น้ำกับความสมดุลของแรงแคปิลารี่

     



รูปที่1 ของเหลวที่อยู่ในหลอดทดลองเพื่อศึกษาแรงแคปิลารี่

ที่มา http://web.mit.edu/nnf/education/wettability/gravity.html
 

         
          เมื่อไม่นานมานี้ในส่วนของงานวิจัยที่ศึกษาเกี่ยวแรงแคปิราลี่ จาก University of Science and Technology of China (USTC) และ University of Mons ได้ทำการศึกษาวิจัยค้นคว้าเกี่ยวกับ ทฤษฎีแรงแคปปิลารี่โดยที่ เจาะลึกไปที่ เส้นสัมผัส(Contact line)ผิวของเหลวโดยอ้างศัยการวิเคราะห์พื้นฐานเชิงกล จากสมการของ โทมัส ยัง ซึ่งในปี คศ 1805 โทมัส ยัง นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้ศึกษาวิจัย แรงตึงผิวระหว่างผิวของเหลวกับผิววัสดุอื่นๆ หรือที่เรียกว่า interfacial tension และ มุมผิวสัมผัส (Contact angle) ซึ่งเป็นการศึกษาคุณสมบัติการเปียกของพื้นผิว และ ปรากฏการณ์ของแรงแคปิลารี่ ซึ่งสมการของยัง สามารถเขียนได้ดังต่อไปนี้

รูปที่2 แสดงองค์ประกอบของแรงตึงผิวเมื่อหยดน้ำหยดลงบนพื้นผิวเรียบ ตามสมการของยัง
ที่มา https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0953-8984/28/13/135001
 

          ซึ่งจากสมการของยัง เป็นการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่าง มุมผิวสัมผัส(Contact angle) ซึ่งจะแทนด้วยตัวแปร cos_θ กับ แรงตึงผิวระหว่างผิวสัมผัสของแข็งกับของเหลว และ อากาศ ซึ่งจะแทนด้วยตัวแปร γ_sv, γ_sl และ γ_lv ซึ่งเป็นสมดุลของแรงตึงผิวทั้งสามตัวแปรตามทิศทางลูกศรเวคเตอร์ แต่อย่างไรก็ตามนักวิจัยยังเกิดข้อสงสัยที่ว่า แรงผิวสัมผัส(surface force) หรือ พลังงานบนพื้นผิว(surface energirs) ระหว่างของของเหลวกับวัสดุนั้นจะสามารถนำไปวิเคราะห์ให้ลึกลงไปในระดับสเกลนาโนนั้นได้ไหม


          แต่แล้วต่อมาในปี2019 ปัญหานี้ได้ถูกนำมาแก้ไข ซึ่งอธิบายได้ว่า แรงแคพิลารี่ ไม่สามารถทดแทนกันกับสมการของยังได้ เพราะ อย่างหนึ่งเลย สมการของยังนั้นไม่สามารถนำไปพิสูจน์ได้ในทางการทดลอง เพราะว่า ในพื้นผิววัตถุแต่ละอัน ไม่ได้มีลักษณะเป็นผิวเรียบเลย ถ้าตามหลักทฤษฎีที่ โทมัส ยังได้กล่าวไว้ เป็นการศึกษามุมสัมผัสระหว่างแรงตึงผิวทั้งสาม เช่น ของแข็ง ของเหลว และ แก๊ส กับ พื้นผิววัสดุที่มีลักษณะที่เรียบแล้ว อีกทั้งเมื่อนำไปพิสูจน์สมการทางด้าน เทอร์โมไดนามิก เพื่อหาว่า สมการของยังนั้น สัมพันธ์กับพลังงานบนพื้นผิว(Surface energies) นั้นไหม ยังมีอุปสรรค์อยู่มากในการอธิบายความเป็นลักษณะทางเชิงกลของสมการ เพื่ออธิบายพฤติกรรมของของเหลวในรูปแบบ ที่ทฤษฎีของ โทมัส ยัง ได้กล่าวไว้ ซึ่งต่อมานักวิจัยนั้นได้ทำการทดสอบความสมดุลของแรงแคพิลารี่ซึ่งจะพิจารณาบนส่วนโค้งเว้าระหว่างของของเหลวในระดับอะตอมมิก สเกล ซึ่งจากการวิเคราะห์นั้นจะใช้การอ้างอิงจากแรงตึงผิวทั้งสามโดยแบ่งเป็นเฟสระหว่าง ของแข็ง-ของเหลว และ ของแข็ง-ก๊าซ ซึ่งวัตถุประสงค์ในการวิเคราะห์นี้ เพื่อที่จะทดสอบการเคลื่อนที่ของโมเลกุลในขอบเขตของมุมสัมผัส(contact angle) เพื่อศึกษาความแตกต่างของแรงคาปิลารี่ของหยดของเหลวบนพื้นผิววัตถุ 

          จากการศึกษาและพิสูจน์ทางทฤษฎีของยังกับแรงคาปิลลารี่ นั้นได้ข้อสรุปออกมาได้ทั้ง2อย่างคือ 1.ทางทีมวิจัยนั้นได้ศึกษาสมการของยังในระดับนาโนสเกลเพื่อศึกษาคุณสมบัติทางกล และ 2. ในระดับไมโครสโคปิกนั้นจะสามารถอธิบายคุณสมบัติของการเปียกและแรงแคปิลารี่ได้ โดยที่ผลลัพธ์ทั้งสองข้อนั้นจะนำมาสู่การพิสูจน์และศึกษาคุณสมบัติของการสมดุลแรงแคพิลารี่ โดยที่นำสมการของยังนั้นมาวิเคราะห์คุณสมบัติทางกล ในด้านแรงตึงผิวระหว่างพื้นผิวของเหลวกับพื้นผิววัสดุที่แตกต่างกัน ซึ่งจะเป็นการแสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติเชิงกลด้านแรงตึงผิวต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่สัมพันธ์กับแรงแคปปิลารี่ที่ได้กล่าวไว้ว่า เมื่อแรงตึงผิวที่กระทำระหว่างผิวเฟสของของเหลวกับวัตถุและแรงที่กระทำภายในแคปปิลารี่จะมีความแปรผันตรงซึ่งกันและกัน หรือจะเขียนได้ว่า γ ∝F ซึ่งเมื่อแรงที่กระทำภายในหลอดแคปปิลารี่เพิ่มขึ้น จะส่งผลให้ความตึงผิวของของเหลว กับ วัสดุต่างๆนั้นเพิ่มขึ้นด้วย ซึ่งจะทำให้เส้นผิวสัมผัสระหว่าง ของของเหลว กับ วัสดุนั้น เกิดการปรับตัวให้สมดุลขึ้น ตามลูกศรเวคเตอร์ซึ่งจะส่งผลให้ แรงตึงผิวทั้งสามนั้นเกิดความสมดุลบนผิววัสดุ และแรงแคปิลารี่จะสมดุลด้วย อีกทั้งสมการของยังนอกเหนือ
จากบอกความตึงผิวระหว่างของเหลวกับวัสดุแล้วยังจะสามารถบ่งบอกถึงความสามารถในการเปียกของพื้นผิวรวมทั้ง แรงที่กระทำภายในหลอดแคปปิลารี่อีกด้วย  โดยอ้างอิงจาก สมการของยัง ซึ่งกำหนดให้ F แทนด้วยแรงที่กระทำระหว่างน้ำกับผิววัตถุ และ L คือความยาวของรูปทรงน้ำ จากรูปที่3 
 

รูปที่3 แสดงถึงเวคเตอร์ของแรงตึงผิวระหว่างเฟสของของแข็ง และ ของเหลว และสมการของยังที่สัมพันธ์กับสมการของแรงตึงผิว
ที่มา: https://www.softschools.com/formulas/physics/surface_tension_formula/506/
 

         
          ซึ่งF คือ แรงกระทำต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ผิวระหว่างน้ำกับวัสดุ และ L คือความยาวพื้นที่ที่เปียกบนพื้นผิว ซึ่งในกรณีแรงแคปปิลารี่นั้นจะสามารถแบ่ง แรงออกได้เป็น2 กรณี คือ ถ้าแรงตึงผิวระหว่างโมเลกุลของเหลวนั้นมากกว่าแรงตึงผิววัตถุ จะส่งผลให้ลักษณะของเหลวโค้งคล้ายกับพาราโบล่าคว่ำ เราเรียก แรงลักษณะนี้ว่า แรงcohesion force แต่ในทางตรงกันข้าม เผอิญแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของเหลวนั้นน้อยกว่า แรงยึดเหนี่ยวกับพื้นผิววัตถุ จะส่งผลให้ลักษณะของเหลวนั้น นูนโป่งขึ้นมา เราเรียกลักษณะนี้ว่า แรง adhesion force


          โดยที่การศึกษานี้ไม่ได้เป็นเพียงแค่การค้นพบและเข้าใจพฤติกรรมของการเปียกของวัตถุเท่านั้น แต่ยังมีส่วนทำให้เกิดการนำไปประยุกต์ใช้ในหลายสายงานไม่ว่าจะเป็น ไมโคร-นาโน ฟลูอิดิกชิพ และ ช่วยพัฒนาและปรับปรุงของการซึมของน้ำภายในท่อ และงานด้านสายการแพทย์ อีกทั้งสายงานวิศวกรรม และ วิทยาศาสตร์ในหลายแขนงอีกมากมาย

บทความโดย

นวะวัฒน์ เจริญสุข
วิศวกรรมยานยนต์

สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง

    
        ที่มา