ไม่ชอบน้ำ

ในทางเคมีคุณสมบัติไม่ชอบน้ำเป็นคุณสมบัติทางกายภาพของโมเลกุลที่ดูเหมือนจะผลักออกจากมวลของน้ำ (เรียกว่าไฮโดรโฟบ ) ^[1]ในทางตรงกันข้ามไฮโดรไฟล์จะถูกดึงดูดไปที่น้ำ

โมเลกุลไฮโดรโฟบิกมักไม่มีขั้วจึงชอบโมเลกุลที่เป็นกลางและตัวทำละลาย ที่ไม่มีขั้ว มากกว่า เนื่องจากโมเลกุลของน้ำมีขั้ว ไฮโดรโฟบิกจึงไม่สามารถละลายได้ดีระหว่างโมเลกุลเหล่านี้ โมเลกุลไฮโดรโฟบิกในน้ำมักจะรวมกลุ่มกันจนเกิดเป็นไมเซลล์ น้ำบนพื้นผิวไฮโดรโฟบิ ก จะมีมุมสัมผัส สูง

ตัวอย่างของโมเลกุล ที่ไม่ ชอบ น้ำ ได้แก่อัลเคนน้ำมันไขมันและสารมันโดยทั่วไป วัสดุที่ไม่ชอบน้ำใช้ในการกำจัดน้ำมันออกจากน้ำ การจัดการการรั่วไหลของน้ำมันและกระบวนการแยกสารเคมีเพื่อกำจัดสารที่ไม่มีขั้วออกจากสารประกอบที่มีขั้ว^[2]

คำว่า "ไฮโดรโฟบิก" มักใช้แทนคำ ว่า "ชอบ ไขมัน " ซึ่งแปลว่า "ชอบไขมัน" อย่างไรก็ตาม ทั้งสองคำนี้ไม่ใช่คำพ้องความหมาย แม้ว่าสารไฮโดรโฟบิกมักจะชอบไขมัน แต่ก็มีข้อยกเว้น เช่นซิลิโคนและฟลูออโรคาร์บอน [ ^{จำเป็นต้องอ้างอิง ]}

คำว่าhydrophobeมาจากภาษากรีกโบราณ ὑδρόφοβος ( hydrophobos ) ซึ่งแปลว่า "กลัวน้ำ" โดยประกอบขึ้นจากคำภาษากรีกโบราณ ὕδωρ (húdōr) ที่แปล  ว่า "น้ำ" และคำภาษากรีกโบราณ φόβος (phóbos) ที่แปล  ว่า "กลัว" ^[3]

ปฏิสัมพันธ์แบบไฮโดรโฟบิกส่วนใหญ่เป็น ผลกระทบจาก เอนโทรปีซึ่งเกิดจากการทำลายพันธะไฮโดรเจน ที่มีพลวัตสูง ระหว่างโมเลกุลของน้ำเหลวโดยสารละลายที่ไม่มีขั้ว ส่งผลให้โมเลกุลของน้ำก่อตัวเป็น โครงสร้างคล้าย คลัทเรตรอบโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว โครงสร้างที่เกิดขึ้นนี้มีความเป็นระเบียบมากกว่าโมเลกุลของน้ำอิสระ เนื่องจากโมเลกุลของน้ำจะจัดตัวเพื่อโต้ตอบกับตัวเองให้มากที่สุด ส่งผลให้เกิดสถานะเอนโทรปีที่สูงขึ้น ซึ่งทำให้โมเลกุลที่ไม่มีขั้วจับตัวกันเป็นก้อนเพื่อลดพื้นที่ผิวที่สัมผัสกับน้ำและลดเอนโทรปีของระบบ^{[4] [5]}ดังนั้น เฟสที่ไม่สามารถผสมกันได้ทั้งสอง (ไฮโดรฟิลิกเทียบกับไฮโดรโฟบิก) จะเปลี่ยนไป ทำให้พื้นที่ส่วนต่อประสานที่สอดคล้องกันมีน้อยที่สุด ผลกระทบนี้สามารถมองเห็นได้จากปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการแยกเฟส^{[ ต้องการอ้างอิง ]}

พื้นผิว ที่มีคุณสมบัติกันน้ำได้ดีเยี่ยมเช่น ใบของต้นบัว เป็นพื้นผิวที่เปียกน้ำได้ยากมากมุมสัมผัสของหยดน้ำจะเกิน 150° ^[6]ซึ่งเรียกว่าปรากฏการณ์ดอกบัวและเป็นคุณสมบัติทางกายภาพที่เกี่ยวข้องกับแรงตึงผิวมากกว่าคุณสมบัติทางเคมี^[7]

ในปีพ.ศ. 2348 โทมัส ยัง ได้กำหนดมุมสัมผัสθโดยวิเคราะห์แรงที่กระทำต่อหยดของเหลวที่วางอยู่บนพื้นผิวของแข็งที่ล้อมรอบด้วยก๊าซ^[8]

${\displaystyle \gamma _{\text{SG}}\ =\gamma _{\text{SL}}+\gamma _{\text{LG}}\cos \theta \,}$

ที่ไหน

${\displaystyle \gamma _{\text{SG}}\ }$= แรงตึงผิวระหว่างของแข็งและก๊าซ

${\displaystyle \gamma _{\text{SL}}\ }$= แรงตึงผิวระหว่างของแข็งและของเหลว

${\displaystyle \gamma _{\text{LG}}\ }$= แรงตึงผิวระหว่างของเหลวและก๊าซ

สามารถวัดθ ได้โดยใช้โกนิโอ มิเตอร์ มุมสัมผัส

เวนเซลกำหนดว่าเมื่อของเหลวสัมผัสอย่างใกล้ชิดกับพื้นผิวที่มีโครงสร้างจุลภาคθจะเปลี่ยนเป็นθ _W*

${\displaystyle \cos \theta _{W}*=r\cos \theta \,}$

โดยที่rคืออัตราส่วนของพื้นที่จริงต่อพื้นที่ฉาย^[9]สมการของเวนเซลแสดงให้เห็นว่าการสร้างโครงสร้างจุลภาคของพื้นผิวจะขยายแนวโน้มตามธรรมชาติของพื้นผิว พื้นผิวที่ไม่ชอบน้ำ (พื้นผิวที่มีมุมสัมผัสเดิมมากกว่า 90°) จะไม่ชอบน้ำมากขึ้นเมื่อมีโครงสร้างจุลภาค – มุมสัมผัสใหม่ของพื้นผิวจะมากกว่ามุมสัมผัสเดิม อย่างไรก็ตาม พื้นผิวที่ชอบน้ำ (พื้นผิวที่มีมุมสัมผัสเดิมน้อยกว่า 90°) จะชอบน้ำมากขึ้นเมื่อมีโครงสร้างจุลภาค – มุมสัมผัสใหม่ของพื้นผิวจะน้อยกว่ามุมสัมผัสเดิม^[10] Cassie และ Baxter พบว่าหากของเหลวถูกแขวนลอยอยู่บนโครงสร้างจุลภาคθจะเปลี่ยนเป็นθ _CB* :

${\displaystyle \cos \theta _{\text{CB}}*=\varphi (\cos \theta +1)-1\,}$

โดยที่φคือเศษส่วนพื้นที่ของของแข็งที่สัมผัสกับของเหลว^[11]ของเหลวในสถานะ Cassie–Baxter เคลื่อนที่ได้มากกว่าในสถานะ Wenzel ^{[ จำเป็นต้องอ้างอิง ]}

เราสามารถทำนายได้ว่าสถานะเวนเซลหรือแคสซี่–แบกซ์เตอร์ควรมีอยู่หรือไม่โดยการคำนวณมุมสัมผัสใหม่ด้วยสมการทั้งสอง โดยการลดอาร์กิวเมนต์พลังงานอิสระให้เหลือน้อยที่สุด ความสัมพันธ์ที่ทำนายมุมสัมผัสใหม่ที่เล็กลงจะเป็นสถานะที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุด หากกล่าวในแง่คณิตศาสตร์ สถานะแคสซี่–แบกซ์เตอร์จะดำรงอยู่ได้ ความไม่เท่าเทียมต่อไปนี้จะต้องเป็นจริง^[12]

${\displaystyle \cos \theta <{\frac {\varphi -1}{r-\varphi }}}$

เกณฑ์ทางเลือกล่าสุดสำหรับสถานะ Cassie–Baxter ยืนยันว่าสถานะ Cassie–Baxter มีอยู่เมื่อมีการบรรลุเกณฑ์ 2 ข้อต่อไปนี้: 1) แรงของเส้นสัมผัสเอาชนะแรงของวัตถุที่มีน้ำหนักของหยดน้ำที่ไม่ได้รับการรองรับ และ 2) โครงสร้างจุลภาคมีความสูงเพียงพอที่จะป้องกันไม่ให้ของเหลวที่เชื่อมโครงสร้างจุลภาคสัมผัสฐานของโครงสร้างจุลภาค^[13]

เกณฑ์ใหม่สำหรับการสลับไปมาระหว่างสถานะของ Wenzel และ Cassie-Baxter ได้รับการพัฒนาขึ้นเมื่อไม่นานนี้โดยอิงจากความหยาบของพื้นผิวและพลังงานพื้นผิว^[14]เกณฑ์ดังกล่าวเน้นที่ความสามารถในการกักเก็บอากาศภายใต้หยดของเหลวบนพื้นผิวขรุขระ ซึ่งอาจบอกได้ว่าควรใช้แบบจำลองของ Wenzel หรือแบบจำลองของ Cassie-Baxter สำหรับการผสมผสานระหว่างความหยาบของพื้นผิวและพลังงานบางอย่าง^{[ จำเป็นต้องอ้างอิง ]}

มุมสัมผัสเป็นการวัดค่าความเป็นไฮโดรโฟบิซิตี้แบบสถิตย์ และฮิสเทอรีซิสของมุมสัมผัสและมุมเลื่อนเป็นการวัดแบบไดนามิก ฮิสเทอรีซิสของมุมสัมผัสเป็นปรากฏการณ์ที่แสดงถึงความไม่เป็นเนื้อเดียวกันของพื้นผิว^[15]เมื่อปิเปตฉีดของเหลวลงบนของแข็ง ของเหลวจะสร้างมุมสัมผัส เมื่อปิเปตฉีดของเหลวมากขึ้น หยดของเหลวจะมีปริมาตรเพิ่มขึ้น มุมสัมผัสจะเพิ่มขึ้น แต่ขอบเขตสามเฟสจะยังคงนิ่งอยู่จนกระทั่งเคลื่อนออกด้านนอกอย่างกะทันหัน มุมสัมผัสของหยดของเหลวทันทีก่อนที่จะเคลื่อนออกด้านนอกเรียกว่ามุมสัมผัสที่เคลื่อนออก มุมสัมผัสที่เคลื่อนออกจะวัดได้โดยการปั๊มของเหลวออกจากหยดของเหลว หยดของเหลวจะมีปริมาตรลดลง มุมสัมผัสจะลดลง แต่ขอบเขตสามเฟสจะยังคงนิ่งอยู่จนกระทั่งเคลื่อนเข้าด้านในอย่างกะทันหัน มุมสัมผัสของหยดของเหลวทันทีก่อนที่จะเคลื่อนเข้าด้านในเรียกว่ามุมสัมผัสที่เคลื่อนออก ความแตกต่างระหว่างมุมสัมผัสที่เลื่อนไปข้างหน้าและถอยกลับเรียกว่าฮิสเทอรีซิสของมุมสัมผัส และสามารถใช้เพื่อระบุลักษณะความไม่เป็นเนื้อเดียวกัน ความหยาบ และความคล่องตัว ของพื้นผิว ^[16]พื้นผิวที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันจะมีโดเมนที่ขัดขวางการเคลื่อนที่ของเส้นสัมผัส มุมเลื่อนเป็นอีกวิธีวัดความไม่ชอบน้ำแบบไดนามิคและวัดโดยการวางหยดน้ำบนพื้นผิวและเอียงพื้นผิวจนหยดน้ำเริ่มเลื่อน โดยทั่วไป ของเหลวในสถานะ Cassie–Baxter จะแสดงมุมเลื่อนและฮิสเทอรีซิสของมุมสัมผัส ที่ต่ำกว่าของเหลว ในสถานะ Wenzel ^{[ จำเป็นต้องอ้างอิง ]}

ในปี 1964 Dettre และ Johnson ค้นพบว่า ปรากฏการณ์ ดอกบัว แบบ superhydrophobic เกี่ยวข้องกับพื้นผิวแบบ superhydrophobic ที่หยาบ และพวกเขาได้พัฒนาแบบจำลองเชิงทฤษฎีโดยอาศัยการทดลองกับลูกปัดแก้วเคลือบด้วยพาราฟินหรือเทโลเมอร์ TFE คุณสมบัติในการทำความสะอาดตัวเองของพื้นผิวที่มีโครงสร้างไมโครนาโนแบบ superhydrophobic ได้รับการรายงานในปี 1977 ^[17]วัสดุ superhydrophobic ที่สร้างด้วยพลาสม่า RF ที่มีเพอร์ฟลูออโรอัลคิล เพอร์ฟลูออโรโพลีอีเธอร์ ได้รับการพัฒนา ใช้ในการทำให้เปียกด้วยไฟฟ้าและนำออกสู่เชิงพาณิชย์สำหรับการใช้งานทางชีวการแพทย์ระหว่างปี 1986 ถึง 1995 ^{[18] [19] [20] [21]}เทคโนโลยีและการใช้งานอื่นๆ ได้เกิดขึ้นตั้งแต่กลางทศวรรษ 1990 ^[22]ในปี 2002 ได้เปิดเผยองค์ประกอบลำดับชั้นแบบซุปเปอร์ไฮโดรโฟบิกที่ทนทาน ซึ่งใช้ในขั้นตอนเดียวหรือสองขั้นตอน โดยประกอบด้วยอนุภาคขนาดนาโน ≤ 100 นาโนเมตรที่ทับบนพื้นผิวที่มีลักษณะขนาดไมโครเมตรหรืออนุภาคขนาด ≤ 100 ไมโครเมตร อนุภาคขนาดใหญ่กว่านั้นถูกสังเกตเห็นว่าปกป้องอนุภาคขนาดเล็กกว่าจากการสึกกร่อนทางกล^[23]

ในงานวิจัยล่าสุด มีรายงานถึงคุณสมบัติ superhydrophobicity โดยให้ไดเมอร์ อัลคิลคีทีน (AKD) แข็งตัวเป็นพื้นผิวแฟรกทัลที่มีโครงสร้างระดับนาโน^[24]ตั้งแต่นั้นมา มีเอกสารจำนวนมากที่เสนอวิธีการผลิตสำหรับผลิตพื้นผิว superhydrophobic รวมถึงการสะสมอนุภาค [ ²⁵ ] เทคนิคโซลเจล^[26]การบำบัดด้วยพลาสมา^[27]การสะสมไอ^[25]และเทคนิคการหล่อ^[28]โอกาสปัจจุบันสำหรับผลกระทบจากการวิจัยส่วนใหญ่อยู่ในงานวิจัยพื้นฐานและการผลิตในทางปฏิบัติ^[29]การอภิปรายได้เกิดขึ้นเมื่อไม่นานมานี้เกี่ยวกับการประยุกต์ใช้แบบจำลองของ Wenzel และ Cassie–Baxter ในการทดลองที่ออกแบบมาเพื่อท้าทายมุมมองพลังงานพื้นผิวของแบบจำลองของ Wenzel และ Cassie–Baxter และส่งเสริมมุมมองเส้นสัมผัส หยดน้ำถูกวางไว้บนจุด hydrophobic ที่เรียบในสนาม hydrophobic ที่ขรุขระ จุด hydrophobic ที่ขรุขระในสนาม hydrophobic ที่เรียบ และจุด hydrophilic ในสนาม hydrophobic ที่ขรุขระ^[30]การทดลองแสดงให้เห็นว่าเคมีพื้นผิวและรูปทรงที่เส้นสัมผัสส่งผลต่อมุมสัมผัสและฮิสเทอรีซิสของมุมสัมผัสแต่พื้นที่ผิวภายในเส้นสัมผัสไม่มีผลใดๆ มีการเสนอข้อโต้แย้งว่าความขรุขระที่เพิ่มขึ้นในเส้นสัมผัสช่วยเพิ่มการเคลื่อนที่ของหยดของเหลว^[31]

วัสดุที่ไม่ชอบน้ำจำนวนมากที่พบในธรรมชาติอาศัยกฎของ Cassieและเป็นแบบสองเฟสที่ระดับไมโครเมตรโดยมีอากาศเป็นองค์ประกอบหนึ่ง เอฟเฟกต์ดอกบัวมีพื้นฐานมาจากหลักการนี้ โดยได้รับแรงบันดาลใจจาก หลักการนี้ จึงได้เตรียมพื้นผิวที่ไม่ชอบน้ำที่ใช้งานได้จริงมากมาย^[32]

ตัวอย่างของ วัสดุ superhydrophobic แบบไบโอนิกหรือเลียนแบบชีวภาพในนาโนเทคโนโลยีคือฟิล์มนาโน พิน ^{[ จำเป็นต้องอ้างอิง ]}

การศึกษาวิจัยหนึ่งได้นำเสนอ พื้นผิว ของวาเนเดียมเพนทอกไซด์ที่สลับไปมาระหว่าง superhydrophobicity และsuperhydrophilicity ได้ ภายใต้อิทธิพลของรังสี UV ^[33]ตามการศึกษาวิจัยนี้ พื้นผิวใดๆ ก็สามารถปรับเปลี่ยนให้มีผลเช่นนี้ได้โดยการใช้สารแขวนลอยของอนุภาค V ₂ O ₅ ที่มีลักษณะคล้ายดอกกุหลาบ เช่นเครื่องพิมพ์อิงค์เจ็ทอีกครั้งหนึ่ง hydrophobicity เกิดขึ้นจากช่องอากาศระหว่างแผ่น (ซึ่งแยกจากกันด้วยระยะห่าง 2.1 นาโนเมตร ) ผลของ UV ก็ได้รับการอธิบายเช่นกัน แสง UV สร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮลโดยที่โฮลจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในโครงตาข่าย ทำให้เกิดช่องว่างของออกซิเจนบนพื้นผิว ในขณะที่อิเล็กตรอนลด V ⁵⁺ให้เป็น V ³⁺ช่องว่างของออกซิเจนจะถูกแทนที่ด้วยน้ำ และการดูดซับน้ำนี้โดยพื้นผิวของวาเนเดียมทำให้วาเนเดียมมีคุณสมบัติชอบน้ำ เมื่อเก็บไว้เป็นเวลานานในที่มืด น้ำจะถูกแทนที่ด้วยออกซิเจน และ สูญเสีย hydrophilicityอีกครั้ง^{[ จำเป็นต้องอ้างอิง ]}

พื้นผิวที่ไม่ชอบน้ำส่วนใหญ่มีคุณสมบัติไม่ชอบน้ำที่เกิดจากการปรับเปลี่ยนโครงสร้างหรือสารเคมีของพื้นผิวของวัสดุจำนวนมาก ไม่ว่าจะผ่านการเคลือบหรือการบำบัดพื้นผิว กล่าวคือ การมีอยู่ของสปีชีส์โมเลกุล (โดยปกติจะเป็นสารอินทรีย์) หรือคุณสมบัติเชิงโครงสร้าง ส่งผลให้มีมุมสัมผัสของน้ำสูง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาพบว่าออกไซด์ ของ แรร์เอิร์ธ มีคุณสมบัติไม่ชอบน้ำโดยธรรมชาติ ^[34]คุณสมบัติไม่ชอบน้ำโดยธรรมชาติของออกไซด์ของแรร์เอิร์ธขึ้นอยู่กับการวางแนวของพื้นผิวและระดับของออกซิเจนว่าง และโดยธรรมชาติแล้วจะทนทานกว่าการเคลือบหรือการบำบัดพื้นผิว จึงมีศักยภาพในการใช้งานในคอนเดนเซอร์และตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถทำงานในอุณหภูมิสูงหรือสภาพแวดล้อมที่กัดกร่อนได้^[35]

คอนกรีตไม่ชอบน้ำได้รับการผลิตมาตั้งแต่กลางศตวรรษที่ 20 ^{[ จำเป็นต้องอ้างอิง ]}

การวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับวัสดุ superhydrophobic อาจนำไปสู่การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมมากขึ้นในที่สุด^[36]

มีการรายงาน ขั้นตอนง่ายๆ ของการเคลือบผ้าฝ้ายด้วยอนุภาคซิลิกา^[37]หรือไททาเนีย^{[38] ด้วย} เทคนิคโซลเจลซึ่งจะช่วยปกป้องผ้าจากแสงยูวีและทำให้มีคุณสมบัติแบบ superhydrophobic

มีการรายงานขั้นตอนที่มีประสิทธิภาพในการทำโพลีเอทิลีนที่มีคุณสมบัติกันน้ำได้ดีเยี่ยมและทำความสะอาดตัวเองได้^[39]สิ่งสกปรก 99% บนพื้นผิวดังกล่าวสามารถชะล้างออกไปได้อย่างง่ายดาย

พื้นผิวซุปเปอร์ไฮโดรโฟบิกที่มีรูปแบบยังมีแนวโน้มที่ดีสำหรับอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกบนชิปในห้องทดลอง และสามารถปรับปรุงการวิเคราะห์ทางชีวภาพบนพื้นผิวได้อย่างมาก^[40]

ในอุตสาหกรรมยา คุณสมบัติไม่ชอบน้ำของส่วนผสมยาส่งผลต่อคุณลักษณะคุณภาพที่สำคัญของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย เช่นการละลายของยาและความแข็ง^[41]มีการพัฒนาวิธีการเพื่อวัดคุณสมบัติไม่ชอบน้ำของวัสดุยา^{[42] [43]}

การพัฒนา พื้นผิว ระบายความร้อนแบบแผ่รังสีในเวลากลางวันแบบไม่ชอบ น้ำ (PDRC) ซึ่งมีประสิทธิภาพในการสะท้อนแสงอาทิตย์และแผ่ความร้อน ขึ้นอยู่กับความสะอาด ทำให้พื้นผิวเหล่านี้สามารถ "ทำความสะอาดตัวเอง" ได้ดีขึ้น นอกจากนี้ ยังมีการพัฒนาพื้นผิว PDRC แบบไม่ชอบน้ำที่ปรับขนาดได้และยั่งยืนซึ่งหลีกเลี่ยงสารอินทรีย์ ระเหยง่าย ^[44]

• การแยกฟอง  – กระบวนการแยกวัสดุที่ไม่ชอบน้ำออกจากวัสดุที่ชอบน้ำอย่างเลือกสรร
• ไฮโดรไฟล์  – สารโมเลกุลที่ดึงดูดน้ำ
• ปรากฏการณ์ไฮโดรโฟบิก  – การรวมตัวของโมเลกุลที่ไม่มีขั้วในสารละลายในน้ำ
• ระดับความไม่ชอบน้ำ  – ระดับความไม่ชอบน้ำหรือความชอบน้ำสัมพันธ์ของกรดอะมิโนที่เหลือหน้าที่แสดงคำอธิบายวิกิดาต้าเป็นทางเลือกสำรอง
• ซิลิโคนออร์แกนิคกันน้ำ
• การเคลือบแบบ Superhydrophobic  – การเคลือบเพื่อป้องกันน้ำ
• คุณสมบัติพิเศษของวัสดุที่ทนต่อการเปียกน้ำได้ดีเยี่ยม หรือที่เรียกว่าSuperhydrophobicity

• พื้นผิวซุปเปอร์ไฮโดรโฟบิกคืออะไร?