مواد خود تمیز شونده(1)

ویژگی قابل توجه گیاه «نیلوفر آبی» در دفع آلودگی، الهام‏بخش ظهور دسته‏ای از فناوری‏ها و مواد خود تمیز شونده و ضدمیکروبی بوده است.

برآمدگى هاى میكروسكوپى بر روى برگ یك نیلوفر آبى، سطح مومسان آن را به سطحى ابرآب گریز تبدیل مى كند كه به شدت دافع آب است. قطرات باران به آسانى در سراسر چنین سطحى غلتیده، هر گونه آلودگى را حذف مى كند.

محققان مواد مصنوعى خودتمیزشونده اى را تولید كرده اند كه « اثر نیلوفر آبى‏» هستند. این در حالى برخى از آنها مبتنى بر است كه دیگران، از خصوصیت متقابل یعنى ابرآب دوستى و واكنش هاى شیمیایى كاتالیستى بهره مى گیرند.

محصولات آینده ممكن است دو ویژگى آ بدوستى و آ بگریزى را با یكدیگر تركیب كنند و یا از موادى با قابلیت كلیدزنى استفاده كنند و به این شكل جریان مایعات را در اجزاى میكروسیالى كنترل كنند.

ویلیام بارتلات (كاشف و توسعه دهندة اثر نیلوفر آبى (از دانشگاه بُن آلمان، چشم اندازى از یك شهر منهتن خودتمیزشونده را مطرح نموده است كه در آن یك باران كوچك، پنجره ها و دیوارهاى آسمان خراش ها را همانند یك نیلوفر آبى كاملاً تمیز مى كند.  در جایى دیگر، وى چادرها و سایبان هایى را معرفى مى كند كه با استفاده از بافت هاى جدید و بدون مداخله ى انسان، تمیز و بدون لك باقى مى‏‏مانند.  البته او تنها شخصى نیست كه چنین چشم اندازهایى را مبتنى بر به كارگیرى اشیاى خودتمیزشونده )كه به ندرت نیاز به شستشو دارند( در آینده مطرح مى كند؛ در ژاپن فناورى هایى براى توسعة سطوح خودگندزدا و ضد عفونى كننده براى حمام ها و بیمارستان ها وجود دارد.  میخاییل رابنر و رابرت كوهن از مؤسسه ى فناورى ماساچوست، فناورى هاى مشابهى را در ذهن خود مجسم مى كنند كه آینه هاى حمام ها را تمیز و بدون بخار نگه داشته، مى توانند آزمایشگاه هاى روى یك تراشه میكروسیالى را كنترل كنند.  در چنین سیستم هایى سیالات از خلال معبرهاى میكروسكوپى عبور مى كنند . هم اكنون ما پیراهن ها، بلوزها، دامن ها و شلوارهایى را در اختیار داریم كه سس گوجه فرنگى، خردل و قهوه را از خود دور مى كنند.  یك انقلاب در زمینه سطوح خودتمیزشونده در راه است.

داستان مواد خودتمیزشونده با الهام گیرى Nelumbo  از نیلوفر آبىِ مقدس یا nucifera در طبیعت آغاز شده است؛ این نوع دائمى آبزى جذاب پرتلألؤ در مذاهب و فرهنگ هاى هند، میانمار، چین و ژاپن جایگاه ویژه اى دارد. نیلوفر آبى به دلیل تمیزى و پاكى استثنایى خود مورد احترام است.  این گیاه در آب گل آلود مى روید؛ اما برگ هاى آن، پس از بیرون آمدن چند متر بالاتر از سطح آب قرار مى گیرد كه این امر از كثیفى آن جلوگیرى مى كند.  قطرات آبى كه بر روى یك برگ نیلوفر آبى قرار مى گیرند، تلألؤ عجیبى دارند و آب باران آلودگى ها را به سادگى و راحت تر از هر گیاه دیگرى از آنها مى زداید.

ویژگى تمیزشوندگى استثنایى این گیاه، توجه بارتلات را به خود جلب كرده است. در دهه ى هفتاد قابلیت هاى میكروسكوپ الكترونى روبشى، وى را مجذوب ساخت. این میكروسكوپ به صورت تجارى در سال 1965 عرضه گردید و عكس هاى واضحى را از محدودة پایین تر از نانومتر ارائه داد. در چنین درجه اى از بزرگ نمایى، یك لكه از آلودگى ها مى تواند تصویر را خراب كند، لذا تمیز بودن نمونه ها ضرورى است؛ اما بارتلات متوجه شد كه برخى از گیاهان ظاهراً هرگز نیاز به شستشو ندارند كه سردستة آنها نیلوفر آبى است.

به عقیده ى بارتلات این اثر از تركیب دو خصوصیت در سطح برگ این گیاه (مومسانى این برگ و برامدگى هاى میكروسكوپى كه سطح آن را پوشانده اند و اندازه آنها چند میكرون است( ایجاد مى‏شود.

وى از فیزیك پایه دریافت كه تنها ویژگى مومسانى این برگ ها باعث آب گریز بودن آنها مى گردد. در چنین ماده اى قطرات آب به شكلى قرار مى گیرند كه كمترین سطح تماس را با سطح ماده داشته باشند . آب بر روى یك مادة آب دوست تر بر روى سطح ماده پخش مى شود تا سطح تماس، بیشینه شود. براى یك سطح آب دوست، زاویه ى تماس (زاویه اى كه از برخورد سطح قطره با ماده ایجاد مى شود( کوچك تر از 30 درجه است؛ در حالى كه زاویه ى تماس یك سطح آب گریز، بزرگ تر از 90 درجه است.

علاوه بر این وى كشف كرد كه برامدگى هاى بى شمارى این مسئله را تشدید كرده، موجب مى شوند كه سطح این نیلوفر، اَبَرآب گریز باشد (یعنى زاویه ى تماس بیش از 150 درجه باشد (. قطرات آب

بر روى چنین سطحى به صورت قطرات كوچكِ تقریباً كروى درمى آیند كه سطح تماس بسیار كوچكى دارد و به سهولتِ یك بلبرینگ، بر روى سطح مى غلتند. آب همانند شخصى كه بر روى بسترى از میخ دراز كشیده باشد، بر روى نوك برامدگى ها مى نشیند. هواى گیرافتاده بین آب و سطح برگ در فضاهاى اطراف برامدگى ها، زاویه ى تماسى را افزایش مى دهد. این اثر به وسیله ى معادلة كاسى  باكستر (اى بى دى كاسى و اس باكستر در دهه ى چهل براى نخستین بار این معادله را ابداع كردند)- توجیه مى شود.

بارتلات مشاهده كرد كه آلودگى و چرك به شكل مشابهى و تنها به وسیله ى نوك برامدگى هاى برگ گیاه مذكور در تماس است. قطرات باران به آسانى چرك ر اتركرده، آن را از برگ به پایین مى غلتانند. كشف ارتقاى تمیزشوندگى به وسیله ى برامدگى هاى میكروسكوپى، به شكل شگفت آورى پرتناقض است. او مى گوید: «من دیده بودم كه در برامدگى ها و فرورفتگى هاى پیش بند مادرم، آلودگى و چرك جمع مى شود و براى تمیز نگه داشتن اشیا باید این برامدگى هاى جذب كننده ى آلودگى را هموار كرد؛ اما بررسى هاى عمیق بر روى این نوع نیلوفر نشان داد كه این مطلب كاملاً درست نیست.»

ایجاد یك سطح ابرآب گریز بر روى یك شىء با استفاده از اثر نیلوفر آبى آسان نیست. خصوصیت یك ماده ى آب گریز ذاتاً دافعه است؛ اما باید این سطح را كه دافعِ همه چیز است، بر روى این شىء چسباند و به آن متصل كرد. با این حال، در اوایل دهه ى نود، بارتلات « قاشق عسل »  را ابداع نموده بود.  این قاشق داراى یك سطح سیلیكونى زبر (داراى برامدگى هاى میكروسكوپى( بود و به عسل اجازه مى داد تا بدون اینكه چیزى در قاشق بماند، از آن جدا شود. سرانجام این محصول برخى از شركت هاى شیمیایى بزرگ را متقاعد كرد كه این راهكار، ارزشمند به شمار مى رود و توان تحقیقاتى آنها به زودى راه هاى بیشترى را براى به كارگیرى این اثر خواهد یافت . تاكنون مهم ترین كاربرد این محصول، رنگ نماى خارجى StoLotusan براى ساختمان هاست كه شركت چندملیتى آلمانى استو اى جى در سال 1999 آن را معرفى كرد و یك موفقیت در  بزرگ بود «اثر نیلوفر آبى» هم اكنون در  بزرگ بود آلمان در عرصه ى ابزارهاى خانگى شناخته شده است.  در اكتبر سال گذشته، نشریه ى  Wirtschaftswocheآن را به عنوان یكى از 50 اختراع برتر سال هاى اخیر در این كشور معرفى كرد.

ادامه دارد...

تنظیم برای تبیان: محسن مرادی