כדי להבין איך להגן על בגדינו וחפצינו אחרים ממים, היינו צריכים להסתכל בטבע. התשובה נמצאה דווקא ב... עלי הלוטוס
מה כשאנחנו דורכים בשלולית עם נעל בד רגלנו נרטבת, אבל נעליים שמצופות ב"שכבה נגד מים" יגנו עלינו טוב יותר? ואיך זה שאחרי כמה שעות של גשם המים יחלחלו גם לתוך נעלי עור רגילות, אלא אם כן נזכור לרסס מבעוד מועד את הנעליים בתרסיס דוחה מים? התכונה המשותפת לשכבת הבידוד ולחומר המסתורי שמונע חדירת מים לנעליים, או לחולצה בסרטון המצורף, היא תכונת ההידרופוביה ("פחד ממים") שלהם.
עלי צמח הלוטוס, הגדל במים, הם דוגמה מאלפת לחומר שפני השטח שלו כמעט לא נרטבים במגע עם מים. כשמטפטפים מים על משטח רגיל – למשל שולחן עץ – הטיפה משתטחת למעין שלולית זעירה. מקובל להגדיר את רמת ההשטחה של השלולית על ידי זווית המגע בין קצה השלולית לבין המשטח. עבור משטחים רגילים, זווית המגע היא בין 0 ל-120 מעלות. לעומת זאת, טיפה דומה על עלה של לוטוס תישאר כמעט כדורית לחלוטין, עם זווית מגע של יותר מ-150 מעלות, ולכן המגע שלה עם העלה יהיה מזערי.
התכונה הזו של עלה הלוטוס מאפשרת לצמח לשמור על היובש באזורים חשובים בו, אף על פי שחלק מהעלים ממש צפים על פני המים. רווח נוסף מההידרופוביה הגבוהה של עלה הלוטוס היא שהמים שמתגלגלים על פני העלה סוחבים איתם גם לכלוך, כך שעלה הלוטוס הוא חומר ש"מנקה את עצמו". יכולת הניקוי העצמי של הלוטוס כתוצאה מהידרופוביית-העל שלו אופיינה לראשונה בשנת 1992, וזכתה לכינוי "אפקט הלוטוס". התופעה העניקה השראה לפיתוח צבעים, ציפויים וחומרים נוספים עם תכונות של סופר-הידרופוביה וניקוי עצמי.
כמו מיטת מסמרים. צילום במיקרוסקופ אלקטרונים סורק של הבליטות על עלי הלוטוס | מקור: מאמר המחקר של Ensikat et al
בזכות הבליטות
התופעה הבסיסית שעליה מתבססת הסופר-הידרופוביה, היא ההידרופוביה הרגילה, כלומר דחיית מים. החומר ההידרופובי המוכר ביותר הוא שמן. מולקולות השומן המרכיבות את השמן בנויות משרשראות ארוכות של פחמן ומימן, שאינן מגיבות עם מולקולות מים. השלכה מוכרת להידרופוביה של שמן היא שמים ושמן לא מתערבבים, וכך גם חומרים הידרופוביים אחרים כמו שעווה וטפלון. ציפוי חומר בשכבת שומן או שעווה יובילו לכך שהוא ידחה מים. אולם, בעוד שציפוי שומני או שעוותי פשוט יספקו לחומר תכונות בסיסיות של דחיית מים, כדי להגיע לדרגה של הידרופוביות-על דרוש יותר מכך.
המפתח להידרופוביות-על קשור לתחום הכימיה של פני השטח, ועוסק בצורה ובמבנה של פני השטח במבנים קטנים במיוחד. כשבוחנים מקרוב את פני השטח של חומרים סופר-הידרופוביים, מגלים שהם מורכבים מבליטות צפופות מאוד. הבליטות האלה מכוסות בצינוריות של חומר דמוי שעווה הדוחה מים. אפשר לדמות את זה למעין "מיטת מסמרים" של בליטות הידרופוביות שדוחפות את המים כלפי מעלה ומשאירות אותם מעל המשטח. מכיוון שהמים כמעט לא באים במגע עם המשטח, הם יכולים פשוט להתגלגל ממנו הלאה, כמעט בלי לקיים איתו אינטראקציה.
חומרים דוחי מים – צפו בסרטון של PBS והאגודה האמריקאית לכימיה (באנגלית):
לחומרים סופר-הידרופוביים יש שימושים רבים. נעליים דוחות מים מצוידות פעמים רבות בשכבה של חומר סופר-הידרופובי המבוסס על טפלון – למשל זה שפיתחה חברת GorTex, המוצג גם בסרטון. חברת NeverWet מארצות הברית פיתחה כמה סוגי תרסיסים דוחי מים, שלטענתה מגנים על נעליים, בגדים, שמשות, מתכות, עץ וחומרים נוספים ומשאירים אותם יבשים ונקיים. גם חברות נוספות פיתחו מוצרים מקבילים. ואם לוקחים פאנלים סולריים, המשמשים להמרת אור השמש לחשמל, ומצפים אותם בחומר סופר-הידרופובי, הם יתלכלכו הרבה פחות ולכן יעילותם תשתפר.
בעיריית סן פרנסיסקו הפתיעו, והשתמשו בחומרים סופר הידרופוביים להפחתת השתנה במקומות ציבוריים. בחודש יולי 2015 החלה העירייה לצבוע קירות בצבע סופר הידרופובי, שאמור לגרום לכך שאדם שיטיל את מימיו על הקיר יירטב בעצמו. על חלק מהקירות נוספו כתובות משעשעות, כמו "אני אשתין עליך בחזרה אם רק תנסה. על החתום, אדון קיר". צוות בדיקה מטעם העירייה דיווח שריח השתן פחת במידה ניכרת ברחובות שבהם הקירות נצבעו בחומר סופר הידרופובי. המחשה ליכולות של קיר סופר הידרופובי מופיעה בסרטון שבו אישה שופכת מים על קיר כזה ונרטבת בעצמה. הפיתוחים הטכנולוגיים המבוססים על חומרים סופר-הידרופוביים צפויים להמשיך ולהתרחב. אך כל הפיתוחים הללו לא היו מתאפשרים אלמלא למדנו להבין את המבנה הייחודי של פני השטח של עלי הלוטוס, ולגלות שדווקא משטח מחוספס ומלא בליטות דוחה מים בצורה הכי יעילה.
והנה ניסוי נחמד שאפשר לעשות עם עלי צמח 'כובע הנזיר' - שמראים התנהגות דומה:
