מים הם חומר מרתק עם המון תכונות יוצאות דופן. הסיבה העיקרית לכך היא המבנה המיוחד של מולקולת המים. מולקולת המים היא ניטרלית מבחינה חשמלית אך המבנה שלה ופילוג המטען החשמלי בה אינו סימטרי, מה שמוביל ליצירת דיפול (dipole או בעברית דו-קוטב) חשמלי. כלומר, מבנה שבקצהו האחד מטען חיובי ובקצהו השני מטען שלילי.

בתמונה: מולקולת מים עם סימוני הדיפול שלה (קרדיט: Drago Karlo CC-BY)
מולקולות בעלות דיפול חשמלי נקראות מולקולות קוטביות. זאת בניגוד למולקולות לא קוטביות, שבהן גם המבנה וגם פילוג המטען הם בדרך כלל סימטריים, כלומר - מפוזרים אחיד במרחב.
לקוטביות של מולקולות יש השפעה חזקה על התנהגותן. במולקולות קוטביות, הצד הטעון חיובית יחוש בדחייה מאזורים חיוביים של מולקולות אחרות וימשך לצדדים שליליים. בנוזלים קוטביים, כגון מים, נוצרת משיכה חשמלית ממוצעת חזקה בין המולקולות. כתוצאה מכך, מולקולה הנמצאת על שפה חופשית (למשל על השפה בין נוזל לגז) חשה משיכה מכל המולקולות בתוך הנוזל אך לא חשה משיכה מהאוויר שמעליה (למשל), ולכן נוצר כוח כלפי פנים הנוזל. מכיוון שאף מולקולה לא "רוצה" להיות על השפה, יש להשקיע אנרגיה בכדי ליצור שפה חופשית (או שפה בין שני נוזלים). היחס בין האנרגיה הטמונה בשפה לבין שטח השפה מוגדר כמתח הפנים של הנוזל.
אם נתעלם מכבידה, טיפת מים תקבל צורה כדורית מושלמת, מכיוון שכדור זאת הצורה עם שטח הפנים הקטן ביותר עבור נפח נתון [1]. לכן, צורה זאת ממזערת את אנרגיית מתח הפנים של הטיפה. אבל מה יקרה אם נקרב משטח כלשהו לטיפה המרחפת לה בחלל? מסתבר שזה תלוי במידת הקוטביות של המולקולות המרכיבות את המשטח. ככל שהמשטח יהיה יותר קוטבי, כך תגבר המשיכה בין מולקולות המים למשטח, והמשטח ירטב יותר.
אחת השיטות המקובלות לכימות מידת הרטבה של משטח הוצעה ב 1805 על ידי תומאס יאנג [2], והיא נתונה על ידי זווית המגע בין טיפה קטנה לבין המשטח (עבור טיפות קטנות ניתן להזניח כבידה). זווית של אפס מעלות מייצגת הרטבה מושלמת, וזווית של 180 מעלות מייצגת דחייה מושלמת. בגדול, חומרים עם זווית מגע הקטנה מ 90 מעלות נקראים חומרים הידרופיליים (אוהבי מים) או סופר-הידרופיליים אם זווית המגע קטנה מ 10 מעלות, וחומרים עם זווית מגע הגדולה מ 90 מעלות נקראים חומרים הידרופוביים (דוחי מים) או סופר-הידרופוביים אם זווית המגע גדולה מ 140 מעלות (ראו ציור המתאר את זווית המגע בתגובה הראשונה).
שמן הוא דוגמה נפוצה לחומר הידרופובי. אם נוסיף שמן למיכל מים, מולקולות המים ימשכו אחת לשנייה וידחקו את מולקולות השמן הלא-קוטביות. מולקולות השמן יעדיפו להיצמד זו לזו כדי למזער את שטח הפנים בינן לבין הסביבה, ויצרו טיפות שמן קטנות בתוך המים. מכיוון שצפיפותו של שמן בדרך כלל קטנה מצפיפות של מים, הטיפות יצופו על פני המים ויתחברו לשכבת שמן אחידה המכסה את שכבת המים. תופעה זאת נקראת "הפרדת פאזות".
לרוב, חומרים הידרופוביים הם גם ליפופיליים (כלומר אוהבי שמן), ולכן ניתן לנצל משטחים דוחי-מים כדי למשוך אליהם חומרים שומניים. לחיפושית Hemisphaerota cyanea יש שערות קטנות שמכסות את חלקה התחתון ומעניקות לה תכונות הידרופוביות. כאשר מגיע טורף, החיפושית פולטת שמן שמדביק את בטנה אל המשטח עליו היא נמצאת דרך אפקט שנקרא "גשר קפילרי", ולא מאפשר לטורף להרים את החיפושית [3]. ניסויים הראו שבצורה כזאת החיפושית יכולה להתנגד לכוחות הגדולים פי 60 ממשקלה.
למרות ניסיונות רבים של חוקרים ברחבי העולם, לא ניתן לקבל משטחים סופר-הידרופוביים על ידי שימוש בכימיית פני השטח לבדה. מסתבר, שכדי לקבל זוויות מגע הגדולות מ 140 מעלות, צריך לתכנן משטחים מתוחכמים בעלי מבנים מיקרוניים וננומטריים (מיקרון הוא מיליונית המטר, וננומטר הוא אלפית המיקרון). כתבנו לכם פעם על משטח שכזה, שדוחה באופן כמעט מושלם מים וגם דם [4].
בחלקים הבאים בסדרה נכתוב על איך מייצרים את המשטחים האלו ועל השימושים הרבים שלהם במדע ובתעשייה:
חלק ב'
חלק ג'

תמונה ראשית: The world in a waterdrop ,tanakawho, wikipedia

מקורות וקריאה נוספת:

1. מדע גדול בקטנה על הבעיה האיזופרימטרית ובועות סבון
2. מאמרו של תומאס יאנג
3. על החיפושית שמדביקה את עצמה למשטח על מנת להימנע מטורפים
4. מדע גדול בקטנה על חומר סופר-הידרופובי מהונדס