ว.วิทย. มข. 40(3) 750-771 (2555) KKU Sci. J. 40(3) 750-771 (2012) ปรากฏการณน้ํากลิ้งบนใบบัว: ทฤษฎีและการประยุกตใช2เพื่อสร2างพื้นผิวที่ทําความสะอาดตัวเองได2 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) ปรากฏการณน้ํากลิ้งบนใบบัว 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