เรียบเรียงโดย บุญรักษ์  กาญจนวรวณิชย์
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ

ภาพจาก http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lotus_Nelumbo_nucifera_Water_Splash_2400px.jpg

       ปรากฏการณ์น้ำกลิ้งบนใบบัว หรือโลตัสเอฟเฟค (lotus effect) เป็นคำที่เกิดขึ้นเมื่อ ดร.วิลเฮล์ม บาร์ทโลทท์ (Wilhelm Barthlott) และคณะวิจัยพบว่า ผิวใบบัวมีสมบัติพิเศษในการป้องกันเศษสิ่งสกปรก รวมถึงของเหลวต่างๆ ไม่ให้เกาะติดใบได้ เนื่องจากโครงสร้างระดับจุลภาคบนผิวใบบัวมีความขรุขระระดับไมโครเมตร และมีสารคล้ายไขหรือขี้ผึ้งคลุมอยู่บนตุ่มขรุขระทั้งหมด ทำให้น้ำซึ่งมีความตึงผิวกลิ้งไปมาบนใบบัวได้ รวมทั้งทำให้ฝุ่นและสิ่งสกปรกอื่นๆ หลุดออกจากผิวใบบัว และติดไปกับน้ำได้ง่าย ซึ่งลักษณะพื้นผิวเช่นนี้นักวิทยาศาสตร์เรียกว่า พื้นผิวทำความสะอาดได้ด้วยตนเอง (self-cleaning surface)

ลักษณะหยดน้ำบน (a) ผิววัสดุทั่วป (b) ผิววัสดุซูเปอร์ไฮโดรโฟบิค และ (c) ผิววัสดุเลียนแบบผิวใบบัว
ภาพจาก http://www.nature.com/nmat/journal/v1/n1/fig_tab/nmat715_F1.html

      งานวิจัยเรื่องผิวใบบัวของ ดร.บาร์ทโลทท์ ส่งผลให้ช่วงทศวรรษที่ผ่านมานักวิจัยทั่วโลกพยายามวิจัยเพื่อหาทางสร้างพื้นผิวเลียนแบบผิวใบบัว โดยอาศัยความรู้ทางเคมี ฟิสิกส์ วัสดุศาสตร์ และวิศวกรรมศาสตร์ ในการสร้างผิวสังเคราะห์บนวัสดุหรือแผ่นรองต่างๆ เช่น กระจก แผ่นซิลิคอน พลาสติก เป็นต้น
ปัจจุบันวิธีที่นิยมใช้สร้างผิววัสดุให้มีสมบัติไม่เปียกน้ำ เพื่อเลียนแบบผิวใบบัวมี 2 วิธี คือ
      1.นำวัสดุที่มีพลังงานเชิงพื้นผิวอิสระต่ำมาปรับสภาพผิวให้มีความขรุขระเหมาะสม เช่น การกัดพื้นผิวด้วยแสงเลเซอร์ พลาสมา หรือสารเคมี การใช้เทคนิคลิโธกราฟี การสร้างลวดลายระดับจุลภาค กระบวนการโซล-เจล การสร้างฟิล์มเป็นชั้นๆ (layer-by-layer assembly) การสร้างเส้นใยขนาดเล็กโดยการใช้ไฟฟ้า (electrospining) การใช้เทคนิคทางไฟฟ้าเคมี (electrochemical deposition) เป็นต้น
      2.นำวัสดุทั่วไปมาปรับสภาพผิวให้ขรุขระแล้วเคลือบทับด้วยสารหรือโมเลกุลที่มีพลังงานเชิงพื้นผิวอิสระต่ำ ซึ่งวัสดุที่มีพลังงานเชิงผิวต่ำที่นิยมใช้มีหลายกลุ่ม เช่น วัสดุในกลุ่มเทฟลอนหรือโพลิเตตระฟลูออโรเอทิลีน (polytetrafluoroethylene, PTFE) ฟลูออริเนตเต็ดเอทิลีนโพรพิลีน (fluorinated ethylene propylene,FEP) ซิลิโคนหรือโพลิไดเมทิลไซลอกเซน (polydimethylsiloxane, PDMS) โพลิเอทิลีน (polyethylene, PE) เป็นต้น
อย่างไรก็ดีวิธีสร้าง หรือปรับปรุงพื้นผิวเหล่านี้ไม่เหมาะสำหรับการสร้างพื้นผิวขนาดใหญ่ หรือการผลิตในเชิงอุตสาหกรรม เพราะกระบวนการสร้าง หรือการเคลือบมีความซับซ้อน ต้องทำหลายขั้นตอน นอกจากนี้ชั้นฟิล์ม หรือพื้นผิวที่สร้างขึ้นยังไม่ทนทานต่อการขูดขีด

 
หยดน้ำเปล่า (ซ้าย) กลีเซอรอล (กลาง) น้ำมันพืช (ขวา) บนผิวเคลือบไม่เปียกน้ำและน้ำมัน

งานวิจัยพัฒนาพื้นผิวไม่เปียกน้ำและน้ำมันของนักวิจัยไทย
      ในงานวิจัยเรื่อง อิฐกันตะไคร่ด้วยเทคโนโลยีเลียนแบบธรรมชาติ ดร.สิทธิสุนทร สุโพธิณะ นักวิจัยและคณะวิจัยของศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ ได้พัฒนาผิววัสดุให้มีสมบัติไม่เปียกน้ำ ซึ่งผลิตภัณฑ์สามารถป้องกันการเจริญเติบโตของตะไคร่ หรือสิ่งมีชีวิตอื่นที่พึ่งพาน้ำในการเจริญเติบโต แต่ไม่สามารถป้องกันการเกาะของของเหลวในกลุ่มไฮโดรคาร์บอน เช่น น้ำมัน ดังนั้น ดร.สิทธิสุนทร และคณะจึงนำงานวิจัยนี้มาต่อยอดด้วยการพัฒนาพื้นผิวให้มีสมบัติทั้งไม่เปียกน้ำและน้ำมัน โดยอิงหลักการเดิม คือ 1.ผิววัสดุต้องมีพลังงานเชิงพื้นผิวอิสระต่ำ และ 2.พื้นผิวมีความขรุขระสูง
      นอกจากการพัฒนาผิววัสดุไม่เปียกน้ำ และน้ำมันแล้ว คณะวิจัยยังให้ความสนใจในการพัฒนาผิววัสดุให้มีความเสถียร และสามารถผลิตได้ด้วยกระบวนการไม่ซับซ้อน เพื่อให้นำไปประยุกต์ใช้งานได้จริง โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมกระจก

การสร้างผิวเคลือบไม่เปียกน้ำและน้ำมันด้วยการจุ่ม

      ในงานวิจัยเดิมคณะวิจัยเลือกใช้สารประกอบไซลอกเซน (siloxane) ร่วมกับอนุภาคนาโนของสารบางชนิด ซึ่งสารเคลือบที่ได้สามารถป้องกันการเปียกน้ำได้ดี แต่สำหรับการพัฒนาผิววัสดุไม่เปียกน้ำและน้ำมัน เนื่องจากน้ำมันมีสมบัติความตึงผิวน้อยกว่าน้ำ จึงทำให้ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากงานวิจัยเดิมไม่สามารถป้องกันการเปียกน้ำมันได้ คณะวิจัยได้เปลี่ยนไปใช้สารซิลิคอนออกไซด์ (SiO2) ร่วมกับสารประกอบอื่นที่มีพลังงานอิสระเชิงผิวต่ำยิ่งขึ้น และใช้วิธีเคลือบวัสดุด้วยการจุ่ม (dip) ซึ่งไม่ซับซ้อน

  
ภาพถ่ายเปรียบเทียบรูปทรงหยดน้ำ (ซ้าย) หยดน้ำมัน (ขวา)

ผลการวิจัยและทดสอบ
      คณะวิจัยประสบความสำเร็จในการพัฒนาสารเคลือบผิววัสดุที่ทำให้น้ำ และน้ำมันมีค่ามุมสัมผัสสูงถึง 173 องศา และ 147 องศาตามลำดับ โดยผลิตภัณฑ์มีลักษณะเป็นของเหลวใสไม่มีสี ฟิล์มที่เคลือบบนกระจกมีค่าการส่องผ่านแสงมากกว่า 85 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งใกล้เคียงกับกระจกที่ไม่ได้เคลือบฟิล์ม

      ในการทดสอบประสิทธิภาพของฟิล์มคณะวิจัยทดลองเคลือบสารบนวัสดุเพียง 1 ชั้น ปล่อยให้สารเคลือบแห้งแข็งเป็นชั้นฟิล์มบาง ก่อนนำมาทดสอบทั้งในสภาวะจำลอง และสภาวะการใช้งานทั่วไป ซึ่งคณะวิจัยพบว่า ชั้นฟิล์มที่ได้มีความเสถียรตัว และทนทานดี

ส่งท้าย
      งานวิจัยและพัฒนาฟิล์มไม่เปียกน้ำ และน้ำมันเป็นตัวอย่างงานวิจัยเทคโนโลยีเลียนแบบธรรมชาติชิ้นหนึ่ง ที่นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกกำลังให้ความสนใจ เพราะวัสดุที่มีพื้นผิวเช่นนี้จะสามารถลดการใช้สารเคมีในการทำความสะอาดได้ จึงมีความเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม

แหล่งข้อมูลอ้างอิง
สิทธิสุนทร สุโพธิณะ และคณะ (2553) รายงานการวิจัย พัฒนา และวิศวกรรมฉบับสมบูรณ์ “การพัฒนาฟิล์มไม่เปียกน้ำและน้ำมันที่มีความเสถียรและทนทาน” ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ

สนใจรายละเอียดติดต่อคุณจันทร์เพ็ญ ถนอมบุญ เบอร์โทรศัพท์ (02) 564 – 6500 ต่อ 4667