พฤติกรรมของน้ำกับการชะล้างสิ่งสกปรก

รูปที่1 ทำการหยดน้ำลงบนพื้นผิววัสดุอะลูมิเนียม
ที่มา: N. Charoensuk et al 2019 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 639 012025
 

          น้ำ คือส่วนประกอบระหว่าง โมเลกุลของไฮโดรเจน และ โมเลกุลของออกซิเจน จนรวมกันเป็นน้ำซึ่งเพียงแค่น้ำไม่น่าเชื่อว่า จะสามารถทำให้เกิดการวิจัยและศึกษาค้นคว้าเพิ่มเติม เริ่มกันที่ โทมัส ยัง นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ทุกคนจะรู้จักกันดีจาก ทฤษฏี ยังโมดูลัส โทมัส ยัง ได้ทำการศึกษาและสังเกตได้จาก เมื่อน้ำหยดลงบนใบบัวนั้นทำไมจึงไม่เปียกไปกับพื้นผิวใบบัวแต่กลับกัน ยังสามารถเกาะตัวและยึดเหนี่ยวกันได้อย่างหนาแน่นเป็นรูปทรงกลมได้อย่างสวยงาม จากการเริ่มต้นเพียงแค่น้ำหยดลงบนใบบัว สู่การศึกษาค้นคว้าวิจัยอย่างมาก ไม่ว่าจะเป็นสเปรย์นาโน เวลาฉีดไปลงบนรองเท้า หรือ เสื้อผ้าจะทำให้น้ำนั้นไม่สามารถเปียกไปกับเสื้อผ้าได้ อีกทั้งในงานศึกษาวิจัยล่าสุด ในเครื่องปรับอากาศที่เราใช้กันอยู่ในชีวิตประจำวันเรานั้น ซึ่งเจ้าเครื่องปรับอากาศจะอาศัยหลักการทาง เทอร์โมไดนามิกที่ว่า เป็นการแลกเปลี่ยนความร้อนจากในระบบ ออกสู่นอกระบบ หรือ สภาพแวดล้อมข้างนอก ซึ่งภายในระบบเครื่องปรับอากาศนั้นจะมีทั้ง คอลน์เย็น และ คอลน์ร้อน ซึ่งทำหน้าที่แลกเปลี่ยนอากาศกัน ซึ่งตรงนี้ละที่เมื่อเวลาเราจะไปจ้างช่างล้างแอร์มาล้าง เราจะสังเกตุเห็นได้ว่าจะมีสิ่งสกปรก เช่น ไร ฝุ่น เกาะติดมากมาย ซึ่งบางท่านอาจจะไม่สะดวกใจยิ่งหนักว่า ช่างแอร์นั้นจะล้างแอร์ให้เราได้สะอาดจริงไหม ถ้าจะให้ดีเป็นการล้างแอร์โดยเป็นการล้างจากตัวเครื่องของมันเองเลย หรือ ยังสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในโรงงานอุตสาหกรรมทำเป็นสารเคลือบผิวกันน้ำนั้น ใช้สำหรับเคลือบผิวบนวัสดุอะลูมิเนียม โลหะ เพื่อป้องกันการเกิดสนิมออกไซด์เกาะจับบนพื้นผิววัสดุได้อีกด้วย


          ซึ่งจากการศึกษาวิจัยโดยอ้างอิงจากหลักพื้นฐานทฤษฎีโทมัส ยัง นั้นทำให้ทีมนักวิจัยนั้นได้เริ่มทำการศึกษาวิจัยพฤติกรรมหยดน้ำที่มีผลต่อการชำระล้างสิ่งสกปรก โดยการนำอะลูมิเนียมนั้นมาทำการขัดผิวให้มีความแตกต่างบนพื้นผิวโดยเริ่มจากการขัดผิว(Abrasive)ที่มีความหยาบมาก ไปจนถึง ผิวที่มีความเรียบเลย จากนั้นทำการทดลองโดยการ หยดน้ำเพื่อศึกษาพฤติกรรมของน้ำที่มีต่อวัสดุด้วยเครื่องวัดมุม(Contact angle)ว่า จะเป็นอย่างไร ซึ่งผลปรากฎว่า เมื่อผิวที่มีลักษณะความหยาบมากกว่าจะเกิดการไม่ชอบน้ำ(Hydrophobic) นั้นมากกว่า ผิวที่มีผิวเรียบ ซึ่งผิวเรียบนั้นจะมีลักษณะของหยดน้ำนั้น คล้ายคลึงกับการชอบน้ำ(Hydrophilic) ซึ่งการแบ่งแยกประเภทการชอบน้ำ(Hydrophilic) และ การไม่ชอบน้ำ (Hydrophobic)นั้น ล้วนแต่มาจากหลักพื้นฐานที่ว่า ในน้ำมีโมเลกุลระหว่าง ไฮโดรเจน และ ออกซิเจน ซึ่งเมื่อโมเลกุลของน้ำนั้นเกิดแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลกันอย่างหนาแน่นจะส่งผลให้ลักษณะรูปทรงของน้ำจะนูนคล้ายวงกลมอยู่บนผิววัสดุ ซึ่งจะเป็นในกรณีของการไม่ชอบน้ำ(Hydrophobic) แต่ในทางตรงกันข้าม ถ้าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของน้ำและออกซิเจนนั้น น้อยกว่า แรงยึดเหนี่ยวของตัวน้ำและวัสดุ จะทำให้ลักษณะรูปทรงของน้ำดังกล่าวนั้น จะมีลักษณะเป็นวงรีค่อนข้างเรียบไปกับพื้น ซึ่งในกรณีนี้เรียกว่า การชอบน้ำ (Hydrophilic) ซึ่งจากกผลการทดลองนี้แสดงให้เห็นว่า ลักษณะของหยดน้ำที่ทางวิจัยได้ทำการทดลองนั้น และ สังเกตุเห็นได้ว่าจะคล้ายคลึงกับ ทฤษฏีอันหนึ่งที่ได้กล่าวไว้ว่า เมื่อหยดน้ำหยดลงไปบนพื้นผิววัสดุที่มีลักษณะผิวขรุขระนั้นแล้ว จะมีพื้นที่ผิวน้ำบางส่วนแทรกตัวอยู่ระหว่าง ซอกฟันปลาของพื้นผิวที่เรียกว่า (Air-trap) ในพื้นผิว ซึ่งทฤษฎีที่ว่านี้นั่นคือ สมการเวนเซล (Wenzel’s Equation) ซึ่งทฤษฎีเวนเซลนั้น คืออะไรไปติดตามกันต่อได้เลย


 

รูปที่2 พื้นผิวที่ได้เตรียมการขัดจากพื้นผิวหยาบ(A)ไปจนกระทั่งพื้นผิวเรียบ(E)
ที่มา N. Charoensuk et al 2019 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 639 012025
 

 

รูปที่3 เครื่องวัดมุม(Contact angle)
ที่มา N. Charoensuk et al 2019 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 639 012025


          สมการเวนเซล(Wenzel’s equation) ผู้คิดค้น Robert N. Wenzel ได้ทำการศึกษาคุณสมบัติการเปียกของวัสดุ โดยที่นำวัสดุที่มีลักษณะพื้นผิวที่หยาบ หรือที่เรียกว่า Surface roughness (Ra) นั้นมาทำศึกษาทดลอง โดยการหยดน้ำลงบนผิววัสดุ ซึ่งเมื่อหยดน้ำลงไปแล้วปรากฏว่า มีพื้นที่ผิวของน้ำบางส่วนนั้นได้แทรกตัวระหว่างพื้นผิววัสดุ หรือที่เราเรียกว่า Air-trap นั้นจะสามารถแสดงได้ดั่งสมการ

รูปที่4 ลักษณะพฤติกรรมของน้ำในรูปแบบเวนเซลล์ และ สมการเวนเซลล์
ที่มา https://www.semanticscholar.org/paper/Simple-derivation-of-Young%2C-Wenzel-and-equations-Banerjee/d342829eca228bb114c2020bb440138dfa2d32e5
 

          จากสมการข้างต้น เป็นสมการที่อธิบายถึง ความหยาบของพื้นผิว (r) และ แรงตึงผิวระหว่าง น้ำกับพื้นผิววัสดุ (γ) ซึ่งจากสมการเวนเซลล์นี้อธิบายถึงการทดลองข้างต้นที่ว่า เมื่อพฤติกรรมของน้ำมีลักษณะที่เกาะอยู่บนพื้นผิววัสดุแต่จะมีบางส่วนที่แทรกตัวอยู่ระหว่างซอกผิววัสดุ ที่เราเรียกว่า Air-trap นั้นจะคล้ายคลึงกันกับสมการเวนเซลล์ที่บ่งบอกลักษณะและพฤติกรรมของน้ำกับวัสดุ ซึ่งทางทีมวิจัยเลยอยากทดสอบว่าจะมีประสิทธิภาพในการชะล้างนั้นได้มากน้อยขนาดไหน จึงได้ทำการทดสอบ การชะล้างสิ่งสกปรก โดยครั้งนี้เป็นการนำวัสดุอะลูมิเนียมนั้น มาทำการเอียงพื้นผิวด้วยเครื่องวัดมุมหรือที่เรียกว่า contact angle และทำการทดลองโดยให้หยดน้ำนั้นสไลด์ไปบนพื้นผิววัสดุอะลูมิเนียม ซึ่งจากการทดลองนั้นได้ผลสรุปว่า ความสามารถในการชะล้างสิ่งสกปรกนั้นในส่วนของพื้นผิวชรุขระ(Rough) นั้นมีประสิทธิภาพในการชะล้างมากกว่า พื้นผิวแบบเรียบ ซึ่งจากผลการทดลองนั้นสรุปได้ว่า พื้นผิวขรุขระนั้นมีประสิทธิภาพในการชะล้างสิ่งสกปรกได้มากกว่า 
 

รูปที่5 รูปตัวอย่างแสดงถึงการศึกษาพฤติกรรมของหยดน้ำ บนเครื่อง contact angle
ที่มา  N. Charoensuk et al 2019 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 639 012025
 

          ต่อจากนั้นทางทีมวิจัยได้ทำการเคลือบผิวโดยที่อยากปรับปรุงพื้นผิวนั้นเพื่อทดสอบการชะล้างพื้นผิวเมื่อมีการเคลือบที่ผิววัสดุโดยการ เคลือบผิวโดยใช้สารเคมีที่ชื่อว่า Titanium acetylacetonate เป็นออร์แกนิกเคมี ด้วยวิธีการ จุ่มทางเคมี (Chemical etching) จากนั้นทำการทดลองโดยการศึกษาพฤติกรรมของหยดน้ำ กับเครื่องวัดมุมอีกรอบ ผลปรากฏว่า รูปทรงของน้ำมีลักษณะที่นูนมากยิ่งขึ้น เมื่อเทียบกับการไม่เคลือบผิว ซึ่งจะมีลักษณะคล้ายกับ พฤติกรรมการไม่ชอบน้ำ(Hydrophobic) บนพื้นผิววัสดุ ซึ่งเหมาะกับการไปเคลือบผิวบนวัสดุโลหะ ในการป้องกันการเกิดออกไซด์สนิมขึ้นบนวัสดุ อีกทั้งยังสามารถนำไปปรับใช้กับในทางอุตสาหกรรมไม่ว่าจะเป็น แอร์สามารถชะล้างสิ่งสกปรกได้ในตัวเอง รวมทั้งอุตสาหกรรมยานยนต์ที่นำไปปรับปรุงคุณสมบัติกาวที่ใช้เชื่อมอะลูมิเนียมกับตัวโครงรถยนต์ได้อีกด้วย อีกทั้งในอนาคตข้างหน้าจะมีการศึกษาการเคลือบผิวด้วยการใช้สารที่เป็นออร์แกนิกเคมีมากยิ่งขึ้น เพื่อเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากยิ่งขึ้นต่อไป
 

รูปที่6 สารที่นำมาเคลือบผิว ที่มีชื่อว่า Titanium acetylacetonate
ที่มา https://www.researchgate.net/publication/243958213_TitaniumIV_acetylacetonate_xerogels_for_processing_titania_films_AAA_thermoanalytical_study
 

 

บทความโดย

นวะวัฒน์ เจริญสุข
วิศวกรรมยานยนต์
สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง

 ที่มา