מדוע ציפורים אינן נרטבות?

מה הקשר בין ציפורים שאינן נרטבות לעלה לוטוס שמתנקה מעצמו? מתברר שמבנה הנוצה ומבנה העלה – דומים! על סוגי משטחים והשפעתם על ספיגת המים ומבנה הטיפה
כתבו: פרופ’ אדוארד בורמשנקו והדוקטורנט גלעד חניאל, גליליאו צעיר

החלטנו לצנן מעט את האווירה הלוהטת של הקיץ במחשבה על חורף, גשם וטיפות מים: קרה לכם פעם שישבתם ליד החלון כשבחוץ יורד גשם וראיתם ציפורים על העץ? או שעמדתם ליד אגם מים וראיתם ציפורים שטות? לא תהיתם איך הציפורים אינן נרטבות? שאלה זו העסיקה מדענים, ושנים רבות האמינו שהתשובה טמונה בשכבת שמן המופרשת מבלוטה מיוחדת בגוף הציפור שאותו היא מושחת על נוצותיה וכך הן אינן נרטבות. אבל כנראה שלא זו התשובה המדויקת. הפתרון נעוץ גם במבנה המיוחד של הנוצות.

הקשר בין הטיפה למשטח

כדי להבין את הנושא נתחיל בהקדמה קצרה. הרטבה היא מושג המגדיר את הצורה שבה נוזל מתייצב על משטח מוצק: האם הוא מרטיב אותו לגמרי – כלומר נפרס על גבי המשטח, או שמדובר ב”הרטבה חלקית”, כאשר הטיפה מקבלת צורה של מעין חצי כדור?

יש שני סוגי משטחים: משטחים שעליהם טיפת הנוזל מקבלת צורה עגולה, שנקראים משטחים הידרופוביים – דוחי מים; משטחים שעליהם הטיפה מקבלת צורה שטוחה ונקראים משטחים הידרופיליים – אוהבי מים. במשטחים ההידרופוביים קיים מקרה מיוחד שבו טיפת הנוזל נשארת בצורה כדורית כמעט מוחלטת; משטחים אלה נקראים משטחים על־הידרופוביים – דוחי מים לחלוטין.

הגודל המאפיין את היחס בין הטיפה למשטח נקרא אנרגיית פני השטח של החומר, ובנוזלים הוא נקרא גם מתח הפָּנים. ככל שהוא גדול יותר – כך הנוזל ייפרס יותר על גבי המשטח המוצק. את ההתפרסות מאפיינת זווית המגע שבין הנוזל למשטח. החוק המתאר את השפעת אנרגיית פני השטח על גודל הזווית נקרא חוק יאנג. במשטחים הידרופיליים, זווית המגע קטנה מתשעים מעלות, ובמשטחים הידרופוביים, זווית המגע גדולה מתשעים מעלות.

להישען על אוויר

ואיך משיגים את תכונת העל־הידרופוביות? היינו חושבים שככל שהמוצק חלק יותר ואחיד יותר – כך יהיה קל יותר לנוזל להחליק ממנו. אולם לא כך הדבר. למשל, כשמביטים בנוצה מתחת למיקרוסקופ אפשר לראות שהיא בנויה במבנה מסודר מאוד, שנראה כמו עץ עם גזע עיקרי המתפצל לענפים השבים ומתפצלים לענפים דקים יותר, כך שנוצרת מעין רשת צפופה.

כאשר טיפת מים מונחת על רשת זו, נקודות המגע בינה לבין הנוצה מעטות ביותר, ובעצם הטיפה נשענת בעיקר על אוויר הנמצא בתוך הנוצה, וכתוצאה מכך זווית המגע של טיפת המים גדולה מאוד והטיפה נשארת בצורתה הכדורית, דבר הגורם לה להחליק מהנוצה ולא להיספג בה כלל – וכך הציפור אינה נרטבת!

תופעה זהה קיימת גם בצמח הלוטוס. צמח זה נחשב למיוחד מאוד ואף לקדוש בדת הבודהיסטית, בשל העובדה שהוא גדל על מים ונשאר תמיד נקי ויפה. זאת בשל היותו בעל מבנה דומה לזה שנראה בנוצות – פני השטח של הלוטוס בנויים מבליטות בגדלים שונים, כך שגם כאן טיפה המונחת על העלה נמצאת בעיקרה על אוויר ולכן שומרת על צורתה הכדורית. כך קל לה מאוד להתגלגל ולהחליק מהעלה. נקודה מעניינת נוספת הקיימת בצמח הלוטוס היא, שבעקבות התכונה הזו המים המחליקים מהעלה סוחפים עמם את הלכלוך שמצטבר עליו – כך שהעלה כמו מתנקה מעצמו!

האדם בעקבות הטבע

כיום, במסגרת המגמה במדע לנסות לחקות מאפיינים מוצלחים מהטבע (תחום מחקר ופיתוח הקרוי ביומימיקרי), מדענים מפתחים משטחים בעלי תכונות דוחות מים המבוססות על המאפיינים הייחודיים של נוצת הציפור ושל צמח הלוטוס.

אחד האתגרים המעניינים בתחום זה הוא יצירת משטחים הדוחים שמן – זאת בשל מתח הפנים הנמוך של השמן, דבר הגורם לו להרטיב לגמרי כל משטח שעמו הוא בא במגע, אפילו משטח על־הידרופובי.

____

* הכותבים הם מהמחלקה לפיזיקה – הפקולטה למדעי הטבע, אוניברסיטת אריאל

הכתבה הופיעה בגיליון נובמבר של גליליאו צעיר – ירחון לילדים סקרנים

רוצים לקרוא עוד? לקבלת מגזין גליליאו צעיר במתנה

בקרו בעמוד הפייסבוק שלנו