ایجاد سطوح آبگریز، جلسه دوم

هدف: آشنایی دانش آموزان با فناوری نانو وساخت سطوح آبگریز و خود تمیز شونده با استفاده از این فناوری

فعالیت: مطالعه در مورد ساخت سطوح دارای ساختارهای نانو متری و تهیه فایل پاورپینت از مطالب جلسه دوم

وسایل مورد نیاز: رایانه و در صورت امکان ویدیو پروژکتور

در این پروژه می خواهیم با ایجاد یک لایه از اکتا دکانتیول بر روی نقره سطح آبگریز ایجاد کنیم، قبل از هر چیز بهتر است که با سطوح خود تمیز شونده و سطوح آبگریز و همچنین با توجه به کاربرد آنها بیشتر با این فناوری آشنا شویم.

بسیاری از فناوری های که  در جهان امروز وجود دارند از طبیعت الهام گرفته اند. فرایند خود تمیزشوندگی هم یکی از فناور ی هاست. در طبیعت اطراف ما بسیاری ا ز سطوح  مثل بال پروانه ها و برگ گیاهانی مانند نیلوفر آبی، دارای خاصیت خود تمیزشوندگی هستند. .به علت کاربرد بسیار فراوان سطوح خودتمیزشونده در شیشه پنجره ها، صفحات خورشیدی، و صنعت نساجی، این فناوری در قرن بیست و یکم توجه زیادی را به خود جلب کرده است.

فناوری خودتمیزشوندگی موجب کاهش هزینه های مربوط به نگهداری و مدت زمان لازم برای تمیز نگهداشتن تجهیزات و همین طور سبب افزایش دوام آ نها می شود. سطوح خودتمیزشونده به طور کلی به دو دسته تقسیم می شوند: سطوح خودتمیزشونده آبدوست و سطوح خودتمیزشونده آبگریز، که البته هر دو دسته به کمک آب خود را تمیز می کنند. در پوشش های آبدوست آب در سطح گسترده می شود (ورقه ای شدن  آب) به این ترتیب، می تواند چرک و سایر آلودگی ها را با خود حمل کند و از بین ببرد. در حالی که در سطوح آبگریز قطرات آب روی سطح سر می خورند و آن را تمیز می کنند.

سطوح خودتمیزشونده اولین بار با کشف ریزساختار برگ نیلوفر آبی، که برخلاف ظاهر صافش در مقیاس نانو یا میکرو زبر است، مورد توجه قرار گرفتند. پدیده خودتمیزشوندگی به زاویه تماس بستگی دارد و بر این اساس، سطوح خودتمیزشونده به دو دسته ابرآبدوست و ابرآبگریز تقسیم می شوند.

پدیده خودتمیزشوندگی به زاویه تماس بستگی دارد. زاویه تماس در فصل مشترک سه فاز جامد و مایع و گاز در محل تماس قطره مایع با سطح جامد تشکیل می شود. به طور کلی، اگر زاویه تماس کمتر از ۹۰ درجه باشد، سطح را آبدوست می گویند، در حالی که اگر این زاویه بیشتر از ۹۰ درجه باشد، سطح را آبگریز می نامند. سطوح با زاویه تماس نزدیک به صفر درجه ابرآبدوست و سطوح با زاویه تماس بیشتر از ۱۵۰ درجه ابرآبگریز نام دارند. سطوح آبگریز دارای انرژی سطحی بسیار پایین هستند، در حالی که انرژی سطحی سطوح آبدوست بسیار بالاست. استفاده از فناوری نانو و بروز خواص متفاوت در ابعاد نانومتری دستیابی به سطوح ابرآبگریز و ابرآبدوست را ممکن کرده است.

اندازه گیری زاویه تماس پایا در سطوح آب دوست، آب گریز و ابر آب گریز

مفهوم خودتمیزشوندگی از برگ نیلوفرآبی الهام گرفته شده است که با وجود رویش در مرداب هرگز کثیف نمی شود. همان گونه که در شکل زیر نشان داده شده است، وجود برآمدگی های میکرومتری در ساختار این برگ سبب حبس مقادیر زیاد هوا در فواصل این برآمدگی ها در زمان تماس با آب می شود. از سوی دیگر وجود واکس طبیعی بر روی این برگ سبب ایجاد خاصیت اَبَر آب گریزی این سطح می شود.

همانطور که گفته شد ما می خواهیم با  ایجاد یک لایه از اکتادکانتیول بر روی نقره سطح آبگریز ایجاد کنیم، اکتادکانتیول از ترکیبات کربنی است در ادامه به منظور آشنایی دانش آموزان به توصیف شیمی ترکیبات کربن می پردازیم.

ترکیبات کربن:
کربن (C) را می توان یک عنصر استثنائی در جدول تناوبی دانست. پیوند کوالانسی هر اتم کربن با انواع دیگر اتم ها یا اتم های کربن دیگر، ساختارهای نامحدود و بسیار متنوع را ایجاد می نماید. از جهت دیگر بسیاری از ترکیباتی که در طبیعت طی روش های طبیعی سنتز ساخته می شوند نیز از خانواده ترکیبات آلی (کربنی) اند. در نانوفناوری نیز، ترکیبات کربنی دسته مهم و مشخصی را به خود اختصاص می دهند که با عنوان نانوساختارهای کربنی (Carbon Nanostructures) خوانده می شوند. نانوساختارهای کربنی خصوصیات فیزیکی-شیمیایی منحصر به فردی از خود نشان می دهند و نقش گسترده ای در زمینه فناوری های نوین و پیشرفته دارند. مطالعه شیمی پایه ترکیبات کربنی (شیمی آلی) می تواند راهگشای درک بسیاری از خصوصیات نانوساختارهای کربنی و همچنین اصلاح ساختاری آنان باشد. دو ایزوتوپ (Isotope) عمده کربن 12C و 13C می باشد. که به صورت طبیعی وجود ندارد.

هیبریدهای اتم کربن و پیوند کوالانسی:

تشکیل ترکیبات آلی بر پایه پیوندهای کوالانسی  است. مدل اوربیتال های هیبریدی، یک الگوی توصیفی از تشکیل پیوندهای کوالانسی بین اتم هاست. در این مدل اوربیتال های هر اتم (که دربرگیرنده الکترون های پیوندی است) با یکدیگر ترکیب شده و اوربیتال های هیبریدی را تولید می کند. اوربیتال های هیبریدی ایجاد شده، دارای ساختار و انرژی مشابه بوده و در تشکیل پیوند با اتم های دیگر مشارکت می کنند. این پیوند با نام پیوند سیگما (σ) شناخته می شود. برای مثال در تشکیل مولکول متان (CH4) سه اوربیتال p و یک اوربیتال s از اتم کربن وارد واکنش می شود. از آنجا که هر چهار پیوند کربن-هیدروژن در متان کمابیش مشابهند، می توان تصور کرد که ترکیب (هیبرید) این چهار اوربیتال در ساخت مولکول به کار گرفته شده است. به عبارت دیگر به جای سه اوربیتال p و یک  s (جمعا چهار اوربیتال)، چهار اوربیتال مشابه sp3 در واکنش شرکت نموده اند.

پیوندهای یگانه در ترکیبات آلکان (Alkane)           هیبرید sp3
پیوندهای دوگانه در ترکیبات آلکن (Alkene)          هیبرید sp2
پیوندهای سه گانه در ترکیبات آلکین (Alkyne)       هیبرید sp 

اوربیتال هایی از کربن که در پیوند شرکت نمی کنند به صورت غیر هیبریدی (عمود بر صفحه پیوند) باقی می مانند.

شکل زیر ساختار هیبریدی متفاوت اتم های کربن را نشان می دهد. در ساختار sp2 ، سه اوربیتال های هیبریدی با زاویه 120 درجه در یک صفحه قرار می گیرند که از ترکیب یک اوربیتال اتمی s کربن با دو اوربیتال p آن بدست آمده اند. اوربیتال p هیبرید نشده به صورت عمود بر صفحه سه اوربیتال هیبریدی قرار می گیرد. در ساختار sp، اوربیتال های اتمی s و p از کربن با یکدیگر ترکیب شده و دو اوربیتال هیبریدی sp می سازند که با زاویه180درجه  نسبت به یکدیگر قرار می گیرند. دو اوربیتال p غیر هیبریدی در صفحاتی عمود بر اوربیتال های هیبریدی واقع می شوند. دو اوربیتال sp هیبریدی در تشکیل پیوند اصلی (سیگما σ ) و دو اوربیتال p عمود برهم در تشکیل پیوند های دخالت می کنند. در اصل این هیبرید اتم کربن است که تفاوت های ساختاری و خصوصیات ترکیبات کربنی مختلف را باعث می شود.

 اوربیتال های مولکولی هیبریدی اتم های کربن در آلکان (sp3)، آلکن (sp2) و آلکین (sp)

در شیمی آلی، به ترکیباتی که تا درصد بالایی از فرمول مولکولی خود از کربن و هیدروژن ساخته شده اند، ترکیبات هیدروکربنی گفته می شود. ترکیبات هیدروکربنی در دو دسته آلیفاتیک و آروماتیک قرار می گیرند. این ترکیبات می توانند زنجیره ای، حلقوی و یا دربرگیرنده ساختارهای سه بعدی باشند.

هرچند پیکره اصلی ترکیبات هیدروکربنی از کربن و هیدروژن تشکیل شده است، وجود عناصر دیگری همچون هالوژن ها و یا نیتروژن، اکسیژن، گوگرد و ... (هترواتم ها) نیز ممکن است. معمولا هترواتم ها خواص الکترونگاتیویتی متفاوتی در مقایسه با اتم کربن دارند و از این جهت بر خصوصیات مولکول تاثیر به سزایی دارند. معمولا هترواتم ها نسبت به کربن الکترونگاتیویتی بالاتری دارند، از این رو در هنگام پیوند با کربن، ابر الکترونی مشترک را بیشتر به سمت خود کشیده و اندکی بار منفی می گیرند.

در مقابل کربن نیز در پیوند با چنین اتم هایی اندکی بار مثبت می گیرد. معمولا هترواتم ها نقش خود را در قالب گروه های عاملی  اعمال می کنند. گروه های عاملی اکسیژن دار نظیر هیدروکسیل (-OH) و کربوکسیل (-COOH) به ترتیب خاصیت الکلی و اسیدی به مولکول می بخشند. گروه CO پیوند دو گانه کربن و اکسیژن  نیز گروه کربونیل خوانده می شود و بسته به آنکه در چه بخشی از مولکول واقع شود، خصوصیات آلدهیدی  یا کتونی را ایجاد می کند. نیتروژن بیشتر در ساختار ترکیبات آمین و آمید شرکت می کند و گوگرد، گاه به صورت گروه عاملی تیول (-SH) حضور دارد.

همان طور که گفته شد در شیمی آلی تیول ترکیبی است که شامل گروه عاملی ٓSH می باشد. به صورت عمومی تیولها معمولا مرکاپتان نامیده می شوند. یکی از کاربردهای مهم مرکاپتانها در بودار  کردن گاز طبیعی مورد استفاده در منازل جهت جلوگیری از خطرات احتمالی می باشد. روش ترجیحی در نامگذاری این دسته از ترکیبات افزودن پسوند تیول به انتهای نام آلکان مورد نظر می باشد که این روش مشابه به روشی است که برای نامگذاری الکل ها به کار گرفته می شود.

تکلیف: در مورد شیمی تیولها و خواص آنها مطالعه کنید. همچنین در مورد شکل ظاهری ، فرمول شیمیایی، نقطه جوش، درجه ذوب و انحلال پذیری آلکانتیول و اکتادکانتیول تحقیق کنید.