกับของแข็งมาก) ถาของเหลว ขึ้นจากโมเลกุลที่มีขั้ว (polar molecules) ที่ใชเป8นน้ํา เรียกว@าพื้นผิวนั้นมีคุณสมบัติชอบน้ํา ถา θ > 90º จะถือว@าการเปIยกผิวต่ํา

บทความ วารสารวิทยาศาสตร มข. ปIที่ 40 ฉบับที่ 3 757

ของเหลวจะมีรูปร@างเป8นหยดอยู@บนผิวของแข็ง (มีพื้นที่ ของแข็ง-แกส (γ SV ) (รูปที่ 4a) เมื่อระบบอยู@ในสมดุล สัมผัสกับของแข็งนอย) ถาของเหลวที่ใชเป8นน้ํา เรียกว@า (equilibrium state) การทําสมดุลแรงจะไดผลดัง พื้นผิวนั้นมีคุณสมบัติไม@ชอบน้ํา (hydrophobic) พื้นผิว สมการที่ 1 ซึ่งเรียกว@าสมการของยัง (Young ไม@ชอบน้ํามักเป8นพื้นผิวพลังงานต่ําซึ่งประกอบขึ้นจาก equation) โมเลกุลไม@มีขั้ว (non-polar molecules) cos γSV= γγ SL + LV θ 0 (1) กรณีที่ θ > 150º แสดงว@าพื้นผิวนั้นมีสมบัติ สะทอนน้ําอย@างยิ่งยวด (superhydrophobic ซึ่งจะไดว@า

surface) ซึ่งหยดน้ําจะเป8นหยดกลมบนพื้นผิว พื้นที่ γSV− γ SL cos θ0 = (2) สัมผัสระหว@างพื้นผิวกับหยดน้ํามีนอยมาก มักเกิดจาก γ LV พื้นผิวขรุขระที่ปกคลุมดวยสารไม@ชอบน้ํา นอกจากการทําสมดุลแรงแลว สมการของยัง Genzer and Efimenko (2000) รายงานว@า สามารถหาไดจากการพิจารณาการเปลี่ยนแปลงของ ค@ามุมสัมผัสสูงสุดของหยดน้ําบนพื้นผิวเรียบของสาร พลังงานอิสระที่พื้นผิว (dE ) เทียบกับการกระจัดดวย ประเภทออรแกโนไซเลนที่มีฟลูออรีน (fluorinated ระยะ dx ของเสนแนวรอยต@อระหว@างของแข็ง organosilane) มีค@าประมาณ 130º ซึ่งถือเป8น ของเหลว และอากาศ ขีดจํากัดสูงสุดของค@ามุมสัมผัสสําหรับพื้นผิวเรียบ หาก dE=(γγ −) dx + γ dxc os θ ' ตองการใหมุมสัมผัสสูงกว@านี้ การปรับโครงสรางทาง SL SV LV เคมีอย@างเดียวจะไม@เพียงพอ ตองปรับสภาพใหพื้นผิว ที่สภาวะสมดุล dE = 0, แทนค@ามุมสัมผัส θ ' ดวยมุม ขรุขระร@วมดวย ซึ่งจะสามารถทําใหไดมุมสัมผัสกับน้ํา สัมผัสที่สมดุล คือ θ0 ก็จะไดสมการที่ (1) และ (2) สูงถึง 170º เช@นกัน สมการของยังใชไดกับพื้นผิวในอุดมคติ มุมสัมผัสบนพื้นผิวเรียบ (ideal surface) คือพื้นผิวที่มีลักษณะเป8นพื้นผิวเฉื่อย เมื่อหยดของเหลวลงบนพื้นผิวของแข็งเรียบ (inert) ผิวราบ (flat) ผิวเรียบ (smooth) แข็งเกร็ง (smooth solid surface) ของเหลวและของแข็งจะเขา (rigid) และมีองคประกอบทางเคมีเป8นเนื้อเดียวตลอด สู@สมดุลดวยมุมสัมผัสค@าหนึ่งที่เรียกว@ามุมสัมผัสเชิงสถิต (chemically homogenous) ซึ่งพื้นผิวแบบนี้จะใหค@า มุมสัมผัสที่เสถียรเพียงค@าเดียว กล@าวไดว@ามุมสัมผัสของ (static contact angle, θ0 ) หรือมุมสัมผัสของยัง (Young contact angle) (Young, 1805) เนื่องจาก ยังเป8นผลมาจากสมบัติทางเคมีของพื้นผิว แต@พื้นผิวใน พลังงานอิสระที่พื้นผิวสามารถแสดงไดในรูปของแรงต@อ ความเป8นจริงนั้นไม@ใช@พื้นผิวในอุดมคติ เช@น พื้นผิวมี ความยาวดังที่ไดกล@าวมาแลว จึงกล@าวไดว@าที่เสนแนว ความขรุขระ หรือองคประกอบทางเคมีมีความไม@ รอยต@อระหว@างวัฏภาคของแข็ง ของเหลว และอากาศ สม่ําเสมอซึ่งจะทําใหพลังงานพื้นผิวไม@สม่ําเสมอไปดวย (three phase contact line) จะมีแรงตึงผิวอยู@สาม ดังนั้นจึงตองมีการปรับปรุงสมการของยังใหอธิบาย พื้นผิวในความเป8นจริงไดมากขึ้น ประเภท คือ แรงตึงผิวของเหลว-แกส (γ LV ), แรง

ตึงผิวของเหลว-ของแข็ง (γ SL ), และแรงตึงผิว

758 KKU Science Journal Volume 40 Number 3 Review

มุมสัมผัสบนพื้นผิวขรุขระ แบ็กซเทอร (Cassie and Baxter, 1944) ทั้งนี้จะ เมื่อพิจารณากรณีที่พื้นผิวขรุขระ มุมสัมผัส เป8นไปตามแบบจําลองใดนั้นขึ้นกับลักษณะความ นอกจากจะเป8นผลมาจากองคประกอบทาง เคมีของ ขรุขระของพื้นผิวเป8นปTจจัยหลัก (รูปที่ 5) โดย พื้นผิวแลว ยังเป8นผลมาจากความขรุขระของพื้นผิวดวย แบบจําลองของเวนเซลจะเหมาะกับพื้นผิวความขรุขระ สมการ ที่ใชอธิบายมุมสัมผัสของหยดของเหลวบนพื้นผิว ต่ํา ส@วนแบบจําลองของแคเซีย-แบ็กซเทอร เหมาะกับ เหล@านี้มีสองแบบจําลองหลัก ๆ คือ แบบจําลอง ของ พื้นผิวที่มีความขรุขระสูง เวนเซล (Wenzel, 1936) และแบบจําลอง ของแคเซีย -

(a) (b) (c) รูปที่ 5 (a) หยดของเหลวบนพื้นผิวเรียบ; (b) หยดของเหลวบนพื้นผิวขรุขระ ตามสมการของเวนเซล มักเกิดบน พื้นผิวขรุขระนอย มีปุมที่มีลักษณะอวนเตี้ย ; (c) หยดของเหลวบนพื้นผิวขรุขระตามสมการของแคเซีย- แบ็กซเทอร มักเกิดบนพื้นผิวขรุขระมาก มีปุม เป8นแท@งผอมสูงและมีช@องอากาศระหว@างปุม (Genzer and Efimenko, 2006)

(a) (b)

รูปที่ 6 แสดงมุมสัมผัสเชิงสถิต (θ0 ) ซึ่งวัดไดจาก (a) พื้นผิวเรียบ และ (b) และมุมสัมผัสปรากฏ (θ ) ซึ่งเป8นค@าที่ วัดไดจากพื้นผิวขรุขระ (Nosonovsky, 2007)

แบบจําลองเวนเซล (Wenzel’s model) ค@ามุมสัมผัสเชิงสถิต (θ0 ) ที่ไดกล@าวมาก@อน สมการของเวนเซลใชกับพื้นผิวขรุขระที่มี หนานี้ เป8นค@าที่วัดไดบนพื้นผิวเรียบ (รูปที่ 6a) แต@กรณี องคประกอบเคมีเพียงอย@างเดียว และไม@มีการกัก ที่พื้นผิวมีความขรุขระ ค@ามุมสัมผัสที่วัดไดย@อมไม@ใช@ค@า อากาศไวในร@องของพื้นผิว หยดของเหลวจะเติมเต็ม θ0 ที่แทจริง แต@จะเรียกว@าค@ามุมสัมผัสปรากฏ ร@องของพื้นผิว (รูปที่ 5b) (apparent contact angle, θ ) ซึ่งหมายถึงค@ามุม

บทความ วารสารวิทยาศาสตร มข. ปIที่ 40 ฉบับที่ 3 759

สัมผัสที่วัดไดจากหยดของเหลวบนพื้นผิวขรุขระ (รูปที่ ดังนั้น Rf ≥ 1 ดังนั้นตามแบบจําลองเวนเซล 6b) พื้นผิวที่ขรุขระจะทําใหของเหลวกับของแข็งมีพื้น Nosonovsky (2007) แสดงว@าเมื่อดานหนา ผิวสัมผัสกันมากขึ้น

ของหยดของเหลวเคลื่อนที่ผ@านพื้นผิวขรุขระใน 2 มิติ สําหรับพื้นผิวชอบน้ํา (θ0 < 90º) เมื่อความ

(รูปที่ 6a-6b) พิจารณาการเปลี่ยนแปลงของพลังงาน ขรุขระ R f เพิ่มขึ้นจะทําใหค@า θ ลดลง พื้นผิวยิ่ง อิสระที่พื้นผิวเทียบกับระยะทางที่ของเหลวเดินทางไป ชอบน้ํามากขึ้น

บนพื้นผิว dt จะไดว@าแรงตึงผิวมีค@าเท@ากับ สําหรับพื้นผิวไม@ชอบน้ํา (θ0 > 90º) ความ dW ขรุขระเพิ่มขึ้นจะทําให ค@า θ เพิ่มขึ้น พื้นผิวยิ่งชอบน้ํา σ= = γ- γ dt SL SV นอยลง dt สามารถเปลี่ยนใหอยู@ในรูปของ dx ซึ่งเป8น จากการศึกษาโดยนักวิจัยหลายกลุ@ม ได ระยะทางตามแนวแกน x ของพื้นผิว ขอสรุปว@า สภาวะเวนเซลจะเกิดไดบนพื้นผิวขรุขระที่มี ส@วนนูนในลักษณะอวนเตี้ยกระจายตัวอยู@บนพื้นผิว dW dW dt  - dt =   = ()γSL γ SV (3) (Yoshimitsu et al., 2002; He and Patankar, dx dt dx  dx 2003; Patankar 2003; Marmur, 2004) ดังรูปที่ 5b ถาพื้นผิวมีความขรุขระสม่ําเสมอ dt/ dx จะ

เป8นค@าสัมประสิทธิ์ความขรุขระ (roughness factor, แบบจําลองแคเซีย (Cassie’s model) R) ซึ่งเป8นค@าคงตัวตลอดพื้นผิว ดังนั้น จากสมการที่ (3) f แบบจําลองเวนเซลใชกับพื้นผิวที่องค dt แทนค@า = R จะไดว@า dx f ประกอบทางเคมีเป8นอย@างเดียวกัน แต@ในกรณีที่พื้นผิว มีองคประกอบทางเคมีที่แตกต@างกันมากกว@าหนึ่งชนิด γcos θ= R ( γγ - ) (4) LV f SV SL กระจายตัวเป8นหน@วยเล็ก ๆ โดยพื้นที่ของแต@ละหน@วย เมื่อนําสมการที่ (4) ไปเทียบกับสมการที่ (2) จะได เล็กกว@าขนาดของหยดของเหลวมาก แคเซียและแบ็กซ สมการของเวนเซล เทอร (Cassie and Baxter, 1944) ถือว@าหยด cos cos ของเหลวจะตองสัมผัสกับองคประกอบต@างๆบนพื้นผิว θ= R f θ 0 (5) นั้น ค@ามุมสัมผัสปรากฏของพื้นผิวในกรณีที่พื้นผิว เมื่อ θ คือ มุมสัมผัสบนผิวขรุขระ ประกอบดวยองคประกอบทางเคมีสององคประกอบ θ0 คือ สัมผัสบนผิวเรียบ หรือมุมสัมผัสของยัง (องคประกอบที่ 1 และ 2) อาจอธิบายไดโดยสมการ R เป8นอัตราส@วนของพื้นที่ผิวสัมผัสที่แทจริง f ของแคเซีย-แบ็กซเทอร (Cassie-Baxter’s equation) ระหว@างหยดของเหลวกับพื้นผิวของแข็ง (A ) ต@อพื้นที่ SL ดังต@อไปนี้ ภาพฉายหยดของเหลวบนพื้นผิวของแข็ง (geometric

cosθ=f1 cos θ 12 + f cos θ 2 (6) projected contact area, A F) ( ) ( ) ( )

เมื่อ θ1 และ θ2 แทนมุมสัมผัสระหว@างหยดของเหลว กับองคประกอบที่ 1 และองคประกอบที่ 2 ตามลําดับ

760 KKU Science Journal Volume 40 Number 3 Review

1 φ1 และ φ2 แทนสัดส@วนพื้นที่ผิวสัมผัสของ จะเห็นว@า เมื่อ φSL = (ไม@มีฟองอากาศใน ของเหลว-องคประกอบที่1 และ ของเหลว- ช@องว@าง หยดของเหลวสัมผัสกับพื้นผิวที่เป8นของแข็ง

องคประกอบที่ 2 ตามลําดับ ดังนั้น φ1+ φ 2 = 1 เท@านั้น) สมการที่ (7) จะกลายเป8นสมการของเวนเซล หากพื้นผิวเป8นพื้นผิวที่มีความขรุขระสูงและ ในสมการที่ (5) นั่นเอง สมการที่ (7) นั้นนํามาใชใน เป8นพื้นผิวไม@ชอบน้ํา เป8นไปไดว@าหยดน้ําจะไม@สามารถ กรณีที่หยดของเหลวแตะอยู@บนส@วนที่เป8นปุม แทรกซึมเขาไปตามร@องเล็กระหว@างปุมบนพื้นผิวขรุขระ (protrusion) ของพื้นผิวขรุขระ โดยไม@ลงไปในร@อง ดังนั้นในร@องเล็กภายใตหยดน้ําจะเป8นช@องอากาศ (air ระหว@างปุม ภายในร@องเหล@านี้จึงกักเก็บอากาศไว pocket) ดังรูปที่ 5c จึงถือไดว@าองคประกอบทางเคมี ดังนั้นผิวสัมผัสของหยดของเหลวกับพื้นผิวเป8นผิวสัมผัส ของพื้นผิวนี้จะประกอบดวยของแข็ง (องคประกอบที่ เชิงประกอบ (composite interface) ที่มีทั้งส@วนที่เป8น 1) และอากาศ (องคประกอบที่ 2) ของแข็งและอากาศ

θ1 จะกลายเป8นมุมสัมผัสระหว@างหยด จากแบบจําลองแคเซีย-แบ็กซเทอร โดยทาง

ของเหลวกับของแข็ง กําหนดตัวแปรใหม@เป8น θ0 ทฤษฎีเมื่อเพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัสระหว@างของเหลวกับ

θ2 จะกลายเป8นมุมสัมผัสระหว@างหยด อากาศใหมากขึ้น หรือมีค@า φLV สูงขึ้น จะไดว@า 90 ของเหลวกับอากาศ กําหนดตัวแปรใหม@เป8น θLV สําหรับพื้นผิวชอบน้ํา (θ0 < ° ) สามารถเปลี่ยนไปสู@

φ1 และ φ2 กลายเป8นสัดส@วนพื้นที่ผิวสัมผัส สภาพไม@ชอบน้ําได ที่ค@า φLV ดังนี้ (Jung and ระหว@างหยดของเหลวกับของแข็งและระหว@างหยด Bhushan, 2006) φ ของเหลวกับอากาศ กําหนดตัวแปรใหม@เป8น SL และ R cos θ f 0 90 φLV ≥ สําหรับ θ0 < φLV ตามลําดับ แทนค@าตัวแปรใหม@ลงในสมการที่ (6) cos 1 Rf θ0 + จะไดว@า แต@ในทางปฏิบัติอาจไม@ไดค@า φLV สูงพอที่จะ cosθφ= cos θφ + cos θ ( ) SL( 0 ) LV( LV ) ทําใหเกิดการเปลี่ยนมาสู@สภาพไม@ชอบน้ําได หรืออาจ

เนื่องจากมุมสัมผัสระหว@างน้ําและอากาศ พบว@าที่ φLV สูงมาก ช@องอากาศที่ไดจะไม@มี cos 1 เสถียรภาพ (θLV ) = 180º ดังนั้นจะได (θLV ) = −

สําหรับพื้นผิวไม@ชอบน้ํา (θ0 >90 ° ) ค@า cos cos (θφ) =SL( θ0 ) − φ LV φLV ที่สูงขึ้นจะทําใหมุมสัมผัสเพิ่มขึ้นไม@ว@าพื้นผิวนั้น 1 แทนค@า φLV= − φ SL จะไดว@า จะเรียบหรือขรุขระก็ตาม cos cos 1 เมื่อไม@นานมานี้ มีผูศึกษาว@าสมการของเวน (θφ) =SL( θ0 ) + φ SL − เซลและสมการของแคเซีย-แบ็กซเทอรจะใชไดต@อเมื่อ เมื่อนําสัมประสิทธิ์ความขรุขระ (R ) มาพิจารณาร@วม f หยดของเหลวมีขนาดใหญ@พอเมื่อเทียบกับขนาดของ ดวย จะไดสมการของแคเซีย-แบ็กซเทอรที่ปรับปรุงแลว ความขรุขระ (Marmur, 2003; Wolansky and (Marmur, 2003; Patankar, 2004) ดังนี้ Marmur, 1999, Brandon et al., 2003) นอกจากนี้มี cos cos 1 (θ) =RfSL φ( θφ0 ) + SL − (7) การศึกษาพบว@าระบบในสภาวะแคเซีย จะเกิดจาก พื้นผิวขรุขระที่มีส@วนนูนในลักษณะเป8นแท@งผอมสูง

บทความ วารสารวิทยาศาสตร มข. ปIที่ 40 ฉบับที่ 3 761

φ −1 กระจายตัวอยู@ห@าง ๆ กัน ดังแสดงในรูป 5c cos SL θc = (8) (Yoshimitsu et al., 2002; He and Patankar, R f−φ SL 2003; Patankar, 2003; Marmur , 2004) โดย θc คือค@ามุมสัมผัสวิกฤติที่เป8นผลจาก

สัมประสิทธิ์ความขรุขระ R f

การเปลี่ยนสภาวะการเปYยก Bico et al. แสดงใหเห็นว@า ที่ θ> θ c หยด

เนื่องจากพื้นผิวสะทอนน้ํายิ่งยวดจําเป8นตองมี ของเหลวจะอยู@ในสภาวะแคเซีย และที่ θ< θ c หยด ผิวสัมผัสเชิงประกอบที่มีความเสถียร ดังนั้นจึงตองมี ของเหลวจะอยู@ในสภาวะเวนเซล การศึกษาเสถียรภาพของสภาวะแคเซีย-แบ็กซเทอร จะ อย@างไรก็ตาม พบว@ามีบางมุมสัมผัสซึ่งเขา

ขอเรียกโดยย@อว@า “สภาวะแคเซีย” และ “สภาวะเวน เงื่อนไข θ< θ c แต@หยดของเหลวยังสามารถอยู@ใน เซล” ซึ่ง Nosonovsky and Bhushan (2008b) ทํา สภาวะแคเซียได แสดงว@าขณะนั้นระบบอยู@ในสภาวะ การทดลองและสรุปว@าสภาวะแคเซียสามารถเปลี่ยน อุปเสถียร (metastable state) Callies and Quéré ไปสู@สภาวะเวนเซลโดยเป8นการเปลี่ยนแปลงแบบผัน (2005) สรุปว@า ปTจจัยที่กําหนดว@าหยดของเหลวจะอยู@ กลับไม@ได สภาวะเวนเซลนอกจากขึ้นกับความขรุขระ ในสภาวะใด นอกจากขึ้นกับลักษณะของพื้นผิวแลว ยัง ของพื้นผิวแลว ยังถูกเหนี่ยวนําใหเกิดขึ้นไดโดยการให ขึ้นกับปTจจัยอื่นร@วมดวย พวกเขาพบว@าหยดของเหลวที่ แรงกดกับหยดของเหลว (Jung and Bhushan, 2008) อยู@ในสภาวะแคเซียสามารถเปลี่ยนไปสู@สภาวะเวนเซล ใหความต@างศักยไฟฟา (Krupenkin et al., 2004) ไดเมื่อไดรับแรงกด (รูปที่ 7a), เมื่อหยดของเหลวเกิด หรือทําใหเกิดการสั่น (Bormashenko et al., 2007) การระเหยไปบางส@วน (รูปที่ 7b), และยังขึ้นกับวิธีที่ใช เป8นตน แต@ยังไม@พบรายงานการเปลี่ยนจากสภาวะเวน ถ@ายหยดของเหลวบนพื้นผิวดวย พวกเขาพบว@า บน เซลไปเป8นสภาวะแคเซีย นักวิทยาศาสตรเชื่อว@าการ พื้นผิวเดียวกัน ปริมาตรหยดของเหลวสามารถกําหนด เปลี่ยนสภาวะจากสภาวะเวนเซลไปสู@สภาวะแคเซียจะ สภาวะของระบบได จากรูป 7c หยดของเหลวขนาด เกิดขึ้นเมื่อพลังงานพื้นผิวสุทธิระหว@างสภาวะทั้งสองมี ใหญ@จะอยู@ในสภาวะแคเซีย ขณะที่หยดของเหลวขนาด ค@าเท@ากัน หรือกล@าวไดว@า เมื่อมุมสัมผัสซึ่งทํานายจาก เล็กซึ่งเกิดจากการฉีดพ@นของเหลวเป8นละอองฝอยจะ สมการของสภาวะทั้งสองมีค@าเท@ากัน ซึ่งเป8นที่มาของ อยู@ในสภาวะเวนเซล ดังนั้นบนพื้นผิวเดียวกันหยด มุมสัมผัสวิกฤต (critical contact angle) ของเหลวอาจอยู@ในสภาวะแคเซียหรือสภาวะเวนเซลก็ ได มุมสัมผัสวิกฤต Nosonovsky and Bhushan (2008a) เชื่อ Bico et al. (2006) เสนอว@าสภาวะแบบเวน ว@ามีกลไกต@างๆที่ทําลายเสถียรภาพ (destabilization) เซล จะเปลี่ยนเป8นสภาวะแบบแคเซีย (Cassie state) ของหยดของเหลวในสภาวะแคเซีย ไดแก@ คลื่นคะปล-

เมื่อมุมสัมผัสของยังมีค@ามากกว@ามุมสัมผัสวิกฤต (θc ) ลารี (capillary wave) การควบแน@น จากการตั้งสมการที่ (5) เท@ากับสมการที่ (7) จะได (condensation) และ การสะสมตัว (accumulation)

สมการแสดงค@า θc ดังต@อไปนี้ ของหยดของเหลวระดับนาโน ตลอดจนความไม@เป8น เนื้อเดียวกันของพื้นผิว (surface inhomogeneity) ซึ่ง

762 KKU Science Journal Volume 40 Number 3 Review

กลไกเหล@านี้ลวนขึ้นกับระดับความขรุขระและการมี พลังงานที่เกี่ยวของ Patankar (2004) เสนอว@าการ ความขรุขระในหลายระดับจะสามารถช@วยปองกันไม@ให เปลี่ยนสภาวะจากสภาวะแคเซียซึ่งมีพลังงานสูงไปยัง เสถียรภาพของหยดของเหลวในสภาวะแคเซียถูก สภาวะเวนเซลที่มีพลังงานต่ํากว@าเกิดขึ้นไดดวยการ ทําลายได นอกจากนี้ยังมีการกล@าวถึงปTจจัยที่ ลดลงของพลังงานศักยโนมถ@วง (gravitational กําหนดการเปลี่ยนสภาวะอื่น ๆ เช@น ความโคงของหยด potential energy) จากการที่หยดของเหลวค@อยๆเติม ของเหลว (droplet curvature) (Quéré, 2005) เต็มร@องความขรุขระบนพื้นผิว แมสมมติฐานเหล@านี้จะมี โครงสรางความขรุขระของพื้นผิวและขนาดของหยด หลายผลงานวิจัยที่สนับสนุน แต@ก็ยังไม@แน@ชัดว@าการ ของเหลว (Extrand, 2002) เมื่อพิจารณาในแง@ของ เปลี่ยนสภาวะเกิดผ@านกลไกใดเป8นหลัก

รูปที่ 7 แสดงหยดของเหลวในสภาวะแคเซีย (หยดทางซาย) และสภาวะเวนเซล (หยดทางขวา) บนพื้นผิวเดียวกัน การเปลี่ยนจากสภาวะแคเซียไปสู@สภาวะเวนเซลเกิดขึ้นไดจาก (a) การใหแรงกด, (b) การระเหยของเหลว ออกไปบางส@วน และ (c) ขนาดของหยดของเหลว (ดัดแปลงจาก Callies and Quéré, 2005)

ฮิสเตอร รีซิสของมุมสัมผัส สภาวะแคเซีย ดังนั้นในสภาวะแคเซีย หยดของเหลวจะ แรงเชื่อมแน@นระหว@างหยดของเหลวกับพื้นผิว หลุดออกจากพื้นผิวไดง@ายกว@าในสภาวะเวนเซล (Bico, ของแข็งจะมีค@าสูงในสภาวะเวนเซล แต@จะมีค@าต่ําใน 1999) ตัวแปรหนึ่งที่ใชบอกพฤติกรรมการยึดเหนี่ยว

บทความ วารสารวิทยาศาสตร มข. ปIที่ 40 ฉบับที่ 3 763

ของหยดของเหลวบนพื้นผิวก็คือ ฮีสเตอรรีซิสของมุม ของเหลวมีแนวโนมจะไหลจากบนลงล@าง มุมสัมผัสของ สัมผัส (contact angle hysteresis, CAH) หยดของเหลวทางดานล@างจะมีขนาดใหญ@ขึ้น เรียกว@า

CAH สัมพันธกับความไม@สมบูรณของพื้นผิว มุมสัมผัสล้ําหนา (Advancing contact angle, θ A ) นั้นๆ เช@น ความขรุขระ หรือองคประกอบทางเคมีที่ไม@ แต@ทางดานบนมุมสัมผัสของหยดของเหลวจะเล็กลง สม่ําเสมอ โดย CAH จะบอกถึงพลังงานที่หยดของเหลว เรียกว@ามุมสัมผัสถอยกลับ (Receding contact

สูญเสียไประหว@างการไหลผ@านพื้นผิว angle, θR ) ซึ่ง ค@า CAH คํานวณไดจากผลต@าง ค@า CAH อาจหาไดจากการวัดมุมสัมผัสของ ระหว@างขนาดของมุมสัมผัสล้ําหนากับมุมสัมผัสถอย หยดของเหลวบนพื้นเอียง (tilt method) (Oner and กลับ ดังนี้ McCarthy, 2000) ดังแสดงในรูปที่ 8a เมื่อยกพื้นผิวให CAH =θA − θ R (9) เอียงพอที่หยดของเหลวกําลังจะเกิดการไหล ดวยมุม เอียงพื้นผิว α (roll-off angle หรือ tilt angle ) หยด

θR

θA

θR θA α (a) (b) รูปที่ 8 แสดงการหาค@า CAH โดย (a) การวัดมุมสัมผัสของหยดของเหลวบนพื้นเอียง; และ (b) วิธีเพิ่ม/ลดปริมาตร ของเหลว

อีกวิธีการหนึ่งที่ใชวัด CAH ไดคือวิธีเพิ่มและ เมื่อเติมของเหลวปริมาณมากที่สุดเขาไปในหยด ลดปริมาตรหยดของเหลวบนพื้นผิว (add/remove ของเหลวแลวยังไม@ทําใหพื้นที่ผิวสัมผัสระหว@างหยด method) ดังรูป 8b (Gao and McCarthy, 2006c) ของเหลวกับพื้นผิวของแข็งเพิ่มขึ้น ค@า CAH คือผลต@าง

ซึ่งอาศัยหลักการว@าการดูดของเหลวออกจากหยด ระหว@าง θ A และ θR เช@นเดียวกับวิธีใชพื้นเอียง ของเหลวจะทําใหมุมสัมผัสที่อ@านไดมีค@านอยลง ส@วน เนื่องจากวิธีการเพิ่มหรือลดปริมาตรของหยดของเหลว การเพิ่มปริมาตรของเหลวในหยดของเหลวจะทําใหมุม ปลายเข็มที่ใชดูดหรือเพิ่มปริมาตรของเหลวจะตองจุ@ม

สัมผัสใหญ@ขึ้น มุม θR เป8นมุมสัมผัสทีวัดไดเมื่อดูด อยู@ในหยดของเหลวตลอดเวลาในระหว@างทําการวัด ซึ่ง ของเหลวปริมาณมากที่สุดออกจากหยดของเหลวแลว อาจส@งผลต@อความถูกตองของค@ามุมสัมผัสที่วัดได ยังไม@ทําใหพื้นที่ผิวสัมผัสระหว@างหยดของเหลวกับ โดยมากนักวิจัยจึงนิยมใชวิธีพื้นเอียงมากกว@า

พื้นผิวของแข็งลดลง ส@วนมุม θ A คือมุมสัมผัสที่วัดได

764 KKU Science Journal Volume 40 Number 3 Review

หยดของเหลวบนพื้นผิวทั่ว ๆ ไป ยิ่งใหค@า เปรียบเทียบพื้นผิวของใบบัวกับพื้นผิวของกลีบกุหลาบ CAH ต่ําเท@าไร แสดงว@าแรงยึดเหนี่ยวระหว@างหยด ซึ่งต@างก็ใหมุมสัมผัสเชิงสถิตกับหยดน้ําเกิน 150º (มี ของเหลวกับพื้นผิวต่ําทําใหหยดของเหลวเคลื่อนที่ลงไป สมบัติสะทอนน้ํายิ่งยวด) แต@หยดน้ําจะกลิ้งบนใบบัวได ตามพื้นเอียงไดง@าย ที่ค@า CAH ต่ํา นี้หยดของเหลวอาจ ดีแมเอียงใบเพียงเล็กนอย (ค@า CAH ต่ํา) ในทางตรง ไหลโดยการกลิ้ง ซึ่งการกลิ้งจะช@วยพาสิ่งสกปรกหลุด ขาม หยดน้ําจะติดแน@นอยู@บนกลีบกุหลาบแมว@าจะจับ ออกไปจากพื้นผิวไดดีและเป8นคุณสมบัติที่จําเป8นในการ ใหดานที่มีหยดน้ําคว่ําลงก็ตาม ทั้งนี้เนื่องจากแรงยึด ทําความสะอาดตนเอง เหนี่ยวระหว@างหยดน้ํากับพื้นผิวของกลีบกุหลาบมีค@าสูง (ค@า CAH สูง) ซึ่งอธิบายไดว@าทั้งกลีบกุหลาบและใบบัว เงื่อนไขของพื้นผิวที่มีคุณสมบัติทําความ ต@างก็มีโครงสรางขรุขระในระดับไมโครเมตรและนาโน สะอาดตัวเองได2โดยเลียนแบบปรากฏการณ ใบ เมตร แต@โครงสรางความขรุขระเหล@านี้ของกลีบกุหลาบ บัว จะหยาบกว@าโครงสรางความขรุขระของใบบัว บน พื้นผิวใบบัว หยดน้ําจะไม@สามารถแทรกเขาไปในร@อง จากที่ไดกล@าวมาทั้งหมด พื้นผิวที่จะทําความ ความขรุขระได จึงมีแรงยึดเหนี่ยวกับผิวใบบัวต่ํา แต@ สะอาดตนเองไดนั้นนอกจากหยดน้ําจะตองทํามุมสัมผัส สําหรับกลีบกุหลาบ แมหยดน้ําจะไม@สามารถแทรกซึม เชิงสถิตกับพื้นผิวไม@ต่ํากว@า 150º แลว ยังตองมีค@า เขาร@องที่มีขนาดเล็กมากได แต@ยังสามารถซึมเขาไป CAH ต่ํา (สภาวะแคเซีย) นั่นคือหยดน้ําจะตองมี เปIยกร@องซึ่งมีขนาดใหญ@ (ระดับไมโครเมตร)ได (รูปที่ 9) ลักษณะค@อนขางกลมและกลิ้งออกไปไดดวยการเอียง ทําใหหยดน้ําที่มีขนาดเล็ก ๆ สามารถมีแรงยึดเหนี่ยว พื้นผิวนั้นๆ เพียงเล็กนอย ปกติมุมเอียงพื้นผิวจะตองมี กับกลีบกุหลาบไดสูงจึงไม@กลิ้งหลุดไปง@าย ๆ เวนแต@ ค@านอยกว@า 10º (มุม α ในรูปที่ 8a) ในการพัฒนา หยดน้ําที่มีขนาดใหญ@และน้ําหนักมากซึ่งอาจจะกลิ้ง พื้นผิวทําความสะอาดตัวเองไดดวยหลักการแบบใบบัว หลุดไปตามแรงโนมถ@วงได ปรากฏการณที่หยดน้ํากลม จึงควรรายงานทั้งค@ามุมสัมผัสเชิงสถิต และค@า CAH ยึดเกาะบนผิวของกลีบกุหลาบนี้ เรียกว@า ปรากฏการณ เพราะการที่มุมสัมผัสเชิงสถิตสูง มิไดแปลว@าหยด แบบกลีบดอกไม (petal effect) (Feng et al., 2008) ของเหลวจะกลิ้งตัวไดดีเสมอไป ตัวอย@างเช@น การ

รูปที่ 9 (a) หยดน้ําบนผิวกลีบกุหลาบ หยดน้ําสามารถแทรกเขาไปในช@องว@างระหว@างพาพิลลาได (petal effect) (b) หยดน้ําบนผิวใบบัว หยดน้ําไม@สามารถแทรกเขาไปในช@องว@างได (lotus effect) (Feng et al., 2008)

บทความ วารสารวิทยาศาสตร มข. ปIที่ 40 ฉบับที่ 3 765

การพัฒนาพื้นผิวทําความสะอาดตัวเองได2โดย 1.3 สารอินทรีย (organic materials) เลียนแบบปรากฏการณ ใบบัว สารอินทรียจะประกอบดวยธาตุคารบอนเป8น การเตรียมพื้นผิวทําใหสะทอนน้ํายิ่งยวดแบบ องคประกอบหลัก และอาจพบธาตุอื่น ๆ เช@น ใบบัว จะตองทําใหพื้นผิวมีทั้งความขรุขระและความไม@ ไฮโดรเจน ออกซิเจน ไนโตรเจน ฟอสฟอรัส ชอบน้ํา ซึ่งอาจทําได 2 วิธี คือ ทําพื้นผิวของวัสดุไม@ และซัลเฟอร ร@วมดวย ซึ่งพอลิเมอรส@วนใหญ@มักเป8น ชอบน้ําใหขรุขระ หรือ สรางพื้นผิวขรุขระแลวดัดแปร สารอินทรียอยู@แลว ตัวอย@างพอลิเมอรอินทรีย (organic พื้นผิวดวยสารไม@ชอบน้ํา polymers) ที่มีการนํามาพัฒนาพื้นผิวสะทอนน้ํา 1) การปรับพื้นผิวของวัสดุไม@ชอบน้ําให ยิ่งยวดไดแก@ พอลิเอทิลีน (polyethylene) (Lu et al., ขรุขระ เป8นการนําวัสดุไม@ชอบน้ํามาทําการปรับปรุง 2004) พอลิสไตรีน (polystyrene) (Jiang et al., พื้นผิวใหมีความขรุขระ 2004; Lee et al., 2004) พอลิเอไมด (polyamide) วัสดุไม@ชอบน้ําที่มีการศึกษาวิจัย ไดแก@ (Zhang et al., 2005) และ พอลิคารบอเนต 1.1 พอลิเมอรประเภทฟลูออโรคารบอน (polycarbonate) (Zhao et al., 2005) เป8นตน (fluorinated polymers) คือพอลิเมอรที่มีอะตอมของ 1.4 สารอนินทรีย (inorganic materials) ฟลูออรีนและคารบอนอยู@ในโครงสรางโมเลกุล พื้นผิว สารอนินทรียบางชนิด เช@นแผ@นฟลมจากอนุภาคนาโน ของสารประกอบประเภทนี้จะมีพลังงานอิสระที่พื้นผิว แบบท@อน (nanorod films) ของ ZnO (Feng et al., ต่ําที่สุด พอลิเมอรที่ศึกษากันมากคือ พอลิเททระ- 2004) หรือ TiO 2 (Feng et al., 2005) สามารถ ฟลูออโรเอทิลีน (polytetrafluoroethylene) (Zhang นํามาใชสรางพื้นผิวสะทอนน้ํายิ่งยวด โดยพบว@า สมบัติ et al., 2004; Shiu et al., 2005; Singh et al., สะทอนน้ํายิ่งยวดของ ZnO เกิดจากลักษณะพื้นผิวที่มี 2005) เนื่องจาก พอลิเมอรประเภทฟลูออโรคารบอน ความขรุขระเพราะอนุภาคนาโนแบบท@อนร@วมกับการ ละลายในตัวทําละลายไดยาก จึงมักมีการนําไปผสม หันระนาบของผลึกที่ไม@ชอบน้ําออกสู@ผิวหนาของ (Xu et al., 2005) หรือนําไปเชื่อมโยง (Yabu and แผ@นฟลม มีรายงานว@าสมบัติสะทอนน้ําทั้งของ ZnO Shimomura, 2005) กับสารเคมีอื่น ๆ ที่สามารถ และ TiO 2 จะกลายเป8นสมบัติชอบน้ํายิ่งยวดได เตรียมใหเป8นพื้นผิวขรุขระไดง@าย (superhydrophilicity) เมื่อไดรับรังสีอัลตราไวโอเลต 1.2 ซิลิโคน (silicones) เป8นวัสดุที่จัดว@ามี (UV irradiation) แต@เมื่อนํากลับมาเก็บในที่มืด พลังงานอิสระที่พื้นผิวต่ํา ซิลิโคนพอลิเมอรชนิด แผ@นฟลมก็จะสามารถกลับมาแสดงสมบัติสะทอนน้ํา พอลิไดเมทิลไซลอกเซน (polydimethylsiloxane, ยิ่งยวดไดอีก PDMS) เป8นวัสดุที่มีความยืดหยุ@นไดดีและมีความไม@ 2) การสรางพื้นผิวที่ขรุขระและเคลือบทับ ชอบน้ําอยู@แลว จึงสามารถนํามาเตรียมพื้นผิวสะทอน พื้นผิวดวยสารไม@ชอบน้ํา ยิ่งยวดไดโดยตรง นอกจากนี้ยังมีการใชในรูปพอลิเมอร แมว@าการทําพื้นผิววัสดุไม@ชอบน้ําใหขรุขระจะ ร@วมแบบกลุ@ม (block copolymer) กับพอลิสไตรีน ทําใหไดพื้นผิวสะทอนน้ํายิ่งยวดภายในขั้นตอนเดียว แต@ (polystyrene) ดวย (Khorasani et al., 2005; Jin et มีวัสดุเพียงไม@กี่ประเภทที่มีคุณสมบัติไม@ชอบน้ําและ al., 2005; Sun et al., 2005) สามารถนํามาใชได ดังนั้นเพื่อใหสรางพื้นผิวสะทอนน้ํา

766 KKU Science Journal Volume 40 Number 3 Review

ยิ่งยวดไดจากวัสดุที่มีความหลากหลายขึ้น สามารถนํา สกปรก จึงน@าจะเหมาะกับพื้นผิวที่โดนฝนเป8นพิเศษ วัสดุที่สนใจมาปรับพื้นผิวใหขรุขระ (surface นอกจากนี้พื้นผิวจะไม@สามารถแสดงสมบัติการทําความ roughening) จากนั้นจึงดัดแปรพื้นผิววัสดุที่ขรุขระอยู@ สะอาดตัวเองหากสัมผัสกับสารลดแรงตึงผิว เนื่องจาก แลวใหมีสมบัติไม@ชอบน้ํา (hydrophobization) ซึ่ง สารดังกล@าวจะไปทําใหน้ําเปIยกพื้นผิวไดซึ่งขัดแยงกับ สามารถทําไดโดยการเคลือบพื้นผิวดวยสารเคมีที่ไม@ ปรากฏการณแบบใบบัว ขอพึงระวังอีกขอหนึ่งคือสาร ชอบน้ําโดยอาจใหสารไม@ชอบน้ําเกิดการเชื่อมต@อกับ เคลือบผิวอาจหลุดลอกออกไดเมื่อถูกขัดถู ดังนั้นอาจ พื้นผิวดวยพันธะเคมี (chemical bonds) ดวยการดูด พิจารณาการใชงานที่ไม@ตองการความคงทนของพื้นผิว ซึม (adsorption) หรือดวยการยึดเกาะทางกายภาพ มากนัก Blossey (2003) จึงเสนอแนวคิดที่จะดัดแปลง (physical binding) ตัวอย@างการเชื่อมต@อดวยพันธะ ปรากฏการณแบบใบบัวมาใชในรูปสเปรยฉีดพ@นหรือใช เคมี เช@น ทองคํา (gold) สามารถยึดเหนี่ยวกับหมู@ กับวัสดุที่การใชงานตองการประสิทธิภาพแค@ชั่วคราว ฟTงกชันไทออล (thiol group) ดวยพันธะโคเวเลนตได ซึ่งการเคลือบพื้นผิวใหม@แต@ละครั้งควรมีตนทุนต่ํา วิธีการสรางความขรุขระใหกับพื้นผิวสามารถ นักวิจัยจาก BASF ทําการผลิตสเปรยสะทอนน้ํา ทําไดหลายวิธี เช@น การใชแรงดึง (mechanical ตนแบบ ซึ่งประกอบดวยอนุภาคนาโนซิลิกาและอะลู- stretching) (Zhang et al., 2004) การกัดผิวดวย มินา ผสมกับพอลิเมอรที่ไม@ชอบน้ํา และสารขับดัน เลเซอร/พลาสมา/สารเคมี (laser/plasma/chemical (propellant) เมื่อฉีดพ@นบนพื้นผิววัตถุกลางแจง พบว@า etching) (Jin et al., 2005; Shiu et al., 2005; Qian เมื่อเวลาผ@านไปพื้นผิวที่ผ@านการเคลือบดวยสเปรยจะ and Shen, 2005) เทคนิคลิโทกราฟI (lithography) ยังคงสะอาดมากกว@าพื้นผิวที่ไม@ไดผ@านการเคลือบ (Notsu et al., 2005) กระบวนการโซล-เจล (sol-gel เนื่องจากโครงสรางความขรุขระแบบลําดับ processing) (Hikita et al., 2005) การหล@อแบบ ชั้นของพื้นผิวแบบใบบัวอาจเกิดการเสื่อมสภาพได เมื่อ สารละลาย (solution casting) (Yabu and ไดรับแสงยูวีเป8นเวลานาน และจากการถูกกัดเซาะโดย Shimomura, 2005) การสรางฟลมเป8นชั้น ๆ และ น้ําฝน ลูกเห็บ และฝุนผง ดังนั้นจึงเกิดแนวคิดที่จะให เคลือบทับดวยคอลลอยด (layer-by-layer and พื้นผิวประดิษฐ (artificial surface) สามารถฟนสภาพ colloidal assembly) (Zhai et al., 2004) การปTน ไดเอง (self-healing) เช@นเดียวกับพื้นผิวใบไมใน เสนใยดวยไฟฟาสถิต (electrospinning) (Han and ธรรมชาติ (Solga et al., 2007) ซึ่งจะกลายเป8นโจทย Steckl, 2009) และการใชเทคนิคทางไฟฟาเคมี ที่ทาทายสําหรับนักวิทยาศาสตรต@อไป (electrochemical deposition) (Darmanin et al., 2010) เป8นตน บทสรุป พื้นผิวที่มีคุณสมบัติทําความสะอาดตัวเองได ข2อสังเกตในการใช2งานพื้นผิวทําความสะอาด ดวยหลักการแบบใบบัวนั้น จะตองเป8นพื้นผิวที่สะทอน ตัวเองได2แบบใบบัว น้ํายิ่งยวด นั่นคือมีค@ามุมสัมผัสเชิงสถิตมากกว@า 150º วัสดุที่มีพื้นผิวทําความสะอาดตัวเองไดแบบ และหยดน้ําตองสามารถกลิ้งบนพื้นผิวดวยมุมเอียง ใบบัวนั้นตองอาศัยการไหลผ@านของน้ําเพื่อชะลางสิ่ง พื้นผิวนอยกว@า 10º (มีค@า CAH ต่ํา) นักวิทยาศาสตร

บทความ วารสารวิทยาศาสตร มข. ปIที่ 40 ฉบับที่ 3 767

พบว@า พื้นผิวลักษณะเช@นนี้ในธรรมชาติมักจะเป8นพื้นผิว Tropische und Subtropische Pflanzenwelt ที่มีความขรุขระเชิงลําดับชั้น และมีโครงสรางทางเคมีที่ 19: 367–467. ไม@ชอบน้ํา หยดน้ํากับพื้นผิวจะมีพื้นที่สัมผัสกันโดยตรง Barthlott, W. and Neinhuis, C. (1997). Purity of the sacred lotus, or escape from contamination นอยมาก เมื่อหยดน้ํากลิ้งไปบนพื้นผิวก็จะสามารถพา in biological surfaces. Planta 202: 1–8. เอาสิ่งสกปรกหลุดไปจากพื้นผิวไดดวย ซึ่ง Bhushan, B. (2009). Biomimetics: lessons from nature – นักวิทยาศาสตรพัฒนาพื้นผิวเลียนแบบใบบัวโดยนํา an overview. Phil Trans R Soc A. 367: 1445– พื้นผิวที่ไม@ชอบน้ําอยู@แลวมาทําใหขรุขระ หรือ นํา 1486. พื้นผิวมาทําใหขรุขระและดัดแปรดวยสารไม@ชอบน้ํา ซึ่ง Bhushan, B., Jung, Y.C. (2011). Natural and biomimetic จนถึงปTจจุบันไดมีการนําวัสดุและเทคนิคที่หลากหลาย artificial surfaces for superhydrophobicity, self-cleaning, low adhesion, and drag มาใช reduction. Progress in Materials Science 56: สําหรับทฤษฎีที่เกี่ยวของกับการเปIยกผิวและ 1–108. ปรากฏการณแบบใบบัวนั้น มีสมการพื้นฐานในการ Bhushan, B., Jung, Y.C. and Koch, K. (2009). Micro-, เปIยกผิวคือสมการของยัง ซึ่งใชในการทําความเขาใจ nano- and hierarchical structures for การเปIยกผิวบนพื้นผิวของแข็งในอุดมคติ (ผิวเรียบ) superhydrophobicity, self-cleaning and low สมการของเวนเซลใชอธิบายการเปIยกพื้นผิวขรุขระที่ adhesion. Philosophical Transactions of the Royal Society A. 367: 1631–1672. หยดของเหลวสามารถเติมเต็มร@องความขรุขระของ Bico, J., Marzolin, C., and Quéré, D. (1999). Pearl drops. พื้นผิว และสมการของแคเซียใชศึกษาหยดของเหลวบน Europhysics Letters 47: 220–226 พื้นผิวขรุขระที่มีอากาศแทรกอยู@ในร@องความขรุขระ Blossey, R. (2003). Self-cleaning surfaces-virtual ภายใตหยดของเหลว สมการเหล@านี้เป8นทฤษฎีพื้นฐาน realities. Natural Materials 2: 301-306. ที่สามารถนํามาใชในการอธิบายปรากฏการณการเปIยก Bormashenko, E., Pogreb, R., Whyman, G. and Erlich, ผิวรูปแบบต@างๆ รวมทั้งใชประกอบแนวคิดในการ M. (2007). Cassie–Wenzel wetting transition in vibrated drops deposited on the rough พัฒนาพื้นผิวทําความสะอาดตัวเองได แมในปTจจุบัน surfaces: is dynamic Cassie–Wenzel นักวิทยาศาสตรจะพัฒนาทฤษฎีต@างๆไวบางแลว แต@ transition 2D or 1D affair?. Langmuir 23: ความเขาใจเกี่ยวกับปรากฏการณการเปIยกพื้นผิวที่ 6501–6503. ขรุขระยังไม@สมบูรณ ยังคงมีคําถามต@าง ๆ ซึ่ง Brandon, S., Haimovich, N.,Yeger, E. and Marmur, A. นักวิทยาศาสตรยังสามารถทําการวิจัยต@อยอดเพื่อ (2003). Partial wetting of chemically คนหาคําตอบต@อไปได patterned surfaces: the effect of drop size. Journal of Colloid and Interface Science 263: 237–243. เอกสารอ2างอิง Bruus, H. (2008). Theoretical Microfluidics. New York: Barthlott, W. and Ehler, N. (1977). Oxford University Press. p.124. Rasterelektronenmikroskopie der Callies M, Quéré D. (2005). On water repellency. Soft epidermisoberflachen von spermatophyten. Matter. 1: 55 – 61.

768 KKU Science Journal Volume 40 Number 3 Review

Cannavale, A., Fiorito, F., Manca, M., Tortorici, G., Gao, L.C. and McCarthy, T.J. (2006a). ‘‘Artificial Lotus Cingolani, R. and Gigli, G. (2010). leaf’’ prepared using a 1945 patent and a Multifunctional bioinspired sol-gel coatings commercial textile. Langmuir 22: 5998–6000. for architectural glasses. Building and Gao, L.C. and McCarthy, T.J. (2006b). The ‘‘Lotus Environment 45: 1233-1243. Effect’’ explained: two reasons why two Cassie, A. and Baxter, S. (1944). Wettability of porous length scales of topography are important. surfaces. Transactions of the Faraday Society Langmuir 22: 2966–2967. 40: 546–551. Gao, L.C. and McCarthy, T.J. (2006c). Contact angle Cheng, Y.T., Rodak, D.E., Wong, C.A. and Hayden, C.A. hysteresis explained. Langmuir 22: 6234– (2006). Effects of micro- and nano-structures 6237. on the self-cleaning behavior of lotus Genzer, J. and Efimenko, K. (2000). On designing and leaves. Nanotechnology 17: 1359–1362. creating long-lived superhydrophobic Chow, T. S. (2007). Nanoscale surface roughness and surfaces through mechanically assembled particle adhesion on structures substrates. monolayers (MAMs). Science 290: 2130– Nanotechnology. 18: 1–4. 2133. Darmanin, T., Taffin de Givenchy, E., Amigoni, S. and Genzer, J. and Efimenko, K. (2006). Recent Guittard, F. (2010). Langmuir 26: 17596– developments in superhydrophobic surfaces 17602. and their relevance to marine fouling: a De Gennes, P.G., Brochard-Wyart, F. and Quere, D. review. Biofouling 22: 339–360. (2004). Capillarity and Wetting Phenomena: Guo, Z. and Liu, W. (2007). Biomimic from the Drops, Bubbles, Pearls, Waves. New York: superhydrophobic plant leaves in nature: Springer. p.18. binary structure and unitary structure. Plant Extrand, C.W. (2002). Model for contact angle and Science 172: 1103–1112. hysteresis on rough and ultra-phobic Han, D. and Steckl, A. (2009) Superhydrophobic and surfaces. Langmuir 18: 7991–7999. oleophobic fibers by coaxial electrospinning. Feng, L., Zhang, Y,A., Xi, J.M., Zhu, Y., Wang, N., Xia, F. Langmuir 25: 9454–9462. and Jiang, L. (2008). Petal effect: a He, B., Patankar, N.A. and Lee, J. (2003). Multiple superhydrophobic state with high adhesive equilibrium droplet shapes and design force. Langmuir 24: 4114–4119. criterion for rough hydrophobic surfaces. Feng, X.J., Feng, L., Jin, M.H., Zhai, J., Jiang, L. and Zhu, Langmuir 19: 4999–5003. D.B. (2004). Reversible superhydrophobicity Hikita, M. Tanaka, K., Nakamura, T., Kajiyama, T., to super-hydrophilicity transition of aligned Takahara, A. (2005). Superliquid-repellent ZnO nanorod films. Journal of the American surfaces prepared by colloidal silica Chemical Society 126: 62–63. nanoparticles covered with fluoroalkyl Feng, X.J., Zhai, J. and Jiang, L. (2005). The fabrication groups. Langmuir 21: 7299–7302.

and switchable superhydrophobicity of TiO 2 Jiang, L., Zhao, Y. and Zhai, J. (2004). A lotus-leaf-like nanorod films. Angewandte Chemie superhydrophobic surface: a porous International Edition 44: 5115–5118. microsphere/nanofiber composite film

บทความ วารสารวิทยาศาสตร มข. ปIที่ 40 ฉบับที่ 3 769

prepared by electrohydrodynamics. Lee, W. Jin, M.K., Yoo, W.C. and Lee, J.K. (2004). Angewandte Chemie International Edition Nanostructuring of a polymeric substrate 43: 4338–4341. with well-defined nano-meter-scale Jiang, L. and Feng, L. (2010). Bioinspired Intelligent topography and tailored surface wettability. Nanostructured Interfacial Materials. London: Langmuir 20: 7665–7669. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. and Lu, X.Y., Zhang, C.C. and Han, Y.C. (2004). Low-density China: Chemical Industry Press. p. 110. polyethylene superhydrophobic surface by Jin, M.H., Feng, X.J., Xi, J.M., Zhai, J., Cho, K.W., Feng L, control of its crystallization behavior. and Jiang, L. (2005). Superhydrophobic PDMS Macromolecular Rapid Communications 25: surface with ultra-low adhesive force. 1606–1610. Macromolecular Rapid Communications 26: Marmur, A. (2003). Wetting on hydrophobic rough 1805–1809. surfaces: to be heterogeneous or not to be? Jung, Y.C. and Bhushan, B. (2006) Contact angle, Langmuir 19: 8343–8348. adhesion, and friction properties of micro- Marmur, A. (2004). The Lotus effect: and nanopatterned polymers for superhydrophobicity and metastability. superhydrophobicity. Nanotechnology 17: Langmuir 20: 3517–3519. 4970–4980. Neinhuis, C. and Barthlott, W. (1997). Characterization Jung, Y.C. and Bhushan, B. (2008). Dynamic effects of and distribution of water-repellent, self- bouncing water droplets on cleaning plant surfaces. Annals of Botany 79: superhydrophobic surfaces. Langmuir 24: 667–677. 6262–6269. Nishino, T., Meguro, M., Nakamae, K., Matsushita, M. Khorasani, M.T., Mirzadeh, H., Kermani, Z. (2005) and Ueda, Y. (1999). The lowest surface free

Wettability of porous polydimethylsiloxane energy based on -CF 3 alignment. Langmuir surface: morphology study. Applied Surface 15: 4321–4323. Science. 242: 339–345. Nosonovsky, M. (2007). On the range of applicability of Koch, K., Bhushan, B., Jung, Y.C. and Barthlott, W. the Wenzel and Cassie equations. Langmuir (2009). Fabrication of artificial lotus leaves 23: 9919–9920. and significance of hierarchical structure for Nosonovsky, M., and Bhushan, B. (2007). Hierarchical superhydrophobicity and low adhesion. Soft roughness makes superhydrophobic states Matter 5: 1386–1393. stable. Microelectronic Engineering. 84: 382– Krupenkin, T.N., Taylor, J.A., Schneider, T.M. and Yang, 386. S. (2004). From rolling ball to complete Nosonovsky, M. and Bhushan, B. (2008a). Capillary wetting: the dynamic tuning of liquids on effects and instabilities in nanocontacts. nanostructured surfaces. Langmuir 20: 3824– Ultramicroscopy 108: 1181–1185. 3827. Nosonovsky, M. and Bhushan, B. (2008b) Patterned Kumar, C.S.S.R. (Ed.) (2010). Biomimetic non-adhesive surfaces: superhydrophobicity Nanostructured Thin Films and Surfaces. and wetting regime transitions. Langmuir 24: Wiley-VCH, Weinheim, p. 333. 1525–1533.

770 KKU Science Journal Volume 40 Number 3 Review

Notsu, H., Kubo, W., Shitanda, I. and Tatsuma, T. superhydrophobic nanofibers. Langmuir 21: (2005). Super-hydrophobic/superhydrophilic 11604–11607. patterning of gold surfaces by photocatalytic Su, C., Li, J., Geng, H., Wang, Q. and Chen, Q. (2006). lithography. Journal of Materails Chemistry Fabrication of an optically transparent 15: 1523–1527. super-hydrophobic surface via embedding Oner, D. and McCarthy, T.J. (2000). Ultrahydrophobic nano-silica. Applied Surface Science 253: surfaces. Effects of topography length scales 2633-2636. on wettability. Langmuir 16: 7777–7782. Solga, A., Cerman, Z., Striffler, B.F., Spaeth, M. and Patankar, N.A. (2003). On the modeling of hydrophobic Barthlott, W. (2007). The dream of staying contact angles on rough surfaces. Langmuir clean: Lotus and biomimetic surfaces. 19: 1249–1253. Bioinspiration & Biomimetics 2: S126–S134. Patankar, N.A. (2004). Transition between Sun, M.H., Luo, C.X., Xu, L.P., Ji, H., Qi, O.Y., Yu, D.P., superhydrophobic states on rough surfaces. and Chen, Y. (2005). Artificial lotus leaf by Langmuir 20: 7097–7102. nanocasting. Langmuir 21: 8978–8981. Pitois, O. and Chateau, X. (2002). Small particle at a Wenzel, R.N. (1936). Resistance of solid surfaces to fluid interface: effect of contact angle wetting by water. Industrial & Engineering hysteresis on force and work of Chemistry Research 28: 988–994. detachment. Langmuir 18: 9751–9756. Wolansky, G. and Marmur, A. (1999). Apparent contact Qian, B.T. and Shen, Z.Q. (2005). Fabrication of angles on rough surfaces: the Wenzel superhydrophobic surfaces by dislocation- equation revisited. Colloids and Surfaces A: selective chemical etching on aluminum, Physicochemical and Engineering Aspects copper, and zinc substrates. Langmuir 21: 156: 381–388. 9007–9009. Woodruff, D.P. (1973). The Solid-Liquid Interface. New Quéré D. (2005). Non-sticking drops.Reports on York: Cambridge University Press. pp.1-4. Progress in Physics 68: 2495–2535. Yabu, H. and Shimomura, M. (2005). Single-step Reyssat, M., Yeomans, J. M. and Quéré D. (2008). fabrication of transparent superhydrophobic Impalement of fakir drops. Europhysics porous polymer films. Chemistry of Materials Letters 81: 26006. 17: 5231–5234. Sawhney, G.S. (2011). Fundamentals of Fluid Yan, Y.Y., Gao, N., Barthlott, W. (2011). Mimicking Mechanics, I.K. New Delhi: International natural superhydrophobic surfaces and Publishing House Pvt. Ltd. p. 44. grasping the wetting process: a review on Shiu, J.Y., Kuo, C.W. and Chen, P. (2005). Fabrication of recent progress in preparing tunable superhydrophobic surfaces. superhydrophobic surfaces. Advances in Proceedings of SPIE-The International Colloid and Interface Science 169: 80-105. Society for Optical Engineering 5648; 325– Yoshimitsu, Z., Nakajima, A., Watanabe, T. and 332. Hashimoto, K. (2002). Effects of surface Singh, A., Steely, L. and Allcock, H.R. (2005). structure on the hydro-phobicity and sliding Poly[bis(2,2,2-trifluoroethoxy)phosphazene]

บทความ วารสารวิทยาศาสตร มข. ปIที่ 40 ฉบับที่ 3 771

behavior of water droplets. Langmuir 18: superhydrophilicity transition by extending 5818–5822. and unloading an elastic polyamide film. Xu, L., Chen, W., Mulchandani, A. and Yan, Y. (2005). Macromolecular Rapid Communications 26: Reversible conversion of conducting 477–480. polymer films from superhydrophobic to Zhang, J.L., Li, J.A. and Han, Y.C. (2004). superhydrophilic. Angewandte Chemie Superhydrophobic PTFE surfaces by International Edition 44: 6009–6012. extension. Macromolecular Rapid Young, T. (1805). An essay on the cohesion of fluids. Communications 25: 1105–1108. Philosophical Transactions of the Royal Zhao, N., Xu, J., Xie, Q.D., Weng, L.H., Guo, X.L., Zhang, Society of London 95: 65-87. X.L. and Shi, L.H. (2005). Fabrication of Zhai, L., Cebeci, F.C., Cohen, R.E. and Rubner, M.F. biomimetic superhydrophobic coating with a (2004). Stable superhydrophobic coatings micro-nano-binary structure. from polyelectrolyte multilayers. Nano Macromolecular Rapid Communications 26: Letters 4: 1349–1353. 1075–1080. Zhang, J., Lu, X., Huang, W. and Han, Y. (2005). Reversible superhydrophobicity to