בחלק הקודם בסדרה, הסברנו שרמת ההידרופוביות של חומרים תלויה במידת הקוטביות של המולקולות המרכיבות אותם. האופן בו מתפלג המטען החשמלי בתוך המולקולה, משפיע על מידת ההיקשרות של החומר למולקולות המים הקוטביות.
למרות זאת, מחקרים בתחום הגיעו למסקנה כי קוטביות לבדה אינה מספיקה בשביל לייצר דחייה חזקה של מים, ותופעה זו תלויה גם במבנה פני החומר. מושג חשוב בהקשר זה הוא "זווית המגע", גודל המתאר את הזווית הממוצעת בין משטח לבין פני טיפת מים המונחת עליו בנקודת המגע ביניהם.
זווית המגע בין טיפת נוזל למשטח כלשהו בסביבת גז (למשל אוויר), הוגדרה לראשונה על ידי תומאס יאנג בשנת 1905, בעזרת משוואה פשוטה. המשוואה מקשרת בין זווית המגע לשלוש האנרגיות המתחרות זו בזו: מתח הפנים של טיפת הנוזל, אנרגיית השפה בין הגז למשטח ואנרגיית השפה בין המשטח לנוזל. המשוואה מתארת מצב של שיווי משקל, שבו צריך להשקיע אנרגיה גם כדי להגדיל וגם כדי להקטין את השטח המורטב על ידי הטיפה - וכך מתקבלת הזווית. אולם, במשוואה יש הנחה סמויה והיא שפני המשטח המורטב הם חלקים לגמרי.
במשך שנים רבות, כשל המדע להגיע לזוויות מגע בתחום הסופר-הידרופוביות. אם נביט מלמעלה בטיפה המונחת על משטח, הפן הביני (interface) בין הטיפה למשטח יראה לנו כעיגול. אולם אם פני המשטח מחוספסים, כלומר לא חלקים אלא בעלי מבנה מיקרוסקופי כלשהו, אז השטח שהנוזל מכסה בפועל יותר גדול מהשטח של אותו עיגול. כדי להבין מדוע זה קורה, דמיינו קו ישר המחבר שתי נקודות – אם במקום קו ישר נחבר את שתי הנקודות ע"י קו שבור (למשל משהו שנראה כמו מסור), האורך של הקו יגדל למרות שהמרחק בין הנקודות נשאר זהה.
בשנות השלושים והארבעים של המאה הקודמת, הבינו חוקרים שחיספוס של משטח מחזק את נטיית ההרטבה הטבעית של החומר [1], לפחות תאורטית. כלומר, אם זווית המגע הטבעית של המשטח היא קטנה מ-90 מעלות (משטח הידרופילי) אז חיספוס יקטין את זווית המגע עוד יותר עבור זווית מגע הגדולה מ-90 מעלות (משטח הידרופובי), חיספוס פני המשטח יגדיל את הזווית. על משטחים עם מיקרו-מבנים מאד צפופים (עם מרחקים של כעשירית מעובי של שערה), בגלל השפעה חזקה של מתח פנים, המים אינם יכולים לחדור את המבנים והטיפה נשארת מונחת על כיסי אוויר הכלואים בין המבנים [2]. כאשר טיפה נמצאת במצב כזה, זווית המגע שלה עם המשטח מגיעה בקלות לטווחים סופר-הידרופוביים, אך הפער בין ההבנה התיאורטית לבין יכולת טכנולוגית לייצר משטחים כאלו היה גדול מדי.
התקדמות משמעותית בתחום קרתה כשהחלטנו ללמוד על סופר-הידרופוביות מבית-הספר הטוב ביותר בעולם לייצור חומרים מיוחדים – הטבע. בשנות השבעים פרסמו שני חוקרים גרמנים מאמר שחקר באופן שיטתי מבנים סופר-הידרופוביים על עלים של צמחים שונים, בו הגדירו החוקרים את "תוצא הלוטוס" (על שם פרח הלוטוס ההידרופובי) [3]. מתברר, שכאשר מתבוננים בעלה של פרח הלוטוס במיקרוסקופ, ניתן לראות מבנה ראשוני של גבשושיות בגודל של כעשירית מעובי שערה, ואם מתמקדים בגבשושיות עצמן ניתן לראות עליהן מבנה שניוני של "זנבות" שעווה בגודל של כעשירית מיקרון (בערך אלפית מעובי של שערה!). בהמשך התברר שהמבנה השניוני נחוץ כדי לשפר את היציבות של המצב ההידרופובי, אשר נוטה לקרוס תחת לחץ או עקב עיבוי של טיפות מים בתוך המבנים המיקרוסקופיים.
בסוף שנות התשעים, כאשר טכנולוגיות הייצור בקנה מידה מיקרוסקופי הבשילו לרמה מספקת, נוצר פיצוץ בתחום היצור של חומרים סופר-הידרופוביים. לראשונה, יכולנו לתכנן ולייצר משטחים, ציפויים, בדים וחומרים דוחי-מים אחרים כמעט לפי דרישה, חלקם אפילו בקנה מידה תעשייתי. בחלק הבא בסדרה, נספר על השימושים השונים של חומרים סופר-הידרופוביים בתעשייה, ברפואה ובטבע.
בחלק הבאים בסדרה נכתוב על השימושים של סופרהידרופוביות בטבע, במדע ובתעשייה.
חלק ג'

תמונה ראשית: ולרי פרומקין

מקורות וקריאה נוספת:

1. R. Wenzel, "Resistance of Solid Surfaces to Wetting by Water," Ind. Eng. Chem., vol. 28, p. 988–994, 1936.
2. A. Cassie and S. Baxter, "Wettability of Porous Surfaces," Trans. Faraday Soc., vol. 40, p. 546–551, 1944.
3. W. Barthlott and C. Neinhuis, "Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces," Planta, vol. 202, pp. 1-8, 1997.

• T. Young, "An Essay on the Cohesion of Fluids," Phil. Trans. R. Soc. Lond., vol. 95, pp. 65-87, 1805.
• W. Barthlott and N. Ehler, "Raster-Elektronenmikroskopie der Epidermis-Oberflächen von Spermatophyten," Tropische und subtropische Pflanzenwelt. Akad. Wiss. Lit. Mainz., vol. 19, p. 110, 1977.