چرا رنگ در روزهای خشک سریع‌تر از روزهای مرطوب خشک نمی‌شود؟

تصور کنید تابستان است و درحال رنگ کردن نرده‌های باغچه خود هستید که باران شروع می‌شود. در همان زمان و در فاصله کمی دورتر از شما یکی از دوستانتان نیز تازه این کار را به پایان رسانده است، اما آب‌وهوای آن‌جا بهتر است، به‌طوری‌که اطراف نرده‌های رنگ‌شده هوای خشک جریان دارد. کدام نرده زودتر خشک می‌شود؟ ممکن است فکر کنید نرده دومی، زیرا رطوبت کمتری دارد، اما این پاسخ اشتباه است و پژوهش جدیدی علت آن را نشان داده است.

پژوهشگران در مطالعه جدیدی این تئوری را آزمایش کرده‌اند که چرا سرعت تبخیر آب یا حلال‌های دیگر در محلول‌های پلیمری مانند رنگ می‌تواند مستقل از رطوبت محیط باشد. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که وقتی آب از رنگ تبخیر می‌شود، مولکول‌های پلیمر به سمت سطح می‌روند و در آن‌جا لایه متراکمی را تشکیل می‌دهند. این سطح پوست‌مانند از سرعت تبخیر می‌کاهد، درحالی‌که از رنگ دربرابر اثرات رطوبت محافظت می‌کند.

تبخیر مستقل از رطوبت در بسیاری از موقعیت‌ها با مزیت‌هایی همراه است. به‌عنوان مثال، پوست ما به حفظ سرعت تقریبا ثابت تبخیر کمک می‌کند تا آب بدن حفظ شود. این امر توسط غشای سلولی پوست ممکن می‌شود که مولکول‌های لیپیدی آن می‌توانند برای تنظیم سرعت تبخیر عرق تغییر کنند. اما این پاسخی فعال است که در صورت نیاز در بدن ما رخ می‌دهد. آیا ممکن است نسخه غیرفعالی از فرایند توصیف‌شده هم وجود داشته باشد؟

طبق پیش‌بینی‌های سالمون، پس از اینکه مولکول‌های بزرگ لایه متراکمی را تشکیل دادند، سرعت تبخیر محلول باید بدون توجه به رطوبت و خشکی محیط اطراف ثابت بماند. مکس هویسمن، دانشجوی فارغ‌التحصیل فیزیک ماده نرم در دانشگاه ادینبرو بریتانیا گفت: «می‌خواستیم بدانیم آیا این [فرضیه] ممکن است برای تبخیر قطرات ویروس تنفسی که حاوی پلیمرهای با وزن مولکولی بالا هستند، کاربرد داشته باشد یا خیر.»

مدل‌های موجود انتشار ویروس‌ها نقش بیوپلیمرهای را در تبخیر ذرات نادیده می‌گیرند. علت آن است که انتظار نمی‌رود این مولکول‌ها مانند سلول‌های پوست انسان در فرایند فعالی مشارکت داشته باشند. بنابراین، تیم ادینبرو شروع به آزمایش فرضیه سالمون با محلول پلیمری ساده غیرفعال و غیرزیستی کرد.

پژوهشگران دستگاهی را ساختند که نرخ تبخیر را در محلول آب-پلیمر معمولی (پلی‌وینیل الکل یا PVA) در سطوح مختلف رطوبت اندازه‌گیری می‌کرد. دستگاه شامل مخزن پلاستیکی استوانه‌ای بود که پنج سوراخ در دیواره‌های آن ایجاد شده بود. مخزن با محلول PVA پر شد، درحالی‌که لوله‌های مویرگی شیشه‌ای به هر سوراخ متصل بود. لوله‌ها مستطیلی‌شکل بودند و به صورت افقی از مخزن امتداد داشتند.

برای اطمینان از وقوع تبخیر در انتهای بیرون‌زده لوله‌ها، پژوهشگران لایه روغنی را به سطح بالایی محلول اضافه کردند. سپس مخزن روی ترازو درون جعبه‌ای قرار داده شد که رطوبت آن قابل کنترل بود. پژوهشگران رطوبت را بین ۲۵ تا ۹۰ درصد حفظ کردند و سپس مقدار آب از دست رفته از مخزن را تحت‌نظر گرفتند. هریک از آزمایش‌ها ۱۷ ساعت طول کشید.

در هر آزمایش تبخیر به مدت حدود سه ساعت ثابت ماند، اما با تشکیل لایه پلیمری روی سطح درست همان‌طور که سالمون فرض کرده بود، کاهش پیدا کرد. با‌این‌حال، آزمایش دو بینش جدید به فرضیه اصلی اضافه کرد: اول اینکه سرعت تبخیر ثابت در مرحله اولیه (قبل از تشکیل پوسته محافظ) با افزایش رطوبت کاهش پیدا نکرد. دوم اینکه پس از سه ساعت اول، طبق انتظار نرخ تبخیر کم شد، اما فقط تا سطح رطوبت ۸۰ درصد مستقل از رطوبت عمل می‌کرد. در رطوبت بالاتر از ۸۰ درصد، با افزایش رطوبت میزان تبخیر کاهش پیدا کرد که نشان می‌دهد نیروهای دیگری نیز در کار هستند.

براساس تجزیه‌وتحلیل میکروسکوپی، محلول لایه اضافی از پوسته ژله‌مانندی تشکیل داده بود که توانایی مولکول‌های آب برای رسیدن به سطح را کاهش می‌داد. سالمون این لایه اضافه را پیش‌بینی نکرده بود. اخیرا پوسته‌های ژلی مشابهی در سطح قطرات تنفسی مشاهده شده است، بنابراین، این فرایند ممکن است در پلیمرهای زیستی نیز رخ دهد.

چه کسی فکر می‌کرد خشک شدن رنگ این‌قدر جالب باشد؟ یافته‌های مطالعه در مجله‌ی Physical Review Letters منتشر شده است.