كاره للماء أودفوع للماء أوصاد الماء أوالقامِح (باللاتينية: Hydrophobe) مأخوذة من اليونانية (Υδωρ = hydro = ماء) + (phobos = خوف). صفة تستعمل في الفيزياء لوصف الخاصة الفيزيائية لجزيء عندما يتم دفعه (صده) من قبل كتلة الماء. تكون الجزيئات الكارهة للماء لاقطبية في الغالب، لذا فهي تفضل الجزيئات المعتدلة الأخرى والمحلات اللاقطبية. في الأوساط المائية تتجمع الجزيئات الكارهة للماء على بعضها البعض معضلة أيون غروي Micelle ، باللقاء فإن جزيئات الماءقد يكون لها زاوية تماس كبيرة على السطوح الكارهة للماء.

من الأمثلة على الجزيئات الكارهة للماء نذكر الألكانات والزيوت والشموع. على العموم تعد الدهون من المواد الكارهة للماء، حيث تتلازم صفة محب للدهن مع كاره للماء في أغلب الأحيان.

كره فائق للماء

كره الماء الفائق (Ultrahydrophobicity) خاصية كيميائية تصف الأسطح شديدة النفور من الماء، أي من الصعب جدًّا حتى تترطب، حيث تكون زوايا اتصال قطرة الماء تتجاوز الـ150 درجة وزاوية التخلف المغناطيسية المُكوَّرة لزاوية الاتصال أقل منعشرة درجات. ويشار إلى هذه الخاصية أيضًا باسم تأثير لوتس، وذلك لحدوثه على أوراق زهرة اللوتس؛ وقطرات الماء التي لها هذا التأثير على بعض الأسطح يمكن حتى ترتد تمامًا مثل الكرة المطاطية.

النظرية

في عام 1805، قام العالم توماس يونغ بتعريف زاوية الاتصال θ من خلال تحليل القوى التي تعمل على إيقاف قطرة سائلة على سطح صلب محاط بالغاز.

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

حيث

${\displaystyle \gamma _{SG \$ = التوتر السطحي بين المادة الصلبة والغاز

${\displaystyle \gamma _{SL \$ = التوتر السطحي بين المادة الصلبة والمادة السائلة

${\displaystyle \gamma _{LG \$ = التوتر السطحي بين المادة السائلة والغاز

والزاوية هنا يمكن قياسها باستخدام مزواة زاوية الاتصال نطق ونزل أنه عندماقد يكون السائل في اتصال شديد مع سطح ذي بنية مجهرية يفترض أن تتغير الزاوية θ إلى ${\displaystyle \theta _{W *$

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

حيث r هي نسبة المساحة العملية للمنطقة المتسقطة. وتظهر معادلة ونزل بأن البنية المجهرية تعبير عن سطح تضخيم للميل الطبيعي للسطح الأصلي. حيث السطح الكاره للماء (يحتوي على زاوية اتصال أصلية أكبر من 90 درجة) ويصبح أكثر كرهًا للماء عندما تُكوِّن البنية المجهرية زاوية اتصال جديدة أكبر من الأصلية. ومع ذلك، على سطح ماء (الذي يحتوي على زاوية اتصال أصلية أقل من 90 درجة) ليصبح أكثر حُبًّا للماء حتى تُكوِّن بنيته المجهرية زاوية اتصال جديدة أقل من الأصلية.

اكتشف كاسي وباكستر أنه في حالة تعليق المادة السائلة على قمم بُنى مجهرية، الزاوية θ يفترض أن تتغير إلى ${\displaystyle \theta _{CB *$

${\displaystyle \cos {\theta _{CB *$ = φ(cos θ + 1) – 1

حيث φ جزء من المنطقة الصلبة التي تلامس السائل. والسائل في حالة كاسي وباكستر أكثر قدرة على الحركة من حالة ونزل.

ويمكن تسقط ما إذا كانت حالة ونزل أوحالة كاسي وباكستر موجودة عن طريق حساب زاوية اتصال جديدة في جميع المعادلات. وذلك من خلال التقليل من جدال الطاقة الحرة، والعلاقة التي تتنبأ بزاوية اتصال جديدة أصغر حجمًا هي الحالة الأكثر احتمالًا في الوجود. لذا فإن حالة كاسي وباكستر أُثبِتَت رياضيًّا بأنها موجودة، وعليه فإن العبارة الرياضية التالية سليمة:

cos θ <(φ-1)/(r - φ)

إن حالة كاسي وباكستر توجد عند وجود معيارين هما:

1. تغلب قوى خط الاتصال على قوى الجسم دون الاعتماد على وزن الجسم
2. أن تكون البنية المجهرية طويلة بما فيه الكفاية لمنع السائل حتى يسد البنية المجهرية من لمس قاعدة البنية المجهرية.

زاوية الاتصال هي مقياس ثابت لخاصية كره الماء، أما زاوية اتصال التخلف المغناطيسي، وزاوية الانزلاق فهما مقياسان حَرَكِيَّان. لذا فإن زاوية اتصال التخلف المغناطيسي هي ظاهرة تُمَيِّز تجانس السطح. عندما تضخ الماصة من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة، فإن السائل يُشكل بعضًا من زاوية الاتصال. وحدثا زادَت سيولة ضخ الماصة، فإن حجم القطرات، وزاوية الاتصال يزدادان، ولكن الحدود الثلاثة تظل ثابتة وتنحسر للخارج، ولوتقدمَت زاوية الاتصال مع تقدم القطرات فورًا للخارج فتسمى عندها زاوية اتصال متقدمة، تُقاس زاوية الاتصال التي تنحسر حاليًّا من خلال ضخ السائل مرة أخرى لتنسحب القطرات. ولذا تُقابل القطرات نقصان في الحجم، وعليه فإن زاوية الاتصال تنقص، ولكن الحدود الثلاثة تظل ثابتة وتنحسر للداخل. ولوانحسرت زاوية الاتصال مع انحسار القطرات على فورًا للداخل زاوية اتصال مُنحسِرَة. ويُطلق على الفرق بين التقدم والانحسار لزوايا الاتصال بزاوية اتصال التخلف المغناطيسي، ويمكن استعمال هذه الزاوية لتوصيف عدم تجانس الأسطح، والخشونة، والتنقل. والأسطح التي ليست متجانسةقد يكون فيها المجال يُعيق حركة خط الالتماس. زاوية الانزلاق هي مقياس حَرِكِي آخر لكره الماء ويتم قياسها بإيداع قطرات على سطح وإمالة هذا السطح حتى تبدأ القطرات بالانزلاق. والسوائل في حالة كاسي وباكسترقد يكون فيها زوايا اتصال التخلف المغناطيسي وزوايا الانزلاق أقل من تلك الموجودة في حالة ونزل.

نموذج سهل يمكن استخدامه للتنبؤ بفعالية الأسطح (سواءً في حالة ونزل أوفي حالة كاسي وباكستر)، لزاوية الاتصال وزاوية اتصال التخلف المغناطيسي. والعامل الرئيس لهذا النموذج هوكثافة خط الالتماس Λ، وهوالمحيط الكلي للمادة الصلبة على مساحة وحدة معينة.

إن كثافة خط الالتماس الحرجة Λc هي وظيفة قوى الجسم والسطح، مع المنطقة المتسقطة للقطرات.

${\displaystyle \Lambda _{C ={\frac {-\rho {g {V^{1/3 (({\frac {1-cos(\theta _{a ) {sin(\theta _{a ) )(3+({\frac {1-cos(\theta _{a ) {sin(\theta _{a ) )^{2 ))^{2/3 {(36\pi )^{1/3 \gamma cos(\theta _{a,0 +w-90)$

حيث

ρ = كثافة القطرات السائلة

g = تسارع الجاذبية

V = حجم القطرات السائلة

θ_a = تقدم زاوية الاتصال

θ_a,0 = تقدم زاوية الاتصال للركيزة الملساء

γ = التوتر السطحي للسائل

w = زاوية برج الجدار

إذا كان Λ> Λ_c فإن القطرات تتوقف في حالة كاسي وباكستر. وأما في حالة ونزل إلا فإن القطرات تنهار.

لحساب انحسار زوايا الاتصال المتقدمة الجديدة في حالة كاسي وباكستر، يمكن استعمال المعادلات التالية:

${\displaystyle \theta _{a =\lambda _{p (\theta _{a,0 +w)+(1-\lambda _{p )\theta _{air$

${\displaystyle \theta _{r =\lambda _{p \theta _{r,0 +(1-\lambda _{p )\theta _{air$

وفي حالة ونزل:

${\displaystyle \theta _{a =\lambda _{p (\theta _{a,0 +w)+(1-\lambda _{p )\theta _{a,0$

${\displaystyle \theta _{r =\lambda _{p (\theta _{r,0 -w)+(1-\lambda _{p )\theta _{r,0$

حيث:

λ_p = الكسر الخطي من خط الالتماس على مادة صلبة ذات قساوة

θ_r,0 = انحسار زاوية الاتصال من الركيزة الملساء

θ_air = زاوية الاتصال بين المادة السائلة والهواء (عادة ما يُفرَض بأنها 180 درجة)

اقرأ أيضاً

• مقاومة للماء
• مادة مضادة للبلل
• محب للماء
• عزل مائي
• التزهير
• فاعل بالسطح فلوري

المراجع