การรวมตัวกันแบบชะลอของฟองอากาศขนาดเล็กบนผิวนกเพนกวิน

บทความนี้จะกล่าวถึงงานวิจัยของทีมวิจัยจากสถาบัน National Institute for Materials Science (NIMS) ประเทศญี่ปุ่น (M. Tenjimbayashi, Y. Kawase, K. Doi, C.X. Ng and M. Naito, (2018)) ซึ่งได้รับแนวความคิดและแรงบันดาลใจจากการเลียนแบบสิ่งมีชีวิตในธรรมชาติที่เรียกว่า ไบโอมิมิคริ (biomimicry) ด้วยการเลียนแบบผิวหนังของนกเพนกวิน เนื่องจากนกเพนกวินสามารถสร้างชั้นอากาศบาง ๆ เคลือบที่ผิวหนัง เพื่อช่วยลดแรงต้านของน้ำในระหว่างการเคลื่อนที่ในน้ำ ความรู้นี้ได้นำไปสู่การศึกษาพฤติกรรมเชิงพลวัตของภาวะการเปียก (wetting dynamics) สำหรับฟองอากาศใต้น้ำ ซึ่งงานวิจัยมีวัตถุประสงค์เพื่ออธิบายฟองอากาศขนาดเล็กใต้น้ำบนพื้นผิวที่มีคุณลักษณะไม่ชอบน้ำยิ่งยวดและคุณลักษณะชอบน้ำยิ่งยวด นักวิจัยพบว่าเมื่อฟองอากาศสัมผัสกันจะมีการรวมตัวกันแบบชะลอ นอกจากนี้การรวมตัวกันแบบชะลอขึ้นกับขนาดของฟองอากาศด้วย โดยมีความสัมพันธ์ไปในทิศทางเดียวกัน การศึกษานี้ช่วยเพิ่มความเข้าใจเกี่ยวกับระบบอากาศ-ของแข็ง-น้ำ และวิธีการการลดแรงต้านการเคลื่อนที่


นกเพนกวินบางจำพวกอาศัยในแถบขั้วโลกซึ่งมีอากาศหนาว จากการสังเกตพฤติกรรมทางธรรมชาติของนกเพนกวิน พบว่าพวกมันสามารถดำดิ่งลงในน้ำลึกโดยที่น้ำไม่สามารถซึมผ่านขนได้ ธรรมชาติได้ออกแบบขนของนกเพนกวินให้มีสองชั้น ด้วยโครงสร้างของขนที่เป็นระบบ (hierarchical structure) มีแผงขนหนาแน่นกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ และโคนขนมีเส้นใยเล็กระดับไมโครเมตร (รูปที่ 1(A)) โดยชั้นล่างมีขนาดเล็กละเอียดทำหน้าที่กักเก็บอากาศเพื่อลดการสูญเสียความร้อนของร่างกาย ในขณะที่ขนชั้นบนมีรูปทรงปลายเรียวแหลมคล้ายเกล็ด (scale) ทำหน้าที่ป้องกันไม่ให้น้ำผ่านเข้า (water-proofing) และช่วยให้ว่ายน้ำได้เร็ว


นักวิทยาศาสตร์ 2 ท่าน คือ โรเจอร์ ฮิวจ์ส และ พอล ลาร์เซน^[3] ศึกษาปรากฏการณ์ของฟองน้ำผุดพรายเป็นทางยาวตามหลังนกเพนกวินในขณะที่นกเพนกวินพุ่งทะยานไปในท้องทะเล (รูปที่ 1(B)) โดยวิเคราะห์จากเทปบันทึกภาพใต้น้ำ พวกเขาพบว่าพรายฟองเหล่านั้นช่วยให้นกเพนกวินว่ายน้ำได้เร็วขึ้น นกเพนกวินใช้อากาศเป็นตัวหล่อลื่นเพื่อช่วยลดแรงต้านและเพิ่มความเร็ว เมื่อนกเพนกวินว่ายน้ำแรงเสียดทานระหว่างร่างกายกับน้ำทำให้พวกมันคลื่อนที่ช้าลง ส่งผลให้ความเร็วสูงสุดมีค่าอยู่ระหว่าง 1.2 ถึง 2.7 เมตรต่อวินาที แต่พวกมันสามารถเร่งความเร็วขึ้นได้สองหรือสามเท่าในเวลาอันสั้น โดยการปล่อยอากาศออกจากเรือนขน เป็นพรายฟองขนาดเล็ก ซึ่งช่วยลดความหนาแน่นและความหนืดของน้ำรอบตัวนกเพนกวิน เป็นการลดแรงต้านและช่วยให้มันเร่งความเร็ว ซึ่งไม่สามารถทำได้ด้วยการเคลื่อนไหวตามปกติ กุญแจของความสามารถพิเศษนี้อยู่ที่ขนของพวกมัน นกเพนกวินสามารถพองขนให้อากาศเข้าไปแทรกอยู่ตามเส้นขนเมื่อว่ายอยู่ที่ผิวน้ำ และด้วยโครงสร้างของขนที่กล่าวข้างต้นอากาศจึงถูกกักเก็บไว้ในตาข่ายขนที่เล็กละเอียด และปล่อยออกมาเป็นฟองขนาดเล็กจนกลายเป็นชั้นเคลือบลื่นบนพื้นผิวขน

รูปที่ 1 

(A) ขนนกเพนกวินที่ออกแบบสำหรับให้ความอบอุ่นและการว่ายน้ำที่รวดเร็ว 
(ภาพจาก: http://cesshereandthere.com/some-facts-about-emperor-penguins)
(B) ฟองอากาศที่พ่นออกมาจากตัวนกเพนกวินช่วยให้ว่ายน้ำได้เร็วขึ้น
(ภาพจาก: Paul Nicklen/National Geographic)

อย่างไรก็ตามนกเพนกวินไม่เพียงแต่สามารถสร้างชั้นอากาศบาง ๆ เคลือบที่ผิวหนังได้ แต่ยังมีการเคลื่อนที่ของฟองอากาศรอบชั้นอากาศที่เคลือบผิวหนังด้วย งานวิจัยอื่นที่ผ่านมาจึงทำการศึกษาและพิจารณาการเคลื่อนที่ที่เกี่ยวข้องกับผิวสัมผัส (interfacial dynamic) ของฟองอากาศใต้น้ำบนพื้นผิวที่มีคุณลักษณะไม่ชอบน้ำยิ่งยวดเช่นกัน แต่ยังไม่เคยมีงานวิจัยใดทำการศึกษาพฤติกรรม wetting dynamics สำหรับฟองอากาศใต้น้ำมาก่อน งานวิจัยของทีมวิจัยจากสถาบัน NIMS ประเทศญี่ปุ่น จึงมีวัตถุประสงค์เพื่ออธิบายฟองอากาศขนาดเล็กใต้น้ำบนพื้นผิวที่มีคุณลักษณะไม่ชอบน้ำยิ่งยวดและคุณลักษณะชอบน้ำยิ่งยวด


การรวมตัวกันแบบชะลอที่เรียกว่า coalescence delay เกิดขึ้นเนื่องจากมีการชะลอระหว่างการสัมผัส (contact) และการรวมตัวกัน (coalescence) ของฟองอากาศ ซึ่งส่งผลต่อกลไกการสะสม (deposition) ของฟองอากาศ    บนพื้นผิวในสภาวะใต้น้ำ จากรูปที่ 2(A) จะเห็นได้ว่ามีฟองอากาศเกาะติด (adhesion) บนพื้นผิวตัวอย่างที่มีคุณลักษณะชอบน้ำยิ่งยวด (ภาพซ้าย) และปรากฏการณ์นี้เกิดได้เนื่องจากมีการรวมตัวกันแบบชะลอ (coalescence delay) ซึ่งสามารถเห็นได้ชัดจากแบบจำลองแสดงกลไกการสะสม (deposition) ของฟองอากาศในสภาวะใต้น้ำบนพื้นผิวที่มีคุณลักษณะชอบน้ำยิ่งยวดและบนพื้นผิวที่มีคุณลักษณะไม่ชอบน้ำยิ่งยวด ดังแสดงในรูปที่ 2(B)

เมื่อพิจารณากรณีที่พื้นผิวมีคุณลักษณะชอบน้ำยิ่งยวด (ด้านซ้ายของรูปที่ 2(B)) พบว่าเมื่อฟองอากาศที่ 1 (bubble I) ลอยขึ้นด้วยแรงลอยตัว (F_b) และเคลื่อนที่เข้ามาสัมผัสกับฟองอากาศที่ 2 (bubble II) ที่เกาะติด (adhesion) อยู่บนพื้นผิวตัวอย่าง ฟองอากาศที่ 1 และฟองอากาศที่ 2 จะยังไม่เกิดการรวมตัวกันเนื่องจากมีปรากฏการณ์การรวมตัวกันแบบชะลอ (coalescence delay) และฟองอากาศที่ 1 จะกลิ้งตามความโค้งของฟองอากาศที่ 2 กำหนดให้ช่วงเวลาที่ฟองอากาศที่ 1 เกาะติดบนพื้นผิวตัวอย่างเป็น adhesion time (t_ad) จากการทดลองพบว่าบนพื้นผิวที่มีคุณลักษณะชอบน้ำยิ่งยวดระยะเวลาของการเกาะติด t_ad  มีค่าสูงที่สุดเท่ากับ 20 มิลลิวินาที ซึ่งมีค่าน้อยกว่าระยะเวลาของการรวมตัวกันแบบชะลอ (coalescence delay time: t_d) มาก และในกรณีที่ t_ad < t_d ฟองอากาศจะเกิดการเกาะติดบนพื้นผิวแทนที่จะเกิดการรวมตัวกันกับฟองอากาศอื่น 

รูปที่ 2 การเกาะติดของฟองอากาศบนพื้นผิวที่มีคุณลักษณะไม่ชอบน้ำยิ่งยวดและพื้นผิวที่มีคุณลักษณะชอบน้ำยิ่งยวด
(A) ภาพลำดับเวลา (B) แบบจำลองแสดงกลไกเพื่ออธิบายการสะสมของฟองอากาศในสภาวะใต้น้ำบนพื้นผิวตัวอย่าง (C) กราฟความสัมพันธ์ระหว่างขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของฟองอากาศกับระยะเวลาของการรวมตัวกันแบบชะลอ (D) ภาพลำดับเวลาของฟองอากาศที่มีขนาดใหญ่ส่งผลกระทบต่อการสร้างชั้นฟิล์มอากาศบนพื้นผิวที่มีคุณลักษณะไม่ชอบน้ำยิ่งยวด (การศึกษาควบคุมด้วย t_d < t_ad)
(ภาพจาก: M. Tenjimbayashi, Y. Kawase, K. Doi, C.X. Ng and M. Naito, (2018))

ในทางตรงข้ามพิจารณากรณีที่พื้นผิวมีคุณลักษณะไม่ชอบน้ำยิ่งยวด (ด้านขวาของรูปที่ 2(B)) พบว่าชั้นฟิล์มอากาศ (air film) ถูกสร้างขึ้นเนื่องจาก wettability หรือความสามารถเปียกได้ของพื้นผิว และฟองอากาศที่ลอยขึ้นถูกดูดกลืน (absorption) ด้วยชั้นฟิล์มอากาศ โดยมีขั้นตอนคือเมื่อฟองอากาศที่ 3 (bubble III) เคลื่อนที่เข้ามาสัมผัสกับชั้นฟิล์มอากาศ จะเกิดปรากฏการณ์การรวมตัวกันแบบชะลอ (coalescence delay) และฟองอากาศที่ 3 เริ่มที่จะกลิ้งตามชั้นฟิล์มอากาศ แต่ระยะเวลาของการเกาะติด t_ad มีค่ามากกว่าระยะเวลาของการรวมตัวกันแบบชะลอ t_d (นั่นคือ t_ad > t_d) เพราะว่าพื้นที่ผิวของชั้นฟิล์มอากาศมีขนาดใหญ่ ดังนั้นฟองอากาศที่ 3 จึงถูกดูดกลืน (absorption) ด้วยชั้นฟิล์มอากาศก่อนที่จะเกิดการเกาะติด (adhesion) บนพื้นผิวตัวอย่าง 


เมื่อเกิดปรากฏการณ์การรวมตัวกันแบบชะลอ ฟองอากาศจะสัมผัสกับพื้นผิวของชั้นฟิล์มอากาศ ซึ่งเป็นการสัมผัสกันบางส่วนที่เรียกว่า hovers โดยมีมุมสัมผัสประมาณ 180° ปรากฏการณ์นี้บ่งบอกว่าจะมีชั้นน้ำบาง ๆ (thin water film) เกิดขึ้นอยู่ระหว่างฟองอากาศและชั้นฟิล์มอากาศ ดังนั้นการชะลอ (delay) เกิดขึ้นเนื่องจากการมีช่วงชีวิต (lifetime) หรือช่วงระยะเวลาที่มีชั้นน้ำบาง ๆ แทรกอยู่ระหว่างฟองอากาศกับชั้นฟิล์มอากาศนั่นเอง มีงานวิจัยก่อนหน้านี้อธิบายหยดของเหลวที่สัมผัสกันบนอากาศเกิดการ hovers มีชั้นอากาศบาง ๆ (air film) เกิดขึ้นแทรกอยู่ระหว่างหยดของเหลว เมื่อเปรียบเทียบระหว่างการรวมตัวกันของฟองอากาศ (bubble coalescence) ในสภาวะใต้น้ำ กับการรวมตัวกันของหยดของเหลว (liquid droplet coalescence) ในอากาศ พบว่ากลไกของการรวมตัวกันแบบชะลอของทั้งสองกรณีมีความสอดคล้องกัน แต่มีความแตกต่างกันในส่วนของ ชั้นบาง ๆ (thin film) ที่เกิดขึ้นแทรกอยู่ระหว่างฟองอากาศสำหรับการรวมตัวกันใต้น้ำ และที่เกิดขึ้นแทรกอยู่ระหว่างหยดของเหลวสำหรับการรวมตัวกันในอากาศ โดยความแตกต่างนี้ขึ้นอยู่กับปัจจัย 2 อย่าง คือ 1. มวลของฟองอากาศหรือมวลของหยดของเหลว และ 2. ความหนืด (viscosity) ของของไหลที่โอบล้อมรอบฟองอากาศหรือหยดของเหลวนั้น   


เมื่อทีมนักวิจัยศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของฟองอากาศ (2r) เทียบกับระยะเวลาของการรวมตัวกันแบบชะลอ (t_d) พวกเขาพบว่ามีความสัมพันธ์กันในรูปแบบสมการ ดังสมการที่ (1) และมีค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ (correlation coefficient) เท่ากับ 0.891 นั่นแสดงว่าระยะเวลาของการรวมตัวกันแบบชะลอ (t_d) จะขึ้นกับขนาดของฟองอากาศ โดยมีความสัมพันธ์กันไปในทิศทางเดียวกันเนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์มีค่าเป็นบวก กล่าวคือถ้าเส้นผ่านศูนย์กลางของฟองอากาศมีขนาดใหญ่ ค่าของ t_d ก็จะมีแนวโน้มมากขึ้นด้วย แต่ถ้าเส้นผ่านศูนย์กลางของฟองอากาศมีขนาดเล็ก ค่าของ t_d ก็จะมีแนวโน้มน้อยลงด้วย ดังแสดงในรูปที่ 2(C)
 

\(\rm t_d=0.001r^3+14.0634r^2+563.954r^{1.5}\)  ……………………… (1)

การศึกษาวิจัยนี้ยืนยันว่าฟองอากาศที่มีขนาดใหญ่ โดยเส้นผ่านศูนย์กลางของฟองอากาศประมาณ 2.1 มิลลิเมตร จะไม่ถูกดูดกลืน (absorption) ในชั้นฟิล์มอากาศบนพื้นผิวที่มีคุณลักษณะไม่ชอบน้ำยิ่งยวด เนื่องจาก t_ad > t_d เมื่อพิจารณาฟองอากาศที่มีเส้นประสีเหลืองแสดงอยู่ในรูปที่ 2(D) พบว่าช่วงชีวิต (lifetime) ของการรวมตัวกันของฟองอากาศในชั้นฟิล์มอากาศมีค่าประมาณ 1700 มิลลิวินาที ในขณะที่ระยะเวลาของการเกาะติด t_ad บนชั้นฟิล์มอากาศมีค่าประมาณ 140 มิลลิวินาที จะเห็นว่า t_ad > t_d ดังนั้นฟองอากาศจะกลิ้งบนชั้นฟิล์มอากาศและเข้าไปที่ชั้นฟิล์มอากาศที่อยู่ใกล้เคียง จนกระทั่งเมื่อเวลาผ่านไป 1732 มิลลิวินาที ชั้นฟิล์มอากาศและฟองอากาศจึงเกิดการรวมตัวกัน 


งานวิจัยนี้ได้ทำการศึกษาพฤติกรรมเชิงพลวัตของภาวะการเปียกบนพื้นผิวที่มีคุณลักษณะไม่ชอบน้ำยิ่งยวดและคุณลักษณะชอบน้ำยิ่งยวดในกรณีที่ฟองอากาศอยู่ใต้น้ำ เมื่อพิจารณาการรวมตัวกันแบบชะลอ (coalescence delay) ของฟองอากาศขนาดเล็กใต้น้ำ พบว่าระยะเวลาของการรวมตัวกันแบบชะลอ (coalescence delay time) จะมีความสัมพันธ์กันกับขนาดของฟองอากาศโดยมีความสัมพันธ์กันไปในทิศทางเดียวกัน คือเมื่อฟองอากาศมีขนาดใหญ่จะทำให้เวลาที่ชะลอมีค่ามากตามไปด้วย แต่ถ้าฟองอากาศมีขนาดเล็กจะทำให้เวลาที่ชะลอมีค่าน้อยตามไปด้วย เมื่อนกเพนกวินว่ายน้ำในทะเลจะมีการเคลื่อนที่ของฟองอากาศที่ถูกสร้างขึ้นเป็นชั้นอากาศที่เคลือบผิวหนัง ซึ่งฟองอากาศเหล่านี้จะทำหน้าที่ช่วยในการลดแรงต้านการเคลื่อนที่ของนกเพนกวินใต้น้ำ ด้วยแนวคิดแบบ biomimetic ทำให้มีการนำมาประยุกต์ใช้ในงานประดิษฐ์ของมนุษย์ เช่น มีการเคลือบชั้นอากาศรอบผิววัสดุเพื่อการลดแรงต้านการเคลื่อนที่ในน้ำของวัสดุนั้น 


การรวมตัวกันแบบชะลอ ของฟองอากาศมีผลกระทบอย่างมากต่อการเปลี่ยนแปลงพลังงานพื้นผิวร่วม (interfacial energy) ระหว่างอากาศ-ของเหลวเทียบกับเวลา และเนื่องจากพลังงานพื้นผิวร่วมนี้สามารถถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ (kinetic energy) ได้ ดังนั้นฟองอากาศขนาดเล็กจึงมีส่วนช่วยในการขับเคลื่อนใต้น้ำ งานวิจัยนี้ชี้ให้เห็นว่าการรวมตัวกันแบบชะลอเป็นกุญแจสำคัญเพื่อคลี่คลายพฤติกรรมของภาวะการเปียกผิวเชิงพลวัตซึ่งได้รับแรงบันดาลใจจากนกเพนกวิน 


ข้าพเจ้ามีความสนใจต่องานวิจัยชิ้นนี้อย่างยิ่ง เนื่องจากเป็นการศึกษาและนำเสนองานวิจัยที่ได้รับแรงบันดาลใจจากนกเพนกวิน แสดงให้เห็นถึงตัวอย่างของการเรียนรู้จากธรรมชาติแล้วนำมาปรับใช้ให้เกิดประโยชน์ และหวังว่าจะช่วยจุดประกายให้นักวิจัยหรือผู้ที่สนใจได้เกิดแรงบันดาลใจในการสังเกตธรรมชาติรอบตัว เรียนรู้ และเลียนแบบ เพื่อสร้างสรรค์นวัตกรรมล้ำค่าให้กับสังคมต่อไป


 

เรียบเรียงโดย

ปภาอร สิริบุญบันดาล
ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์

• [1] http://cesshereandthere.com/some-facts-about-emperor-penguins/
• [2] https://mymodernmet.com/paul-nicklen-emperor-penguins/
• [3] https://www.thairath.co.th/content/404741
• [4] M. Tenjimbayashi, Y. Kawase, K. Doi, C.X. Ng and M. Naito, Appl. Phys. Lett. 113, 033705 (2018).
• [5] F. C. Wang, F. Yang, and Y. P. Zhao, Appl. Phys. Lett. 98, 053112 (2011).