עלים ש"פוחדים"
מאוד ממים

בניסוי זה נראה מה קורה כאשר מנסים להרטיב חומרים שונים במים. האם יש חומרים שלא נרטבים?

ציוד וחומרים:

• נייר סופג
• צלחת מזכוכית
• צלחת מפלסטיק
• עלים של צמח כובע הנזיר (עיקר הצמיחה היא מט"ו בשבט ועד פסח)
• כוס מים
• כפית או טפי (פיפטה)

האם יש חומרים שלא נרטבים? הציוד הדרוש לניסוי | ליאורה זיתון

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:

והנה גרסה נוספת של הניסוי, כפי שצולמה בזמן מגפת הקורונה, שנת 2020:

מה מפתיע?

התנהגותם של המים על עלי צמח כובע הנזיר מפתיעה אותנו, משום שבחיי היום יום נדיר לראות אותם מתנהגים כך. אנחנו רגילים שטיפות מים מרטיבות ונדבקות לכל דבר שהן מטפטפות עליו: העור שלנו, השיער, האדמה, עצים, צמחים, סוכר, מלח, בגדים… כל דבר. אבל גם אם תופעה מסוימת היא נפוצה, לא אומר שהיא טריוויאלית או פשוטה. כשאנחנו חושבים על ההתנהגות הנפוצה של מים, אנחנו מגלים שלא כל כך קל להסביר אותה: מה זה אומר, בעצם, שחומרים נרטבים? למה מים נדבקים לכל הדברים הללו – ולא ממשיכים להחליק על פניהם? הרי לפי חוקי הפיזיקה הבסיסיים, כדי לעצור משהו שנמצא בתנועה, כמו טיפת מים שמטפטפת, או כדי למנוע ממשהו ליפול מטה בניגוד לכוח המשיכה – צריך להפעיל כוח נגדי. ואכן, למרות שאנו בדרך כלל לא מקדישים לו כל מחשבה, יש כוח שפועל על המים ומצמיד אותם אל העור או אל הבגדים שלנו, כך שהם מרטיבים אותם. מה הוא הכוח הזה, וממה הוא נובע?

השם המדעי של כוח שמדביק מים, או כל חומר נוזלי או אפילו מוצק, לחומר מוצק אחר, הוא אדהזיה, או בעברית הידבקות או תאחיזה: כאילו ששני החומרים אוחזים זה בזה. כיוון שהניסוי עוסק במים, נסביר מה גורם למים להיאחז בחומרים אחרים.

יש כוח שפועל על המים ומצמיד אותם אל העור או אל הבגדים שלנו, כך שהם מרטיבים אותם. ילד רטוב | Shutterstock, Katy Hill

חשמל בחלקיקי חלקיקים קטנטנים

כל החומרים בעולם בנויים מחלקיקים קטנטנים, אטומים ומולקולות. המולקולות שמרכיבות את המים מורכבות מעצמן משני אטומים של מימן (שסימלו H בכימיה) ומאטום אחד של חמצן (O) – או בצורת הכתיבה הכימית H₂O. בשל המאפיינים השונים של אטומי החמצן ואטומי המימן שמרכיבים כל מולקולת מים, נוצרים עליהם מטענים חשמליים חלקיים וקטנטנים: על אטום החמצן יש מטען חשמלי שלילי, ועל אטומי המימן מטען חשמלי חיובי. כל מולקולה בפני עצמה היא נייטרלית מבחינה חשמלית, כלומר ללא מטען כולל, אבל כתוצאה מהמטענים החלקיים יש במולקולה שני קטבים חשמליים: (+) פלוס או מטען חיובי ליד אטומי המימן, (-) מינוס ליד אטום החמצן. בשפה המדעית אומרים שזאת מולקולה קוטבית. הסיבה למטענים החשמליים השונים ליד האטומים השונים היא מעבר להיקף הכתבה והניסוי שלנו, אבל רק נגיד שהיא נובעת מנטייתו של אטום החמצן למשוך אליו אלקטרונים, שהם חלקיקים עוד יותר קטנים הנמצאים בתוך האטומים, בעלי מטען חשמלי שלילי.

הפרט החשוב בסיפור המטענים הזה, הוא שמטענים חשמליים חיוביים ושליליים נמשכים זה לזה בכוח משיכה חשמלי, וזהו למעשה הבסיס לכוח האדהזיה או ההידבקות של המים.

מולקולות מים מורכבות משני אטומים של מימן ואחד של חמצן. על אטום החמצן יש מטען חשמלי חלקי שלילי, ועל אטומי המימן - חיובי. אילוסטרציה של מולקולות מים, בקו מקווקו - כוחות המשיכה החשמליים בין המטענים | Shutterstock, petrroudny43

אהבה ופחד

כפי שראינו בניסוי, ישנם חומרים שהמים נדבקים אליהם טוב מאוד – כמו נייר שאפילו סופג את המים, יש חומרים שפחות טוב – כמו זכוכית, יש כאלו שעוד פחות טוב כמו פלסטיק, ויש כאלו שמים ממש לא נדבקים אליהם אלא מחליקים על פניהם, כמו העלים של צמח כובע הנזיר. ההידבקות או האדהזיה של המים נובעת כאמור מכוחות משיכה חשמליים, ולכן אם בחומר מסוים יש מטענים חשמליים חלקיים על האטומים או המולקולות המרכיבים אותו, יתקיים בינו לבין מולקולות המים כוח משיכה, והמים ייאחזו בו חזק. ולהפך: אם בחומר אין כמעט מטענים חלקיים, המים יתקשו להיאחז בו, הכול לפי תכונות החלקיקים המרכיבים את החומר. בשפה המדעית ניתנו שמות לסוגי החומרים הללו: חומרים שיוצרים כוחות חשמליים חזקים עם המים, ולכן מים נדבקים אליהם, נקראים חומרים הידרופיליים, כאשר מקור המונח הוא מיוונית: הידרו זה מים, ופיליה זה אהבה או חיבה, כלומר חומרים אוהבי מים. לעומתם, חומרים שלא יוצרים כוחות חשמליים בינם ובין המים נקראים הידרופוביים: פוביה זה פחד, כלומר אלו חומרים ש"פוחדים" ממים. כמובן שאלו רק דימויים: אף אחד לא מייחס באמת רגשות לחומרים.

שמן, שעווה וגם פלסטיקים רבים הם חומרים הידרופוביים, ולכן מים מים לא נדבקים טוב לפלסטיק, או למשטחים שמנוניים, זו גם הסיבה ששמן לא נמס במים. בחלקיקים הבונים את השמנים והפלסטיקים האלו, פשוט אין מספיק קיטוב חשמלי, שיאפשר את משיכת מולקולות המים. בפני השטח של זכוכית כן נמצאים חלקיקים עם קיטוב חשמלי, ולכן מים נצמדים די טוב לזכוכית – טיפת מים קטנה יכולה להיאחז ולא לטפטף אפילו מחלון זכוכית אנכי. נייר בנוי בעיקר מחומר הקרוי תאית או צלולוזה, שעשיר מאוד בקבוצות כימיות שיוצרות קשרים חשמליים עם המים, ולכן המים לא רק נדבקים לנייר, אלא ממש נספגים בין סיביו.

מים נצמדים די טוב לזכוכית – טיפת מים קטנה יכולה להיאחז ולא לטפטף אפילו מחלון זכוכית אנכי. חלון בגשם | Shutterstock, Ellica

סופר הידרופובי

העלים של צמח כובע הנזיר מדגימים תופעה שאפשר לכנותה כסופר הידרופוביה, או הידרופוביית-על, כלומר הם "מאוד פוחדים" ממים, כך שהמים לא נצמדים לעלה בכלל. כובע הנזיר הוא רק דוגמה אחת לצמח כזה: השתמשנו בו כי הוא נגיש יחסית, אבל יש צמחים שהידרופובים אפילו יותר ממנו, כמו למשל עלי צמח הלוטוס. אם ממששים את העלים של הצמחים הללו מרגישים שהם מעט מחוספסים, כאילו הם מצופים בקוצים או שערות זעירות. כשבוחנים מקרוב, בעזרת מיקרוסקופ, את פני השטח של עלים סופר-הידרופוביים, מגלים שה"קוצים" האלו הם בעצם בליטות צפופות מאוד, שמכוסות בצינוריות של חומר דמוי שעווה דוחה מים. אפשר לדמות את זה למעין "מיטת מסמרים" של בליטות הידרופוביות, שדוחפות את המים כלפי מעלה ומשאירות אותם מעל המשטח. כוחות חשמליים בין מולקולות המים לבין עצמן יוצרים את מתח הפנים של המים, שהוא מין קרום שקוף שנמצא בפני השטח של המים, אשר מחזיק את המים כטיפה שלמה, ומונע מהם לזלוג בין ה"מסמרים". 

מעין "מיטת מסמרים" של בליטות הידרופוביות, שדוחפות את המים כלפי מעלה ומשאירות אותם מעל המשטח. צילום במיקרוסקופ אלקטרונים סורק של הבליטות על עלי הלוטוס | מתוך המאמר של Ensikat et al

מכיוון שהמים כמעט לא באים במגע עם המשטח, הם יכולים פשוט להתגלגל ממנו הלאה. אם תתבוננו היטב בטיפת מים שמונחת על עלה של צמח כובע הנזיר, תוכלו לראות שהיא "מרחפת" על העלה ולא נוגעת בו – אפשר ממש לראות את פני השטח של הטיפה בחלקה התחתון, קצת מעל העלה.

טיפת מים על עלה צמח כובע הנזיר, ממש מרחפת על פניו ולא נוגעת בו | צילום: ליאורה זיתון

זה משאיר אותנו עם השאלה למה? מדוע העלים התפתחו כך שהם דוחים מעליהם את המים? ככל הנראה, זה עוזר להם להישאר נקיים: דמיינו שטיפת מי-בוץ פוגעת בעלה כזה – היא פשוט תתגלגל למטה. כובע הנזיר הוא צמח נמוך, שסורח על האדמה, כך שבוץ יכול בקלות להצטבר על העלים שלו, ומנגנון לשמירה על עלים נקיים יהיה יתרון עבורו. צמח הלוטוס חי בתוך אגמים, כאשר הגבעולים הם מתחת למים, ורק העלים עצמם צפים על פני המים. במצב כזה, טיפות מים עלולות לפגוע בעלים ללא הפסקה. בלי אמצעי יעיל לסלק אותן, העלים יהיו מכוסים כל הזמן בטיפות מים. העלים הירוקים של הצמחים משמשים אותם כמשטחים לקליטת אנרגיית השמש, וזה חיוני עבורם לשמור עליהם נקיים, ללא חומרים שיפריעו למעבר קרני השמש.

בני האדם למדו מהטבע, וכיום ניתן למצוא חומרים סופר הידרופוביים במוצרים שונים, כמו מעילי גשם, נעליים, ציפויים לפאנלים סולאריים להפקת חשמל (ממש מאותה סיבה שהצמחים פיתחו ציפוי כזה), ואפילו קירות של משתנות ציבוריות.