จะเอาอะไรมากมายกับชีวิต

วิทยาศาสตร์ในของเล่น ตอน รู้จักกับตัวดูดน้ำ

        หลาย คนคงเคยได้ยินข่าวหรืออาจจะเคยพบเห็นของเล่นชนิดหนึ่งที่เรียกว่า "ตัวดูดน้ำ" ที่มีรูปร่างเป็นสัตว์ต่าง ๆ และมีลักษณะพิเศษ เมื่อนำของเล่นชนิดนี้ไปแช่น้ำ มันสามารถจะพองหรือขยายขนาดใหญ่กว่าเดิมหลายเท่า แต่หลังจากที่ของเล่นชนิดนี้ ถูกนำเข้ามาจำหน่ายได้พักหนึ่งก็ถูกหน่วยงาน ราชการสั่งเก็บสินค้า และห้ามไม่ให้มีการจำหน่าย เพราะกลัวว่าหากเด็กเล็กเผลอกลืนตัวดูดน้ำนี้เข้าไป มันจะขยายตัวจนเต็มกระเพาะอาหาร หรือหากมันหลุดไปถึงลำไส้ก็สามารถขยายตัวอุดทางเดินของลำไส้ได้ เนื่องจาก ดูดซับน้ำย่อยในกระเพาะอาหารและในลำไส้ ซึ่งหากเกิดขึ้นจริงการนำของเล่นชนิดนี้ออกมาจากร่างกาย ก็ต้องพึ่งพาวิธี การผ่าตัดเอาออกอย่างเดียว!
แล้วตัวดูดน้ำทำมาจากอะไร? ทำไมมันจึงสามารถขยายตัวได้มากขนาดนั้น? บทความนี้มีคำตอบให้แล้ว...

         สูตรเคมีของโพลิอะคริลามีด                 ลักษณะของโพลิเมอร์ก่อนและหลังการดูดน้ำ

วิทยาศาสตร์ของตัวดูดน้ำ

        ของเล่นตัวดูดน้ำประกอบด้วยวัสดุ 2 ชนิดคือ สารโพลิอะคริลามีด (polyacrylamide) และสารไวนิลอะซีเตด-เอทิลีนโคโพลิเมอร์ (vinylacetate-ethylene copolymer) สารโพลิอะคริลามีดเป็นโพลิเมอร์ ที่มีสมบัติของการดูดซับน้ำไว้ในโมเลกุลได้ เป็นจำนวนมาก ผลการทดลองในห้องปฏิบัติการพบว่า สารสามารถดูดซับน้ำกลั่นในปริมาณมากกว่าน้ำหนักโพลิเมอร์ถึง 800 เท่า แต่หากทดลองกับน้ำชนิดอื่นอย่างเช่นน้ำประปาแล้ว ความสามารถในการดูดซับน้ำจะลดลง เพราะโดยทั่วไปน้ำประปามีสารต่าง ๆ เจือปนและแขวนลอยอยู่ สารนี้นอกจากถูกนำมาใช้เป็นของเล่นตัวดูดน้ำแล้วยังนิยมใช้เป็นดิน วิทยาศาสตร์ที่มีลักษณะเหมือนวุ้นใสมีสีสันสวยงาม เพราะสามารถเก็บกักน้ำได้มาก ซึ่งช่วยให้ไม่ต้องเสียเวลาในการรดน้ำบ่อย

        ใน ทางวิชาการนั้น สารที่มีสมบัติดูดซับน้ำได้ในปริมาณมากจะถูกเรียกว่า สารโพลิเมอร์ดูดซับยิ่งยวด (super absorbent polymer - SAP) นอกจากสารโพลิอะคริลามีดที่ได้กล่าวมาแล้ว ยังมีสารอื่น เช่น สารโพลิอะคริลิกแอซิด (polyacrylic acid) สารโซเดียมโพลิอะคริเลต (sodium polyacrylate) เป็นต้น สารสองชนิดนี้เป็นสารดูดซับยิ่งยวด ที่ถูกนำมาประยุกต์ใช้กับการดูดซับน้ำ เช่นกัน แต่นิยมใช้เป็นสารดูดซับน้ำสำหรับผลิตภัณฑ ์อย่างพวกผ้าอ้อมสำเร็จรูปสำหรับ เด็ก-ผู้ใหญ่ และผ้าอนามัยมากกว่า

        สำหรับ วัสดุชนิดที่สองที่เป็นอีกองค์ประกอบหนึ่งของตัวดูดน้ำคือ สารไวนิลอะซีเตด-เอทิลีนโคโพลิเมอร์ซึ่งเป็นโพลิเมอร์ได้จากปฏิกิริยาการ เกิดโพลิเมอร์ระหว่างไวนิลอะซีเตดโมโนเมอร์ กับเอทิลีนโมโนเมอร์ โพลิเมอร์นี้ทำหน้าที่เป็นเสมือนแกนโครงสร้าง ทำให้ตัวดูดน้ำไม่สูญเสียรูปทรงไปเพราะการพองตัว ผู้เล่นจึงสามารถแช่ตัวดูดน้ำจนพอง นำมาผึ่งหรือตากให้น้ำระเหยแห้ง แล้วนำมาแช่น้ำซ้ำใหม่ได้หลายครั้ง โดยไม่ว่าจะแช่น้ำจนพองหรือหลังจากตากแห้งแล้ว รูปลักษณ์ (ไม่ใช่ขนาด) ของตัวดูดน้ำก็ไม่มีการเปลี่ยนแปลง

ความลับของการขยายร่าง

        โดยทั่วไปการละลายของสาร คือ การที่สารชนิดหนึ่งแพร่กระจาย จนมีความเข้มข้นของสารเท่ากันหมดทั่วทั้งของ เหลว แต่ในตัวดูดน้ำนี้ เนื่องจากมันประกอบขึ้นจากสารโพลิเมอร์ดูดซับยิ่งยวด ซึ่งเป็นสารโพลิเมอร์ ที่โมเลกุลมีขนาดใหญ่มาก อีกทั้งโครงสร้างโมเลกุลก็มีลักษณะคล้ายร่างแห หรือตาข่าย ดังนั้นเมื่อโมเลกุลของน้ำแทรกซึมเข้าไปโมเลกุลของสารแล้ว โมเลกุลของสารโพลิเมอร์จึงเพียงแต่ถูกทำให้คลายตัวออกมา แต่ไม่สามารถแพร่กระจายออกได้ เพราะการยึดติดกันของเส้นสายโพลิเมอร์ใน โมเลกุลเอง จึงทำให้ลักษณะภายนอกหลังจากโพลิเมอร์ดูดน้ำเข้าไปแล้ว มีลักษณะเป็นก้อน คล้ายวุ้น หรือเจลใส และเมื่อนำก้อนโพลิเมอร์ที่อุ้มน้ำนั้นมาตากแดด หรืออบด้วยความร้อนเพื่อไล่น้ำแล้ว ก็จะได้สารโพลิเมอร์กลับคืนมาเหมือนเดิม

        ส่วนการที่โมเลกุลของน้ำสามารถยึดเกาะกับ โมเลกุลของสารโพลิเมอร์ได้นั้น เกิดจากหมู่เอมีน (-NH2) ของสารโพลิอะคริลามีดเกิด "พันธะไฮโดรเจน" กับโมเลกุลน้ำ (H2O) แรงนี้เป็นแรงดึงดูดอย่างอ่อน ที่เกิดเฉพาะอะตอมของไฮโดรเจนกับอะตอมของออกซิเจน (O) หรือไนโตรเจน (N) หรือฟลูออรีน (F) เท่านั้น

ของเล่นอันตรายและไร้ประโยชน์ ?

        ในประเทศไทยมีการสั่งห้ามนำเข้าของเล่นตัวดูดน้ำเข้ามาจำหน่าย อย่างเด็ดขาด เนื่องจากเกรงว่าเด็กเล็กอาจเผลอหยิบของเล่นชนิดนี้ กลืนเข้าไปในร่างกาย แต่ในต่างประเทศ (ที่พัฒนาแล้ว) นั้น ของเล่นชนิดนี้สามารถนำมาใช้เป็นของเล่น และเป็นสื่อการเรียน การสอนทางด้านวิทยาศาสตร์ได้ และแม้ว่าตัวดูดน้ำจะเป็นของเล่นที่ถูกมองว่ามีอันตราย (สำหรับเด็กในประเทศไทย) แต่ในแง่มุมการออกแบบและประยุกต์ใช้แล้ว ต้องถือว่าสิ่งนี้ มีความน่าสนใจในแง่ของการนำสมบัติเฉพาะตัวออกมานำเสนอ ได้อย่างน่าสนใจทีเดียว

แหล่งข้อมูลอ้างอิง

• http://www.terrificscience.org/freeresources/presentations/pdfs/saltsolution.pdf
• http://www.webpak.net/~toddj68/exper.htm
• http://scifun.chem.wisc.edu/CHEMWEEK/POLYMERS/Polymers.html
• http://www.water-keep.com/about/science-superabsorbent-polymers.html