המשטח החלקלק ביותר שנוצר מאז ומעולם

[תרגום מאת ד”ר משה נחמני]

החלקלקות של משטח יכולה להתכוונן על ידי שינוי החספוס שלו ברמה המולקולארית – כך מדגימים חוקרים מפינלנד

מחקר זה מסייע בהסבר כיצד טיפות מים מצליחות להחליק בקלות ממשטחים הידרופיליים, במידה והם אחידים מבחינה כימית. בנוסף, מחקר זה פותח צוהר לאפשרויות חדשות לשם הפיתוח של משטחים בעלי חיכוך נמוך – מה שיאפשר לחוקרים לפתח בעתיד את המשטח החלקלק ביותר שנוצר אי-פעם. משטחים כאלו יוכלו לשמש בתור ציפויים המתנקים מעצמם בעקבות דחיית לכלוך.

החלקלקות של משטח תלויה בהטרוגניות הטופוגרפית שלו, או בעצם החספוס שלו, ומספר מחקרים הראו כי תלות זו נשמרת כל הדרך עד לרמה המולקולארית. יחד עם זאת, טיפות לא מחליקות בקלות על פני רוב המשטחים ההידרופיליים, עם מעט יוצאי דופן כמו אלו המבוססים על פוליאתילן גליקול. “יש מספר מחקרים כאלו, אך החוקרים לא באמת הצליחו להסביר את המקור לתופעה זו”, אומר החוקר רובין ראס מאוניברסיטת אלטו בפינלנד. 

ראס ועמיתיו החליטו לבחון באופן שיטתי כיצד משתנה החלקלקות של משטח עם טיפת מים עליו עם השתנות ההידרופוביות על ידי מיקום צורן דו-חמצני טהור בתוך תא ואקום ושימוש בריבוץ אדים (vapour deposition) ליצירת חד-שכבה הידרופובית חלקית של אוקטילטריכלורוסילאן על גבי המשטח. על ידי שינוי זמן הריבוץ, החוקרים יצרו משטחים המשתרעים ממשטח כמעט הידרופילי מוחלט ועד איים הידרופיליים והידרופוביים וכלה במשטח הידרופובי מוחלט. כאשר הם בחנו את החלקלקות של המשטחים, החוקרים מצאו כי מים מחליקים בקלות ממשטחים המצופים בדחיסות על ידי חד-השכבה ההידרופובית אוקטילטריכלורוסילאן. אולם, טיפות מים החליקו באותה קלות גם ממשטחים הידרופיליים מאוד שהיו מצופים בציפוי מועט של חומר זה. כאשר הכיסוי של המשטח היה כיסוי ביניים, טיפות המים חוו חיכוך גבוה יותר מאשר במשטחים ההידרופילי וההידרופובי המוחלטים. לאחר מכן, החוקרים התמקדו בהדמיות של דינמיקה מולקולארית על מנת להסביר את הממצא הזה.   

במקרה של משטח הידרופובי מאוד, טיפת מים נוגעת בפני השטח בזווית חדה מאוד, כך שרק אזור קטן של הטיפה יוצר מגע עם המשטח וכך היא מחליקה בקלות. עיקרון זה שבו אזור המגע של הטיפה מצומצם ביותר ידוע בספרות המדעית ואף משמש תכופות עבור משטחים סופר-הידרופוביים. המקרים האחרים הפתיעו יותר את החוקרים: עבור המקרה של כיסוי מועט, המקרה של משטח הידרופילי, טיפת המים משתטחת ליצירת ציפוי דק המכסה את המשטח. טיפות מים אחרות יוצרות מגע רחב יותר עם שכבה דקה זו, אולם לאור העובדה כי השכבה הייתה ניידת במיוחד, היא עזרה בהפחתת החיכוך עם המשטח וסייעה לטיפות אלו לעבור את המשטח לאורכו. במקרה הביניים, לעומת זאת, התוצא הזה של משטח הידרופילי השתבש בשל נוכחותם של “איים” הידרופוביים. במקום שתחלקנה לאורך המשטח, טיפות המים נתקעות במשטח שוב ושוב. “למעשה, לא צפינו את התופעה הזו כשהתחלנו לחקור את הנושא, אולם במבט לאחור התופעה תואמת מאוד את הרעיון כי האחידות של המשטח משפיעה על רמת החיכוך שלו, כך שההשערה הזו (הקשר בין אחידות המשטח לרמת החיכוך שלו) הייתה די הגיונית”, אמר החוקר הראשי. 

החוקרים הרחיבו את המחקר שלהם על מנת ליצור משטח סופר-הידרופובי וסופר-חלקלק. הם “גידלו” את חד-השכבה ההידרופובית שלהם על גבי שכבה של תחמוצת אלומיניום המצופה בסיליקון שחור, שעברה טיפול ברמה המיקרומטרית על מנת להפחית ככל הניתן את שטח המגע של טיפת המים וליצור משטח סופר-הידרופובי יוצא מן הכלל. “הגישה הרגילה היא להפחית את שטח האזור שבו הטיפה יכולה ליצור מגע עם המשטח על ידי יצירת משטח אחיד ככל האפשר, אולם החוקרים לא באמת התמקדו בשינוי הכימיה של המשטח”, אמר החוקר. במקרה הנוכחי, לעומת זאת, החוקרים שילבו הידרופוביות הן פיזיקאלית והן כימית. “שטח המגע קטן מאוד, ובנקודה שטיפת המים כן נוגעת במשטח, נכנס לפעולה תוצא החיכוך כמו שהוסבר קודם לכן”, אומר החוקר. התוצאה, כך סבורים החוקרים, היא יצירתו של המשטח החלקלק ביותר שנוצר אי פעם בידי אדם. החוקר הראשי סבור כי הגישה שלהם ניתנת לגימלון (scalable) ואומר כי הוא כבר ערך דיונים עם חברות רבות שהביעו עניין בממצאי המחקר שלו.  המאמר אודות המחקר  הידיעה אודות המחקר

הדמיות ממוחשבות הראו כי שינוי הכיסוי של חד-השכבה שינה את החלקלקות של המשטח. הן כיסוי נמוך והן כיסוי גבוה הולידו משטחים חלקלקים מאוד, אך בשל סיבות שונות. [מקור: Sakari Lepikko et al 2023]