فناوری نانو بر روی پنجره(1)

شیشه ماده‌ شفافی است که من و شما به خوبی آن‌را می‌شناسیم و هرجا و در هر شرایطی که زندگی کنیم، برای تامین نور طبیعی ساختمان‌‌ها از آن استفاده می‌کنیم. انواع و اقسام آن‌را دیده‌ایم و می‌دانیم که یک جسم شیشه‌ای بسته به رنگ و صخامتی که دارد، در برابر نور رفتار متفاوتی نشان می‌دهد. شیشه‌های معمولی بیش‌ترِ نور تابیده شده را عبور می‌دهند، بخشی از آن‌را هم منعکس می‌کنند (مانند زمانی که آینه گونه عمل می‌کنند و شما تصویر آدم‌ها یا محیط اطراف را بر روی آن می‌بینید) و مقدار کمی را هم جذب می‌نمایند. اما معمولا عایق‌های حرارتی خوبی نیستند. در زمستان گرما داخل خانه را هدر می‌دهند و در تابستان خنکی مطبوع آن‌را. آلودگی را هم به سرعت به خود جذب می‌کنند، با بارش چند قطره باران و یا حتی با کوچکترین تماس دستی آلوده می‌شوند. این مسئله شاید برای شیشه‌های پنجره یک خانه مسکونی چند طبقه اهمیت چندانی نداشته باشد، اما برای ساختمان‌های بلند مسئله قابل توجهی می‌شود.

کاربری فراوان شیشه در زندگی روزمره و مشکلات آن از نگاه دقیق و موشکاف فناوری نانو دور نمانده است. این فناوری، با پوشش‌ها و لایه‌های نازک نانومتری خود آماده است تا شیشه‌های جدیدی با قابلیت‌های جدید ایجاد نماید (اگر نمی‌دانید نانو پوشش و لایه نازک چیست مقاله‌های پیش‌نیاز را از کنار صفحه بخوانید). ویژگی‌های ظاهری و توانمندی عبور دهی نور در شیشه‌هایی که با لایه‌های نازک نانومتری پوشانده می‌شوند، حفظ می‌گردد اما در کنار آن قابلیت‌های جدیدی پیدا می‌کنند که بر زندگی روزمره ما تاثیر دارد. بررسی دقیق‌تر این موضوع، هم می‌تواند ما را با دنیای این شیشه‌های جدید (ویژگی‌ها، عملکرد و ...) آشنا کند و هم می‌تواند قابلیت‌های فناوری نانو را در تغییر خواص سطوح مختلف نشان دهد. به بیانی دیگر بررسی این موضوع، شاید بتواند به ما کمک کند تا درک خوبی از پتانسیل‌های فناوری نانو و تاثیر آن بر محیط اطرافمان بدست بیاوریم.

الف- شیشه‌های خودتمیزشونده

نام این شیشه‌ها شاید تا حدودی عملکرد آنها را نشان دهد. شیشه‌هایی که آلودگی چندانی را به خود نمی‌گیرند و با بارش باران و یا تابش آفتاب کاملا تمیز می‌شوند. شیشه‌های خودتمیزشونده به دو روش سطح خود را از آلودگی پاک می‌کنند. ما در اینجا برای اینکه بهتر بتوانیم این دو دسته را از هم تشخیص دهیم، آنها را به دو دسته آب‌دوست و آب‌گریز تقسیم‌بندی می‌کنیم. اما پیش از آنکه به نحوه عملکرد هر یک بپردازیم لازم است اطلاعاتمان را در مورد آب‌دوستی و آب‌گریزی با هم مرور کنیم.

فرض کنید که کنار یک شیر آب ایستاده‌اید و شاهد چکیدن آرام آرام قطرات آب بر روی یک صفحه شیشه‌ای هستید. قطره آب پس از جدا شدن از شیر تا رسیدن به صفحه شیشه‌ای به‌صورت قطره باقی می‌ماند. اما با برخورد به سطح شیشه حالت قطره‌ای خود را از دست داده و بر روی سطح پهن می‌شود. در کتاب فیزیک خوانده‌ایم که آنچه باعث قطره‌ای ماندن آب در هوا می‌شود، نوعی نیروی ربایش بین مولکول‌های آب است که نیروی چسبندگی نامیده می‌شود و آنچه سبب پخش شدن آب بر روی شیشه می‌شود، نوعی نیروی ربایش بین مولکول‌های آب و شیشه است که به آن نیروی چسبندگی سطحی گفته می‌شود. در این مثال نیروی ربایش بین مولکول‌های آب-آب کمتر از آب-شیشه است و این باعث پخش شدن آب بر روی شیشه می‌شود. حالا اگر روی همین شیشه مقداری روغن بمالید (این کار شما شکل ساده‌ای از لایه‌ نشانی است که البته نانومتری نیست)، قطرات آب به شکل‌ کروی‌تری بر روی شیشه قرار می‌گیرند و مانند قبل پخش نمی‌شوند. شما با مالیدن روغن بر روی شیشه نیروی ربایش بین مولکول‌های آب-شیشه را کم کرده‌اید و ناخود آگاه باعث شده‌اید که نسبت نیروی بین مولکول‌های آب-آب به مولکول‌های آب-شیشه بیشتر شود. این امر سبب شده که آب به صورت قطره‌ای بر روی سطح قرار گیرد. در این حالت می‌گوییم سطح شیشه اول، آب‌دوست و سطح شیشه روغنی دوم آب‌گریز است. برای تشخیص آب‌دوستی یا آب‌گریزی یک سطح، می‌توانیم زاویه برخورد قطره آب با آن سطح را محاسبه کنیم. اگر زاویه تماس کمتر از 30 درجه باشد، سطح آب‌دوست و اگر زاویه تماس مساوی و بیش‌تر از 90 درجه باشد، سطح آب‌گریز است. البته اگر زاویه تماس بیشتر از 150 درجه باشد، می‌گوییم سطح ابر آب‌گریز (بسیار آب‌گریز) است (شکل 1). حالا به نظر شما این حرف‌ها چه ارتباطی با خودتمیزشوندگی دارد؟ جواب این سوال بستگی به نوع شیشه دارد. اگر موافق باشید ابتدا شیشه‌های خودتمیزشونده آب‌گریز را بررسی می‌کنیم.

الف- 1- شیشه‌های خودتمیزشونده آب‌گریز

ایده طراحی این نوع شیشه‌ها از برگ نیلوفر آبی گرفته شده است. نیلوفر آبی (یا لوتوس) نوعی گیاه آبزی است که در آب گل‌آلود می‌روید. اگر به تالاب انزلی سفر کرده باشید، برگ‌های این گیاه را بر فراز آب گل‌آلود تالاب دیده‌اید. برگ‌های نیلوفر آبی معمولا عاری از هرگونه آلودگی هستند و اگر هم آلودگی بر روی سطح این برگ‌ها بنشیند، با بارش باران سریع تمیز شده و از پاکیزگی می‌درخشند. ازاین‌رو گفته می‌شود که برگ‌های نیلوفر آبی خودتمیزشونده هستند.

دانشمندان مدت‌های طولانی بررسی کردند تا توانستند راز پاکیزگی برگ‌های این گیاه را پیدا کنند. آزمایش‌های آنها نشان می‌داد که سطح برگ نیلوفر آبی، یک سطح بسیار آب‌گریز است. این مسئله باعث می‌شود که نیروی چسبندگی سطحی بین آب و آلودگی بیشتر از نیروی چسبندگی سطحی میان آلودگی و سطح باشد. از این‌رو هنگامی‌که یک قطره آب بر روی سطح برگ می‌غلتد، آلودگی را همراه خود حمل کرده و از سطح دور ‌می‌کند (شکل 3). شاید اکنون این سوال برایتان به‌وجود آمده باشد که چرا سطح برگ نیلوفر آبی تا این حد آب‌گریز است و این مسئله چه ارتباطی به فناوری نانو دارد؟

برای یافتن پاسخ این سوال باید نگاه دقیقی به سطح برگ نیلوفر داشته باشیم. راستش لازم است که بتوانیم تا اندازه چند نانومتر سطح برگ را به خوبی ببینیم. دانشمندان موفق شده‌اند با کمک میکروسکوپ‌های الکترونی این کار را انجام دهند و نتیجه مشاهدات خود را در شکل (4-الف) به ما نشان داده‌اند. آنها دریافته‌اند که سطح برگ نیلوفر پوشیده از برآمدگی‌های میکرومتری است. این برآمدگی‌ها سطح تماس قطره آب با برگ را کاهش می‌دهند و در نتیجه قطره نمی‌تواند به راحتی بر روی سطح پخش شود. برای اینکه این موضوع را بهتر متوجه شویم، فرض کنیم که سطح برگ مانند یک صفحه چوبی بزرگ است و من و شما مانند قطراتی هستیم که روی برگ قرار دارند. در حالت عادی ما می‌توانیم به آسانی روی این صفحه چوبی دراز بکشیم، اما اگر سطح صفحه را با تعداد زیادی میخ بپوشانند، آیا باز هم می‌توانیم به همان راحتی روی آن بخوابیم یا ترجیح می‌دهیم به سرعت از روی آن عبور کنیم !؟ در کدام حالت سطح تماس بدن ما با صفحه چوبی بیشتر است ؟ وجود برآمدگی‌ها میکرومتری سطح تماس و نیروی چسبندگی سطحی میان قطره آب و برگ نیلوفر را کاهش می‌دهد.

وجود برآمدگی‌های میکرومتری سطح برگ را آب‌گریز می‌کند، اما در عمل، برگ نیلوفر از خود خاصیت ابرآب‌گریزی نشان می‌دهد. یعنی زاویه تماس بین قطره آب و سطح برگ بیش از 150 درجه است. علت این مسئله برآمدگی‌های نانومتری است که بر برآمدگی‌های میکرومتری قرار گرفته‌اند (شکل 4). با وجود این برآمدگی‌ها، سطح تماس آب و برگ کاهش بیشتری می‌یابد. این دو نوع برآمدگی در مجموع سطح بسیار زبر و ناصافی را برای برگ نیلوفر بوجود آورده‌اند و در نتیجه سبب آب‌گریزی شدید آن شده‌اند. به این رفتار خودتمیزشوندگی نیلوفر آبی که ناشی از ساختار میکرومتری-نانومتری آن است، "اثر لوتوس" گفته می‌شود.

دسته‌ی اول شیشه‌های خود تمیزشونده با الگوبرداری از "اثر لوتوس" ساخته شده‌اند. در این نوع شیشه‌ها پوشش نازکی بر سطح شیشه قرار می‌گیرد که ناصافی‌های میکرومتری و نانومتری آن، موجب کاهش نیروی چسبندگی سطحی میان قطرات آب و سطح شیشه می‌شود. به عبارت دیگر در این نوع شیشه‌ها قابلیت خودتمیزشوندگی، با افزایش خاصیت آب‌گریزی ایجاد می‌شود. با افزایش ساخت و تولید این نوع شیشه‌ها، می‌توان منتظر حذف برف پاک‌کن از بدنه اتومبیل‌ها بود.

الف-2- شیشه‌های خودتمیزشونده آب‌دوست

شیشه‌ها دسته دوم رفتار و عملکرد متفاوتی از شیشه‌های دسته اول دارند. برای فهم چگونگی کارکرد این شیشه‌ها لازم است که با نوع خاصی از مواد شیمیایی به نام "مواد فوتوکاتالیست" آشنا شویم. فوتوکاتالیست‌ها موادی هستند که در حضور نور (فوتو) از خود خاصیت کاتالیستی نشان می‌دهند. یعنی اگر این مواد در معرض تابش نور قرار گیرند، می‌توانند سرعت انجام یک واکنش خاص را بدون دخالت در آن افزایش دهند. یکی از این مواد دی‌اکسید تیتانیوم است. هنگامی‌که دی‌اکسید تیتانیوم در معرض تابش اشعه ماورای بنفش، که در نور خورشید وجود دارد، قرار می‌گیرد تغییراتی در ساختار آن به وجود می‌آید که آنرا به ماده‌ای بسیار فعال و بسیار آب‌دوست تبدیل می‌کند. اگر اندازه ذرات دی‌اکسید تیتانیوم تا حد چند نانومتر کوچک باشد، این ماده آن‌قدر فعال می‌شود که می‌تواند به طور کامل با آلودگی‌ها، لکه‌های چربی و مواد آلی (که در دیواره سلولی باکتری‌ها هم وجود دارند) روی شیشه واکنش داده و آنها را به آب و دی اکسید کربن (CO2) تبدیل کند. این واکنش، چسبندگی ذرات آلودگی را به سطح کاهش می‌دهد. از سوی دیگر بر روی یک سطح بسیار آب‌دوست، آب به طور کامل و به صورت یک لایه پخش می‌شود. این لایه یکنواخت آبی می‌تواند ذرات و آلودگی‌هایی را که به‌طور ضعیفی به سطح متصل شده‌اند، از جا کنده و با خود پایین آورد (شکل (5)).

ادامه دارد....

نویسنده: فاطمه موید

منبع: باشگاه نانو