ایجاد سطوح آبگریز، جلسه اول

هدف: آشنایی دانش آموزان با فناوری نانو و کاربرد آن

فعالیت: مطالعه در مورد ساختارهای نانو متری ، ساخت سطوح دارای ساختار نانو متری و کاربرد آن در ساختمان ها ، تهیه فایل پاورپینت از مطالب جلسه اول

وسایل مورد نیاز: رایانه و در صورت امکان ویدیو پروژکتور

مقدمه:
نانو تکنولوژی فناوری جدیدی است که تمام دنیا را فرا می گیرد، که نه تنها زندگی امروز بشر را تحت تاثیر قرار داده است بلکه تمام آینده است. از این روی آشنایی یا این فناوری و کاربرد آن بسیار اهمیت دارد. نانو تکنولوژی رویکردی است که تمام رشته ها در حوزه های مختلف علمی اعم از صنعت، هوا و فضا، کامپیوتر، مواد غذایی، پزشکی و محیط زیست را شامل می شود. در این نوشتار بعد از بیان تاریخچه فناوری نانو، تعریف و کاربرد آن در زندگی روزمره تلاش بر آن است که ضرورت توجه به این فناوری بررسی شود، باشد که علاقه مندان به این رشته اطلاعات مفیدی را به دست آورند.

تاریخچه:
اگر چه فناوری نانو رشته ایست نسبتا جدید اما مفاهیم اولیه آن مربوط به 50 سال پیش می باشد، زمانی که ریچارد فایمن در سخنرانی معروف خود به نام "آن پایین فضای بسیار زیادی وجود دارد" بشر را بر آن داشت تا زبان اتم ها را فرابگیرند، که تا چه اندازه نحوه چیدمان اتم ها و کنار هم قرار گرفتنشان می تواند بر خواص مواداثر گذار باشد. بعد از گذشت بیش از یک دهه، واژه فناوری نانو توسط نوریو تانیگوچی بر زبانها جاری شد. در سال 1981 با اختراع میکروسکوپ تونلی روبشی که به کمک آن می توان اتم ها را تک تک جا به جا کرد، فناوری نانو آغاز شد.

سخنرانی ریچارد فایمن در سال 1959 الهام بخش مفاهیم پایه ای در زمینه فناوری نانو شد

پرسش: منظور فایمن از اینکه  "آن پایین فضای بسیار زیادی وجود دارد" چیست؟

 تعریف فناوری نانو:
اگر جهان را به اشیا ماکروسکوپی یعنی اشیایی که با چشم انسان قابل رویت است و اشیا میکروسکوپی که برای دیدن و بررسی آنها نیاز به ابزارهای آزمایشگاهی است، تقسیم کنیم به اهمیت سایز مواد در دنیای تکنولوژی می رسیم. فناوری نانو توانایی کنترل و بررسی اتم ها و مولکول ها به طور مجزاست،همانطور که می دانیم هرچیزی که در اطراف ما قرار دارد از اتم ها ساخته شده است از غذایی که می خوریم، لباسی که می پوشیم، خانه ای که در آن زندگی می کنیم تا بدنمان.

فناوری نانو علمی است در ابعاد بسیار کوچک بین 1 تا 100 نانو متر، آنقدر کوچک که نمی توان آنها را با میکروسکوپ های معمولی مشاهده کرد.

یک نانو متر یک میلیاردم متر می باشد برای درک اینکه تا چه اندازه کوچک اند می توانیم سنجشی انجام دهیم که با قرار دادن هشتصد تا ذره 100نانومتری در کنار هم به ضخامت موی انسان برسیم.

 همچنین در شکل زیر سنجشی از ذرات در مقایسه با ابعاد نانومتری  نشان داده شده است.

 تکلیف: با ذکر مثال های بیشتر از سنجش این مقیاس،  در اسلایدی از فایل  پاورپینت خود توضیح دهید.

تغییر خواص مواد از نانو به میکرو:
مواد در ابعاد نانو دارای همان خواص در ابعاد میكرو نمی باشند. همین مسئله باعث خاص شدن و پیشرفت این فناوری شده است به طور یکه مواد را می توان آنقدر به اجزاء كوچك تقسیم كرد تا در این ابعاد به ابزار ها و سیستم هایی با ویژگی های بنیادی و عملکردهای جدیدرسید در واقع مواد در ابعاد نانو به دلیل سایز کوچکشان خواص  منحصر به فردی را از خود نشان می دهند. نقطه ذوب، خواص حرارتی، خواص الکتریکی، خواص مکانیکی،  خواص مغناطیسی، تغییر رنگ و شفافیت و غیره  در این مقیاس تغییر می کنند. که این باعث می شود برای شناسایی خواص مواد اندازه ذرات آنها را در نظر بگیریم.

ما در دنیای ماکرومقیاس اطرافمان، مواد را با توجه به خواصشان دسته بندی می کنیم و سپس متناسب با این خواص، آنها را برای انجام کارهای مختلف انتخاب می کنیم. برای ساخت پنجره از شیشه استفاده می کنیم، زیرا شفاف است و نور را از خود عبور می دهد؛ برای ساخت زیور آلات ماندگار از طلا استفاده می کنیم، زیرا واکنش پذیری پایینی دارد و اکسید نمی شود؛ برق را با رشته های مسی انتقال می دهیم، چرا که پس از طلا و نقره بیشترین ضریب انتقال الکتریکی را در بین عناصر مختلف دارد، حال آنکه این خواص در دنیای نانو تغییر می کند.

تکلیف: همانطور که گفته شد آنچه باعث خاص تر شدن این تکنولوژی شده است، کوچک شدن سایز ذرات می باشد، که باعث تغییر در خواص مواد می شود. در مورد تغییر این خواص تحقیق کرده و در فایل پاورپینت در چند اسلاید توضیح دهید.

مواد نانو ساختار:
نانو مواد، موادی هستند که حداقل یکی از ابعاد آنها در مقیاس نانومتری (1 الی 100 نانو متر) باشد.کوچک شدن ابعاد ذرات تا این اندازه  منجر به بروز خصوصیات فیزیکی، شیمیایی، مغناطیسی، اپتیکی و واکنش پذیری این مواد می شود. در بیین انواع نانو مواد  ، نانو ذرات دارای اهمیت بیشتر  و دارای کاربرد های فراوانی در سالهای اخیر بوده است. نانو ذرات جزو نانو مواد سه بعدی هستند که هر سه بعد آنها در مقیاس نانو می باشد.

تا به اینجا شما دانش آموزان تا حدی با فناوری نانو آشنا شدید آنچه که هدف این پروژه می باشد ساخت سطوح آبگریز با استفاده از ساختارهای نانو متری است که در ادامه به کاربرد این فناوری در ساختمان ها می پردازیم.

کاربرد فناوری نانو:
 امروزه فناوری نانو تمام زندگی بشر را در بر گرفته است. برای وارد شدن به این دنیای کوچک، نیازمند ابزارها و تجهیزات خاصی هستیم که بتوانیم واحدهای سازنده مواد را در مقیاس نانو ببینیم و توانایی اندازه گیری خواص و ویژگیهای مواد نانو متری را بدست بیاوریم که این امر باعث پیشرفت فناوری نانو در صنعت شده است. با این توانایی می توانیم ساختار مواد را آنطور که می خواهیم دستکاری کنیم تا به کالاهای جدیدی برسیم که برای ما با کیفیت تر باشند.

یکی از کاربرد های این فناوری در ساختمانها، ایجاد سطوح خود تمیز شونده و آبگریز می باشد به عنوان مثال یکی از چالشها در ساختمانهای بلند و آسمان خراشها شستن پنجره ها می باشد. آب گریز یا هیدروفوب (Hydrophobe) یک پدیده فیزیکی است که درآن مولکول ها از آب دوری می کنند. مولکول های نفت، روغن و چربی از جمله مولکول های آب گریز هستند. استفاده از ساختارهای نانویی بر روی سطوح به عنوان نانو پوشش موجب می شود که زاویه تماس قطره آب با سطح افزایش یابد.

وقتی این زاویه کم باشد قطره می تواند به صورت نیمکره در آمده و به نوعی سطح را خیس کند اما با افزایش این زاویه ، قطره شباهت زیادی به یک توپ پیدا کرده و حتی می تواند روی سطح به حرکت در آید . در این حالت سطح توسط قطره خیس نمی شود و قطره به جای جذب شدن، به روی سطح می لغزد.
در این پروژه هدف رشد ساختارهای نانویی روی سطح به روش شیمیایی می باشد از آنجایی که این ساختارها باعث ابگریزی سطح می شوند هدف اصلی ما در این پروژه ساخت شیشه های آبگریز با این روش می باشد که به عنوان مثال می توانند در ساختمان های بلند بکار بروند بدون اینکه هنگام بارش باران خیس و یا کثیف شوند چرا که بدلیل آبگریزی، آلودگی را از روی سطح این شیشه ها می شوید و تمیز می شوند.

 تکلیف: از دانش آموز می خواهم  با توجه به مطالبی که گفته شد  با  تهیه فایل پاورپینت و ارائه آن در کلاس در مورد لزوم این فناوری بحث کنند.

شما عزیزان می توانید برای انجام این پروژه به طرح درس های ذیل مراجعه فرمایید:
ایجاد سطح آب گریزتوسط تک لایه خود آرا اکتادکانتیول بر روی نقره- جلسه اول
ایجاد سطح آب گریزتوسط تک لایه خود آرا اکتادکانتیول بر روی نقره-جلسه دوم
ایجاد سطح آب گریزتوسط تک لایه خود آرا اکتادکانتیول بر روی نقره-جلسه سوم

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان، تهیه: رویا رحیم زاده
تنظیم: مرجان سلیمانیان