ترشوندگی: راز پخش شدن قطره‌ها
ترشوندگی چیست و چگونه کار می‌کند؟
تصور کنید یک قطره آب را روی یک سطح شیشه‌ای کاملاً تمیز می‌چکانید. می‌بینید که قطره پخش شده و یک لایه‌ی نازک تشکیل می‌دهد. حالا همان قطره آب را روی یک برگ یا پارچه‌ی مومی‌شکل بچکانید. این بار قطره مثل یک مروارید کوچک جمع می‌شود و غلت می‌خورد. این دو رفتار کاملاً متفاوت، دقیقاً همان چیزی است که ما آن را ترشوندگی (پخش شدن) و ناتراشوندگی5 (جمع شدن) می‌نامیم.
دلیل این پدیده به نیروهای بین مولکولی برمی‌گردد. مولکول‌های درون یک مایع به یکدیگر نیروی جاذبه وارد می‌کنند که به آن انسجام یا هم‌چسبی می‌گوییم. از طرف دیگر، مولکول‌های مایع می‌توانند به مولکول‌های سطح جامد نیز جذب شوند که به این نیرو چسبندگی یا ناجسبی می‌گوییم. نتیجه‌ی نبرد بین این دو نیرو، رفتار قطره را مشخص می‌کند:
- اگر نیروی ناجسبی (بین مایع و جامد) قوی‌تر از نیروی هم‌چسبی (درون مایع) باشد، مایع روی سطح پخش می‌شود (ترشوندگی خوب).
- اگر نیروی هم‌چسبی قوی‌تر باشد، مایع جمع شده و به شکل قطره درمی‌آید (ترشوندگی ضعیف یا ناتراشوندگی).
زاویه‌ی تماس؛ معیاری برای سنجش ترشوندگی
دانشمندان برای اندازه‌گیری دقیق میزان ترشوندگی، از مفهومی به نام زاویه‌ی تماس ($\theta$) استفاده می‌کنند. این زاویه در نقطه‌ای که مایع، جامد و هوا به هم می‌رسند، تشکیل می‌شود.
| نوع ترشوندگی | محدوده زاویه تماس ($\theta$) | رفتار قطره | مثال |
|---|---|---|---|
| ترشوندگی کامل (آبدوستی6 شدید) | θ ≈ 0° | قطره کاملاً پخش و یک لایه نازک تشکیل می‌دهد. | آب روی شیشه‌ی بسیار تمیز |
| ترشوندگی خوب (آبدوستی) | 0° | قطره کمی پخش می‌شود اما هنوز شکل مشخصی دارد. | آب روی فلز تمیز یا چوب |
| ناتراشوندگی (آبگریزی7) | 90° | قطره جمع شده و به شکل کره‌ای درمی‌آید. | آب روی پارافین یا پر پرندگان |
| ناتراشوندگی کامل (ابرفروبیک8) | θ > 150° | قطره کاملاً کروی شده و به راحتی می‌غلتد. | آب روی برگ نیلوفر آبی یا سطوح نانوپوشش‌دار |
ترشوندگی در خدمت زندگی و فناوری
شاید فکر کنید ترشوندگی یک مفهوم کاملاً تخصصی است، اما مثال‌های آن در اطراف ما فراوان است. مهندسان با درک این مفهوم، محصولات هوشمندانه‌ای طراحی کرده‌اند.
ضدلک کردن پارچه‌ها: پارچه‌های ضدآب و ضدلک با یک پوشش آبگریز (ناتراش) ساخته می‌شوند. وقتی یک مایع (مثل آب یا نوشابه) روی آن بریزد، به دلیل زاویه‌ی تماس بسیار بزرگ، نمی‌تواند پخش شود و به صورت قطره‌هایی روی سطح باقی می‌ماند که به راحتی می‌توان آنها را پاک کرد.
اثر نیلوفر آبی (Lotus Effect): برگ‌های نیلوفر آبی به طور طبیعی بسیار تمیز می‌مانند. سطح این برگ‌ها از برجستگی‌های ریز و پوشش مومی‌شکل تشکیل شده که آن را فوق‌العاده آبگریز می‌کند. وقتی آب روی برگ می‌ریزد، قطره‌ها غلت می‌خورند و گرد و غبار و آلودگی‌ها را با خود می‌برند. این پدیده الهام‌بخش ساخت سطوح خودتمیزشونده بوده است.
چاپ و نقاشی: برای چاپ یک تصویر روی یک تی‌شرت، جوهر باید به خوبی روی پارچه پخش شود (ترشوندگی خوب). اما اگر همان جوهر روی یک سطح پلاستیکی آبگریز بریزد، جمع شده و تصویر مخدوش می‌شود. به همین دلیل است که سطوح مختلف برای چاپ، آماده‌سازی خاصی نیاز دارند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. ترشوندگی یک پدیده‌ی عمومی بین مایعات و جامدات است. مثلاً رفتار جیوه روی شیشه یک مثال کلاسیک از ناتراشوندگی شدید است. حتی چگونگی پخش شدن روغن در تابه نیز تابع قوانین ترشوندگی است.
نه لزوماً. زاویه‌ی تماس می‌تواند تغییر کند. اگر شیشه‌ای که آبدوست است کثیف یا چرب شود، ممکن است رفتار آبگریز از خود نشان دهد. همچنین، برخی سطوح هوشمند وجود دارند که با تغییر دما یا نور، از حالت آبدوست به آبگریز تغییر می‌کنند.
به دلیل ساختار و ماده‌ی تشکیل‌دهنده‌ی تار عنکبوت که آبگریز است. نیروی هم‌چسبی بین مولکول‌های آب قوی‌تر از نیروی ناجسبی بین آب و تار عنکبوت است، در نتیجه آب جمع شده و به شکل قطرات کروی زیبا درمی‌آید تا کمترین تماس ممکن را با سطح تار داشته باشد.
پاورقی
1 ترشوندگی (Wetting)
2 کشش سطحی (Surface Tension)
3 زاویه تماس (Contact Angle)
4 چسبندگی (Adhesion) - در این متن به جای "ناجسبی" از "چسبندگی بین مایع و جامد" نیز می‌توان استفاده کرد.
5 ناتراشوندگی (Non-wetting)
6 آبدوست (Hydrophilic)
7 آبگریز (Hydrophobic)
8 ابرفروبیک (Superhydrophobic)
