חומר סופר הידרופובי 30.01.2015

הלוטוס נחשב לסמל של טוהר: גדל במי ביצה מלוכלכים, נולדים פרחים מדהימים וטהורים ביותר. נראה שמה יכול להיות משותף בין סמל הטוהר לפיזיקה? מסתבר שיש דבר משותף, וזה נקרא המונח המדעי – התכונות ההידרופוביות של פני השטח. אם המשטח הידרופילי, אז מים יכולים להתפשט מעליו בקלות וליצור סרט אחיד (דוגמה למשטח כזה היא זכוכית). אבל אם תשפכו כמה טיפות מים על מחבת טפלון, הן לא יידבקו למשטח, ואם תטו אותו בזווית מסוימת, הטיפות יתחילו להתגלגל - זו דוגמה למשטח הידרופובי.

עלי הלוטוס הם משטח סופר הידרופובי טבעי, הוא אינו נרטב במים, אלא מתגלגלות ממנו טיפות, לוקחים איתם חלקיקי אבק ולכלוך, מנקים את הצמחים. עלי הלוטוס הם משטח סופר הידרופובי טבעי, הוא אינו נרטב במים, אלא מתגלגלות ממנו טיפות, לוקחים איתם חלקיקי אבק ולכלוך, מנקים את הצמחים.

ויש גם תכונה כזו כמו סופרהידרופוביות. על משטחים כאלה, טיפות מים לא יכולות לתקן בכלל, ומתחילות להתגלגל ממנה בזוויות נטייה קטנות מאוד. לדוגמה, טיפות טל על דשא יש צורה כדורית, פני השטח נראה דוחה מים, מונע מהם להירטב. עלי הלוטוס הם הדוגמה היפה ביותר למשטח הסופר הידרופובי של הטבע. הסוד טמון במיקרו-מבנה של העלים, הם לא רק דוחים מים, אלא גם תורמים לטיהור העצמי של הצמח. טיפות מים, המתגלגלות משטח העלה, סוחפות חלקיקי אבק ולכלוך ומשאירות את הפרח נקי לחלוטין. אגב, לכנפיים של פרפרים וחרקים אחרים יש את אותו נכס, אחרת הם פשוט לא היו מסוגלים לעוף תחת משקל האבק הנצמד.

האדם למד ליצור משטחים הידרופוביים מלאכותיים שאינם נרטבים בשום אופן על ידי מים. אבל שני פיזיקאים מאוניברסיטת רוצ'סטר, אנטולי וורוביוב וצ'אן-לי גואו, הלכו רחוק יותר והצליחו ליצור חומר שממנו טיפות מים קופצות כמו כדור טניס מהקיר. יהיה נכון יותר לומר שהם הגיעו עם שיטה שבה ניתן להעניק תכונה ייחודית כזו לחומרים שונים. איך הם עשו את זה?

כדי לטפל במשטח, החוקרים נזקקו ללייזר ספיר רב עוצמה שיצר פולסים קצרים של פמט-שנייה. לאחר מיקוד קרן הלייזר על משטח המתכת, הוחלו חריצים מקבילים ברוחב של כ-100 מיקרומטר ועומק של 75 מיקרון. גודל זה דומה לעובי של שערה אנושית. על פני השטח המצולעים שנוצרו, המזכירים במידת מה מצע עם תפוחי אדמה עם גבעות, נוצרו ננו-מבנים קטנים עוד יותר, שהפכו את החריצים והתלמים ל"גסים". לקח לנסיינים כשעה לעבד לוח מתכת בגודל 2,5 על 2,5 ס"מ בלייזר.

התוצאה היא חומר מדהים. לניסויים שלהם, פיסיקאים לקחו שלושה לוחות מתכת עשויים פלטינה, טיטניום ופליז. לאחר העיבוד, משטח המתכת המבריק הפך לשחור לחלוטין - הוא הפסיק להחזיר אור. אבל התגלית המרשימה ביותר התגלתה כאשר הוטלו מים על לוח כזה שעבר שינוי בלייזר - הטיפה הנופלת פשוט ניתרה ממנה. המשטח התברר כל כך דוחה מים, עד שטיפה שנפלה עליו הצליחה לחסוך עד שליש מהאנרגיה הקינטית שלו ולקפוץ לאחור. באופן טבעי, לוח המתכת עצמו נשאר יבש לחלוטין. כדי לבדוק את תכונות הניקוי העצמי של החומר שנוצר, מרחו עליו החוקרים שכבת אבק שנלקחה משואב אבק רגיל. לאחר מכן, מים רגילים החלו לטפטף על פני השטח - כל טיפה "הדביקה" שברי אבק על עצמה ולקחה אותם איתה. והחומר עצמו נשאר בטהרתו המקורית, לא גרוע יותר מפרח לוטוס יפהפה.

טיפות קופצות על מטוס הן, כמובן, יפות ומעניינות, אבל איך חומר כזה יכול להיות שימושי? פרח הלוטוס התברר שהוא לא רק סמל לטוהר, אלא גם עזר לאנשי המדע להבין איך לשפר את העולם שלנו. קודם כל, משטחים לניקוי עצמי יעזרו לחסוך במים. זה חשוב מאוד כאשר כל ליטר מים נחשב. בנוסף, חומרים כאלה עשויים להיות בעלי תכונות נגד הקרח - היווצרות קרח על בקרות המטוס טומנת בחובה השלכות עצובות מאוד. משטחים סופר הידרופוביים יהיו עמידים יותר בפני עובש ומיקרואורגניזמים אחרים. התכונה כי פני המתכת הופכים שחורים לחלוטין יכולה להיות שימושית לספיגה יעילה של אנרגיית השמש.