كاره للماء

في الكيمياء ، تُعرف الخاصية الكارهة للماء بأنها خاصية كيميائية لجزيء (يُسمى كاره للماء ) يبدو أنه يتنافر مع كتلة من الماء . ^{[ 1 ]} في المقابل، تنجذب الجزيئات المحبة للماء إلى الماء.

تميل الجزيئات الكارهة للماء إلى أن تكون غير قطبية ، وبالتالي تفضل التواجد مع جزيئات متعادلة أخرى ومذيبات غير قطبية . ولأن جزيئات الماء قطبية، فإن الجزيئات الكارهة للماء لا تذوب جيدًا بينها. غالبًا ما تتجمع الجزيئات الكارهة للماء في الماء معًا، مكونةً جسيمات ميكيلية . ويُظهر الماء على الأسطح الكارهة للماء زاوية تلامس عالية .

تشمل أمثلة الجزيئات الكارهة للماء الألكانات والزيوت والدهون والمواد الدهنية بشكل عام. تُستخدم المواد الكارهة للماء في إزالة الزيت من الماء، وإدارة انسكابات النفط ، وعمليات الفصل الكيميائي لإزالة المواد غير القطبية من المركبات القطبية. ^{[ 2 ]}

يُستخدم مصطلح "كاره للماء" (hydrophobic )، المشتق من الكلمة اليونانية القديمة ὑδρόφοβος ( hydróphobos ) التي تعني "الخوف من الماء"، والمُشتقة بدورها من الكلمتين اليونانيتين القديمتين ὕδωρ (húdōr) بمعنى " ماء " و φόβος (phóbos) بمعنى " خوف " ^{[ 3 ]} ، بشكل متبادل مع مصطلح "محب للدهون" ( lipophilic ). مع ذلك، لا يُعدّ المصطلحان مترادفين. فبينما تكون المواد الكارهة للماء عادةً محبة للدهون، توجد استثناءات، مثل السيليكونات ومركبات الفلوروكربون . ^{[ 4 ] [ 5 ]}  

بالنسبة للمذابات الصغيرة، يُعد التفاعل الكاره للماء في الغالب تأثيرًا إنتروبيًا ناتجًا عن تعطيل الروابط الهيدروجينية الديناميكية للغاية بين جزيئات الماء السائل بواسطة المذاب غير القطبي، مما يدفع الماء إلى التعويض بتكوين بنية قفصية شبيهة بالكلاثريت حول الجزيئات غير القطبية. تتميز هذه البنية بترتيب أعلى من جزيئات الماء الحرة نظرًا لترتيب جزيئات الماء نفسها للتفاعل مع بعضها البعض قدر الإمكان، مما ينتج عنه حالة إنتروبية أقل عند السطح البيني. يؤدي هذا إلى تكتل الجزيئات غير القطبية معًا لتقليل مساحة السطح المعرضة للماء ، وبالتالي زيادة إنتروبيا النظام. ^{[ 6 ] [ 7 ]} وهكذا، تتغير المرحلتان غير القابلتين للامتزاج (المحبة للماء مقابل الكارهة للماء) بحيث تصبح مساحة السطح البيني لكل منهما في حدها الأدنى. يمكن تصور هذا التأثير في ظاهرة تُسمى انفصال الطور .

بالنسبة للمذابات غير القطبية الأكبر حجمًا التي لا يمكن "احتواؤها" بشكل كافٍ بواسطة شبكة الروابط الهيدروجينية للماء، يصبح تفكك هذه الروابط أمرًا لا مفر منه، مما يؤدي إلى تكلفة حرارية عالية. في الظروف المحيطة، يحدث هذا الانتقال من نظام يهيمن عليه الإنتروبيا إلى نظام تحكمه الإنثالبي عند حجم يبلغ حوالي 1 نانومتر، مما يعكس تحولًا في سلوك طاقة التميؤ الحرة من التناسب مع حجم المذاب إلى الاعتماد على مساحة السطح المعرضة. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

في هذا السياق، تم اقتراح تعريف جزيئي كمي لكراهية الماء ، استنادًا إلى التكلفة الطاقية اللازمة لنظام ما لإحداث عيوب في الروابط الهيدروجينية في غلافه المائي. ووفقًا لهذا النهج، يُعتبر النظام كارهًا للماء إذا لم يتمكن من تعويض الروابط الهيدروجينية المفقودة بطاقة لا تقل عن تكلفة توليد مثل هذا العيب في الماء النقي، وهي قيمة تُعرف باسم عتبة تفاعل العيوب (DIT) ، والتي تُقدر بحوالي -6 كيلوجول/مول (حوالي 30% من الطاقة النموذجية للرابطة الهيدروجينية). يتوافق هذا المعيار مع عتبة زاوية التلامس الكلاسيكية البالغة 90 درجة، مما يوفر تبريرًا جزيئيًا للانتقال إلى السلوك الكاره للماء. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

بالإضافة إلى ذلك، يساعد مؤشر DIT في تحديد أنظمة الامتلاء، والامتلاء الجزئي، والتجفيف في الماء المحصور نانوياً، وذلك بناءً على عدد مواقع تفاعل جزيء الماء (من بين مواقعه الرباعية الأوجه الأربعة) التي تتجاوز هذا الحد. ويمكن إجراء هذا التحليل لتحديد كمية كراهية الماء أو التبلل باستخدام مؤشر بنيوي، وهو مؤشر V _4S ، الذي يكشف عن وجود حالتين تفاعليتين مفضلتين بطبيعتهما للماء. ^{[ 12 ]}

خاصية النفور الشديد من الماء

تُعرف الأسطح فائقة الكراهية للماء ، مثل أوراق نبات اللوتس، بأنها أسطح يصعب ترطيبها للغاية. تتجاوز زاوية تلامس قطرة الماء 150 درجة. ^{[ 13 ]} يُشار إلى هذه الظاهرة بتأثير اللوتس ، وهي في الأساس خاصية فيزيائية مرتبطة بالتوتر السطحي ، وليست خاصية كيميائية. ^{[ 14 ]}

نظرية

في عام 1805، عرّف توماس يونغ زاوية التلامس θ من خلال تحليل القوى المؤثرة على قطرة سائل مستقرة على سطح صلب محاط بغاز. ^{[ 15 ]}

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

أين

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

${\displaystyle \gamma _{\text{SL}}\ }$= التوتر السطحي بين المادة الصلبة والسائلة

${\displaystyle \gamma _{\text{LG}}\ }$= التوتر السطحي بين السائل والغاز

يمكن قياس θ باستخدام مقياس زاوية التلامس .

توصل وينزل إلى أنه عندما يكون السائل على اتصال وثيق بسطح ذي بنية دقيقة، فإن θ ستتغير إلى θ _W*

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

حيث r هي نسبة المساحة الفعلية إلى المساحة المسقطة. ^{[ 16 ]} تُظهر معادلة وينزل أن تشكيل بنية دقيقة على سطح ما يُضخّم ميله الطبيعي. يصبح السطح الكاره للماء (الذي تكون زاوية التلامس الأصلية له أكبر من 90 درجة) أكثر كراهية للماء عند تشكيله ببنية دقيقة، إذ تصبح زاوية التلامس الجديدة أكبر من الأصلية. في المقابل،  يصبح السطح المحب للماء (الذي تكون زاوية التلامس الأصلية له أقل من 90 درجة) أكثر محبة للماء عند تشكيله ببنية دقيقة، إذ تصبح زاوية التلامس الجديدة أقل من الأصلية. ^{[ 17 ]} وجد كاسي وباكستر أنه إذا عُلِّق السائل على قمم البنى الدقيقة، فإن θ ستتغير إلى θ _CB* .

${\displaystyle \cos \theta _{\text{CB}}*=\varphi (\cos \theta +1)-1\,}$

حيث φ هي نسبة مساحة السطح الصلب الملامسة للسائل. ^{[ 18 ]} يكون السائل في حالة كاسي-باكستر أكثر سيولة منه في حالة وينزل. ^{[ 19 ]}

يمكننا التنبؤ بوجود حالة وينزل أو كاسي-باكستر بحساب زاوية التلامس الجديدة باستخدام المعادلتين. وبناءً على مبدأ تقليل الطاقة الحرة، فإن العلاقة التي تنبأت بزاوية تلامس جديدة أصغر هي الحالة الأكثر احتمالاً للوجود. وبعبارة رياضية، لكي توجد حالة كاسي-باكستر، يجب أن تتحقق المتباينة التالية. ^{[ 20 ]}

${\displaystyle \cos \theta <{\frac {\varphi -1}{r-\varphi }}}$

يؤكد معيار بديل حديث لحالة كاسي-باكستر أن هذه الحالة موجودة عندما يتحقق المعياران التاليان: 1) تتغلب قوى خط التماس على قوى وزن القطرة غير المدعومة، و2) تكون البنى المجهرية عالية بما يكفي لمنع السائل الذي يربط بينها من ملامسة قاعدتها. ^{[ 21 ]}

تم مؤخرًا تطوير معيار جديد للانتقال بين حالتي وينزل وكاسي-باكستر، استنادًا إلى خشونة السطح وطاقته . ^{[ 22 ]} يركز هذا المعيار على قدرة قطرات السائل على احتجاز الهواء على الأسطح الخشنة، مما قد يحدد ما إذا كان ينبغي استخدام نموذج وينزل أو نموذج كاسي-باكستر لتركيبة معينة من خشونة السطح والطاقة. ^{[ 23 ]}

زاوية التلامس هي مقياس لخاصية كراهية الماء الساكنة، بينما يُعد كل من تخلف زاوية التلامس وزاوية الانزلاق مقياسين ديناميكيين. تخلف زاوية التلامس ظاهرة تميز عدم تجانس السطح. ^{[ 24 ]} عند حقن سائل بواسطة ماصة على سطح صلب، تتشكل زاوية تلامس معينة. مع زيادة كمية السائل المحقون، يزداد حجم القطرة، وتزداد زاوية التلامس، لكن حدودها ثلاثية الأطوار تبقى ثابتة حتى تتقدم فجأة للخارج. تُسمى زاوية التلامس التي كانت عليها القطرة قبل التقدم للخارج مباشرةً بزاوية التلامس المتقدمة. تُقاس زاوية التلامس المتراجعة بضخ السائل للخارج. يقل حجم القطرة، وتقل زاوية التلامس، لكن حدودها ثلاثية الأطوار تبقى ثابتة حتى تتراجع فجأة للداخل. تُسمى زاوية التلامس التي كانت عليها القطرة قبل التراجع للداخل مباشرةً بزاوية التلامس المتراجعة. يُطلق على الفرق بين زوايا التلامس المتقدمة والمتراجعة اسم تخلف زاوية التلامس، ويمكن استخدامه لتوصيف عدم تجانس السطح وخشونته وحركته. ^{[ 25 ]} تحتوي الأسطح غير المتجانسة على مناطق تعيق حركة خط التلامس. تُعد زاوية الانزلاق مقياسًا ديناميكيًا آخر لكراهية الماء، ويتم قياسها بوضع قطرة على سطح وإمالة السطح حتى تبدأ القطرة بالانزلاق. بشكل عام، تُظهر السوائل في حالة كاسي-باكستر زوايا انزلاق وتخلفًا أقل في زاوية التلامس مقارنةً بتلك الموجودة في حالة وينزل.

تميل التربة إلى أن تصبح طاردة للماء استجابةً لحرائق الغابات . وبحسب شدة الحريق، قد يؤدي ذلك إلى زيادة كمية الأمطار التي تتدفق على السطح دون أن تتغلغل في التربة. ^{[ 26 ]}

اكتشف ديتري وجونسون في عام 1964 أن ظاهرة تأثير اللوتس فائق الكراهية للماء مرتبطة بالأسطح الخشنة الكارهة للماء، وطورا نموذجًا نظريًا بناءً على تجارب أجريت على خرز زجاجي مغلف بالبارافين أو تيلومر ثلاثي فلورو الإيثانول. وتم الإبلاغ عن خاصية التنظيف الذاتي للأسطح فائقة الكراهية للماء ذات البنية الميكروية النانوية في عام 1977. ^{[ 27 ]} وتم تطوير مواد فائقة الكراهية للماء من البيرفلورو ألكيل، والبيرفلورو بولي إيثر، ومواد مُشكّلة ببلازما الترددات الراديوية، واستُخدمت في الترطيب الكهربائي وسُوّقت تجاريًا للتطبيقات الطبية الحيوية بين عامي 1986 و1995. ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]} وظهرت تقنيات وتطبيقات أخرى منذ منتصف التسعينيات. ^{[ 32 ]} في عام 2002، تم الكشف عن تركيبة هرمية فائقة الكراهية للماء، متينة، تُطبق في خطوة واحدة أو خطوتين، تتألف من جسيمات نانوية الحجم (≤ 100 نانومتر) تغطي سطحًا ذا خصائص أو جسيمات ميكرومترية الحجم (≤  100 ميكرومتر). وقد لوحظ أن الجسيمات الأكبر حجمًا تحمي الجسيمات الأصغر من التآكل الميكانيكي. ^{[ 33 ]}

في الأبحاث الحديثة، تم الإبلاغ عن خاصية النفور الشديد من الماء عن طريق السماح لثنائي ألكيل كيتين (AKD) بالتصلب لتكوين سطح فركتلي نانوي التركيب. ^{[ 34 ]} ومنذ ذلك الحين، قدمت العديد من الأوراق البحثية طرقًا لتصنيع أسطح فائقة النفور من الماء، بما في ذلك ترسيب الجسيمات، ^{[ 35 ]} وتقنيات سول-جل، ^{[ 36 ]} ومعالجات البلازما، ^{[ 37 ]} وترسيب البخار، ^{[ 35 ]} وتقنيات الصب. ^{[ 38 ]} وتكمن الفرصة الحالية لتأثير البحث بشكل رئيسي في البحث الأساسي والتصنيع العملي. ^{[ 39 ]} وقد ظهرت مؤخرًا نقاشات حول مدى قابلية تطبيق نموذجي وينزل وكاسي-باكستر. في تجربة مصممة لتحدي منظور طاقة السطح لنموذجي وينزل وكاسي-باكستر وتعزيز منظور خط التماس، وُضعت قطرات من الماء على بقعة ناعمة كارهة للماء في مجال كاره للماء خشن، وبقعة خشنة كارهة للماء في مجال كاره للماء ناعم، وبقعة محبة للماء في مجال كاره للماء. ^{[ 40 ]} أظهرت التجارب أن التركيب الكيميائي والشكل الهندسي للسطح عند خط التماس يؤثران على زاوية التماس وتخلف زاوية التماس ، بينما لم يكن لمساحة السطح داخل خط التماس أي تأثير. كما طُرحت حجة مفادها أن زيادة التعرج في خط التماس تُحسّن من حركة القطرات. ^{[ 41 ]}

تعتمد العديد من المواد الكارهة للماء الموجودة في الطبيعة على قانون كاسي ، وهي ثنائية الطور على مستوى الميكرومتر الفرعي، حيث يكون أحد مكوناتها الهواء. ويستند تأثير اللوتس إلى هذا المبدأ. واستلهامًا منه ، تم تحضير العديد من الأسطح فائقة الكراهية للماء ذات الوظائف المتعددة. ^{[ 42 ]}

ومن الأمثلة على المواد فائقة الكراهية للماء الحيوية أو المحاكية للأنظمة الحيوية في تكنولوجيا النانو غشاء النانوبين . ^{[ 43 ]}

تُقدم إحدى الدراسات سطحًا من خامس أكسيد الفاناديوم يتحول بشكل عكسي بين خاصيتي النفور الشديد من الماء والمحبة الشديدة له تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية. ^{[ 44 ]} ووفقًا للدراسة، يمكن تعديل أي سطح لتحقيق هذا التأثير عن طريق تطبيق معلق من جزيئات _V₂O₅ ذات الشكل الوردي ، على سبيل المثال باستخدام طابعة نفث الحبر . ومرة ​​أخرى _، تُحفز خاصية النفور من الماء بواسطة جيوب هوائية بين الطبقات (تفصل بينها مسافات 2.1 نانومتر ). كما تُفسر الدراسة تأثير الأشعة فوق البنفسجية، حيث تُولد هذه الأشعة أزواجًا من الإلكترونات والفجوات ، تتفاعل الفجوات مع أكسجين الشبكة البلورية، مُحدثةً فراغات أكسجين على السطح، بينما تُختزل الإلكترونات V⁵⁺ ^إلى V³⁺ ^. وتُملأ فراغات الأكسجين بالماء، وهذه الخاصية هي التي تجعل سطح الفاناديوم محبًا للماء. ومع التخزين لفترات طويلة في الظلام، يحل الأكسجين محل الماء، وتختفي خاصية المحبة للماء مرة أخرى.

تُكتسب غالبية الأسطح الكارهة للماء خصائصها الكارهة للماء من خلال تعديل بنيوي أو كيميائي لسطح المادة، إما عبر الطلاءات أو المعالجات السطحية. بمعنى آخر، يؤدي وجود أنواع جزيئية (عادةً عضوية) أو خصائص بنيوية إلى زوايا تلامس عالية للماء. في السنوات الأخيرة، تبيّن أن أكاسيد العناصر الأرضية النادرة تمتلك خاصية كارهة للماء بطبيعتها. ^{[ 45 ]} تعتمد هذه الخاصية على اتجاه السطح ومستويات فراغات الأكسجين، وهي بطبيعتها أكثر متانة من الطلاءات أو المعالجات السطحية، مما يجعلها ذات تطبيقات محتملة في المكثفات والمحفزات التي يمكنها العمل في درجات حرارة عالية أو بيئات أكالة. ^{[ 46 ]}

يتم إنتاج الخرسانة المقاومة للماء منذ منتصف القرن العشرين.

قد تؤدي الأبحاث النشطة الحديثة حول المواد فائقة الكراهية للماء في نهاية المطاف إلى المزيد من التطبيقات الصناعية. ^{[ 47 ]}

تم الإبلاغ عن روتين بسيط لطلاء نسيج القطن بجزيئات السيليكا ^{[ 48 ]} أو التيتانيا ^{[ 49 ]} بتقنية سول-جل ، مما يحمي النسيج من الأشعة فوق البنفسجية ويجعله فائق الكراهية للماء.

تم الإبلاغ عن طريقة فعالة لجعل البولي إيثيلين فائق الكراهية للماء وبالتالي ذاتي التنظيف. ^{[ 50 ]} يتم غسل 99% من الأوساخ الموجودة على هذا السطح بسهولة.

كما أن للأسطح فائقة الكراهية للماء ذات الأنماط المحددة إمكانات واعدة في أجهزة الموائع الدقيقة المختبرية على رقاقة، ويمكنها تحسين التحليل البيولوجي القائم على الأسطح بشكل كبير. ^{[ 51 ]}

في مجال المستحضرات الصيدلانية، تؤثر خاصية كراهية الماء في الخلطات الدوائية على خصائص الجودة المهمة للمنتجات النهائية، مثل ذوبان الدواء وصلابته . ^{[ 52 ]} وقد طُوّرت طرق لقياس خاصية كراهية الماء في المواد الصيدلانية. ^{[ 53 ] [ 54 ]}

أدى تطوير أسطح التبريد الإشعاعي السلبي النهاري الكارهة للماء ، والتي تعتمد فعاليتها في انعكاس أشعة الشمس وانبعاث الحرارة على نظافتها، إلى تحسين خاصية "التنظيف الذاتي" لهذه الأسطح. كما تم تطوير أسطح تبريد إشعاعي سلبي نهاري قابلة للتطوير ومستدامة تتجنب انبعاث المركبات العضوية المتطايرة . ^{[ 55 ]}

• التعويم الرغوي – عملية لفصل المواد الكارهة للماء بشكل انتقائي عن المواد المحبة للماء 
• محب للماء – كيان جزيئي ينجذب إلى الماء 
• التأثير الكاره للماء – تجمع الجزيئات غير القطبية في المحاليل المائية 
• مقاييس كراهية الماء – قيم الخصائص الكيميائية 
• مادة سيليكونية عضوية طاردة للماء – مادة مضافة كيميائية 
• طلاء فائق الكراهية للماء – طلاء طارد للماء 
• خاصية النفور الشديد من الماء ، والمعروفة أيضًا باسم النفور الفائق من الماء - خاصية للمادة تتميز بمقاومة فائقة للبلل 
• التبلل – يناقش كيف تؤثر خاصية كراهية الماء على الانتشار وزوايا التلامس
• زاوية التلامس – مقياس كلي كلاسيكي مرتبط بكراهية الماء عبر معيار DIT الجزيئي

• ما هي الأسطح فائقة الكراهية للماء؟