Sıvıların Islatma Yetenekleri ve Temas Açısı

Hiç düşündük mü acaba bir yaprağın üzerindeki çiğ tanesinin yaprak üzerindeyken dağılmadan dururken, aynı sıvının başka bir yüzeydeyken dağılıp o yüzeyi nasıl ıslattığını? Bir sıvı katı bir yüzeyi nasıl ıslatır acaba? Bu soruların cevaplarını arıyoruz yazımızda.

Öncelikle birkaç tanımdan bahsetmek istiyorum konuyu daha iyi anlayabilmemiz için. İlk olarak ıslatmanın ne olduğunu açıklayalım. Adezyon oluşturabilmek için sıvının katı yüzeyinde kolayca yayılmasına ıslatma denir ve sıvının katıyı ıslatma miktarı, sıvının katıyla yaptığı temas açısına bağlıdır. Temas açısı ne kadar küçükse, ıslanabilirlik o kadar fazla olur. Şimdi de diğer bir tanım karşımıza çıktı Temas açısı, bir sıvı damlasının katı yüzeyi ile oluşturduğu açı olarak tanımlanabilir ve sıvının ıslatma özelliğinin bir ölçüsüdür.

Temas açısının ölçülmesinde birkaç yöntem vardır. Bunlar; Tensiyometre ve  Temas açısı gonyometresidir. Şekilde sıvı damlası ve bu sıvı damlasının katı bir yüzey üzerinde oluşturduğu temas açısı görülmektedir.

İlk olarak 1805’ de Thomas Young, ıslanmanın, bir sıvının bir yüzey üzerine yayılmasının olup olmayacağını belirleyen kohezyon ve adhezyon kuvvetleri arasındaki etkileşimi tanımlamıştır. Eğer tam ıslanma gerçekleşmiyorsa sistemin yüzey enerjisinin bir fonksiyonu olan temas açısı ile bir sıvı damlası oluşur.

Young Denklemi :    

Adhezyon > Kohezyon           Islatan sıvı

Kohezyon > Adhezyon           Islatmayan sıvı

Katı sıvı arasında meydana gelen temas açısı

Şekilde görüldüğü gibi bir sıvı ile katı yüzeyi arasındaki temas açısı sıfır derece ile 180^o arasında olabilir(θ). Temas açısı büyüklüğü, sıvının katı yüzeyinde dağılmasına bağlıdır. Sıvı ne kadar dağılmadan kalırsa o kadar büyük açı oluşur. Açının büyüklüğü aynı zamanda katı ile sıvı arasındaki etkileşmenin az olduğunu gösterir. Katı yüzey tamamen ıslanıyorsa, 0^o<θ<180^o‘dir.

Katı – su arasındaki çekim kuvveti, su  molekülleri  arasındaki kuvvetlere eşit veya daha büyükse, θ sıfıra eşit olur ve su damlası katı yüzeyi üzerine tamamen yayılır ve katıyı ıslatır

Bir ıslatma ajanının yardımıyla bir hidrofobik katı yüzeyin ıslanması şekilde görülmektedir. Burada yüzey etkin madde su/hava arayüzey gerilimini  düşürür ve katı yüzeyi üzerinde  adsorbe olarak katı-sıvı arayüzey gerilimini düşürür. Her iki etki cosθ değerini arttırır veya  temas açısını düşürür ve böylece katının dağılımı artar.

Mükemmel bir ıslatma için temas açısının θ=0° olması gerekir. Bu durumda sıvı katı yüzey üzerine ince bir film halinde yayılır. θ=180° durumu pratikte gözlenmez. Damla üzerine etki eden yer çekim kuvveti damlayı katı yüzeyine çeker. Teflon üzerinde su, cam üzerinde civa bu duruma örnektir. Eğer θ<90° ise sıvının katı yüzeyi ıslattığı, θ>90° ise ıslatmadığı söylenebilir. θ<20° güçlü bir ıslatma, θ>140° ise güçlü bir ıslatmama özelliğini gösterir.

Temas açısı, yüzeyin ıslatma karakteristiklerinin bir ölçüsü olduğuna göre 90^o’den daha az temas açısına sahip bir yüzeye hidrofilik veya ıslatmış yüzey, temas açısı 90^o veya daha yüksek bir yüzey ise hidrofobik veya ıslatmamış yüzey denir. Şekilde ilk olarak hidrofilik ve ikincisinde hidrofobik cam yüzey gösterilmiştir.

Süperhidrofobik Yüzeyler

150° den yüksek temas açısına sahip yüzeylere süperhidrofobik yüzeyler denir. Bu yüzeyler yapışmama, kirletmeme ve kendi kendini temizleme gibi üstün özelliklere sahiptirler. Bu özellikler gemiler için biyo-kirliliğe karsı kaplamalar, otomobiller  için kendi kendini temizleyen camlar, metal saflaştırma, leke tutmayan kumaşlar, kirlenmez cephe kaplamaları gibi biyolojik ve endüstriyel birçok uygulamalara sahiptirler.

Doğada nilüfer çiçeği, kelebek kanadı, su örümceğinin bacakları gibi birçok tür 150° den büyük su temas açısı veren bir yüzeye sahiptir. Bu yüzeyler ufak bir eğim verildiğinde su damlalarının yuvarlandığı ve yüzeydeki kirliliklerin uzaklaştırıldığı su iticiliğe sahiptir.

Nilüfer  (Lotus)  Etkisi

Pek çok Asya kültüründe nilüfer çiçeği bitkisi saflığın ve temizliğin sembolü olarak bilinir. Bu düşüncenin temeli nilüfer bitkisi yapraklarının kendi kendini temizleme özelliğine dayanır. Bu kendi kendini temizleme özelliği tamamen araştırılmıştır ve yüzeyin yüksek derecede suyu itmesiyle sonuçlanan nilüfer yaprağının yüzeyi ile su arasındaki etkileşime bağlanmıştır. Yüksek derecede suyu itme karakteristiği ve kendi kendini temizlemenin nilüfer çiçeği bitkisi ile etkili biçimde gösterilmesine dayanarak Prof. Dr. W. Barthlott, bu etkileri Nilüfer (Lotus)Etkisi olarak tanımlamıştır.

a) Lotus yaprağının taramalı elektron mikroskobu görüntüsü, b)Lotus yaprağındaki su damlasının görüntüsü

Nilüfer etkisinin bulunuşu büyük teknolojik ilgi alanlarına yol açmıştır. Bu etkinin yapay yüzeylere taşınması ile birçok teknik uygulamalar elde edilmiştir.

Nilüfer etkisi gösteren bir yüzey süperhidrofobiktir ve 150° den daha büyük temas açısını ifade eder. Süperhidrofobisitesine dayanarak, yüzey hafifçe meyillendirildiğinde su yüzeyde kayar ve yolu üzerindeki kirlilikleri yüzey üzerinden temizler.

Lotus bitkisinin yapraklarının vaksla kaplanmış pürüzlü yüzeyi epidermal hücreler içermektedir. Vaks kristalleri su itici bir tabaka sağlamakta ve Wenzel ve Cassie Baxter modellerine göre yüzey pürüzlülüğünü arttırmaktadır. Bu kristallerin ıslatma özelliği çok kötüdür. Bunun sonucu olarak, yüzey üzerindeki su damlası yüzeyle arasındaki etkileşimi en aza indirir. Böylece yüzeyde küresel bir damla oluşur. Yaprak yüzeyi üzerindeki kirlilikler yaprağın hücresel yapısından daha büyük olduğu için yüzey çıkıntıları üzerindeki partiküller  yüzeyden uzaklaştırılabilir. Sonuç olarak temas alanı ve ara yüzeydeki etkileşim minimize edilmiş olur. Bir su damlası kirlilik üzerinde dönerek hareket ettiğinde, kirlilik hidrofobik özellikte olsa dahi absorpsiyon  sayesinde enerji kazanılır. Eğer kirliliği lotus yaprağından uzaklaştırmak için harcanan enerji, su damlasının kirliliği absorbe etmesi ile kazandığı enerjiden daha az ise kirlilik bitki yüzeyinden uzaklaştırılmış olur. Bunun nedeni, genellikle küçük temas alanıdır.

Şekilde Bir damla nilüfer yaprağını kaplayan tozu alır, b) ve c) hidrofilik ve hidrofobik yüzeyler üzerinde nilüfer etkisinin şematik olarak gösterilmiştir.

Süperhidrofilik  (Suyu Çok Seven)Yüzeyler

Suyu çok seven yüzeyler hidrofilik olarak sınıflandırılırlar. Bu tip yüzeyler genellikle yüklüdür ve yapılarındaki polar grup sayesinde su moleküllerini çekerler. Bu mekanizmayı anlamak için kısaca suyun yapısına bakmak gerekir. Su, iki tane hidrojen ve bunlara bağlı bir oksijen atomu sayesinde üçgen bir yapıya sahiptir. Oksijen eksi yüklü, hidrojen ise pozitif yüke sahiptir. Böylelikle, su molekülleri birbirine hidrojen bağlarıyla bağlıdırlar. Maddelerin hidrofilik özelliklerinin endüstride pek çok önemli kullanım alanları vardır. Bunlardan bir tanesi hidrofilik membranlardır. Bu membranlar su moleküllerini çekerken, diğer polar olmayan molekülleri, yağ, gres vb. iterek temiz bir yüzey sağlarlar. Hidrofilik yüzeylerin diğer kullanım alanlarına, kontak lens temizleyicileri, ıslak mendil ve çocuk bezleri örnek olarak gösterilebilir. Cam yüzeylerinin negatif yüklü ve boyutları yaklaşık 10 nm olan silika (SiO2) nanoparçacıkları ve uygun bir polikatyonla [poli(allilamin-hidrojen klorür) veya kısaca PAH] ile 14 tabaka kaplandıktan sonra kararlı ve süperhidrofilik bir yüzey elde edildiği, 2006 yılındaki bir yayınlarında Rubner ve arkadaşları tarafından gösterilmiştir.

Kaynaklar

1. http://members.ziggo.nl/scslai/lotus.pdf
2. http://www.mecheng.osu.edu/nlbb/files/nlbb/Lotus_Effect.pdf
3. http://library.thinkquest.org/27468/e/lotus.htm
4. Prof. Dr. İbrahim Uslu, İnce Filmlerin Yüzeysel Uygulaması, Gazi Üniversitesi, Eğitim Fak. Kimya Eğitimi
5. Modern Farmasötik Teknoloji, Böl.13 Yüzeylerarası Özellikler/ Nevin Çelebi, Tuncer Değim, Zelihagül Değim
6. Trakya Üniversitesi Fen Fak. Kimya Böl. Fizikokimya ABD. Surfaktantların Katı Yüzeyleri Islatma Üzerine Etkisi 2013 , Lisans Bitirme Çalışması

 

Yazar : Gültekin ÖZDEMİR

Üniversite : Trakya Üniversitesi

Bölüm : Kimyager

Dergi : Sayı 2– Sayfa 36