فناوري نانو بر روي پنجره(1)

شيشه ماده‌ شفافي است که من و شما به خوبي آن‌را مي‌شناسيم و هرجا و در هر شرايطي که زندگي کنيم، براي تامين نور طبيعي ساختمان‌‌ها از آن استفاده مي‌کنيم. انواع و اقسام آن‌را ديده‌ايم و مي‌دانيم که يک جسم شيشه‌اي بسته به رنگ و صخامتي که دارد، در برابر نور رفتار متفاوتي نشان مي‌دهد. شيشه‌هاي معمولي بيش‌ترِ نور تابيده شده را عبور مي‌دهند، بخشي از آن‌را هم منعکس مي‌کنند (مانند زماني که آينه گونه عمل مي‌کنند و شما تصوير آدم‌ها يا محيط اطراف را بر روي آن مي‌بينيد) و مقدار کمي را هم جذب مي‌نمايند. اما معمولا عايق‌هاي حرارتي خوبي نيستند. در زمستان گرما داخل خانه را هدر مي‌دهند و در تابستان خنکي مطبوع آن‌را. آلودگي را هم به سرعت به خود جذب مي‌کنند، با بارش چند قطره باران و يا حتي با کوچکترين تماس دستي آلوده مي‌شوند. اين مسئله شايد براي شيشه‌هاي پنجره يک خانه مسکوني چند طبقه اهميت چنداني نداشته باشد، اما براي ساختمان‌هاي بلند مسئله قابل توجهي مي‌شود.

کاربري فراوان شيشه در زندگي روزمره و مشکلات آن از نگاه دقيق و موشکاف فناوري نانو دور نمانده است. اين فناوري، با پوشش‌ها و لايه‌هاي نازک نانومتري خود آماده است تا شيشه‌هاي جديدي با قابليت‌هاي جديد ايجاد نمايد (اگر نمي‌دانيد نانو پوشش و لايه نازک چيست مقاله‌هاي پيش‌نياز را از کنار صفحه بخوانيد). ويژگي‌هاي ظاهري و توانمندي عبور دهي نور در شيشه‌هايي که با لايه‌هاي نازک نانومتري پوشانده مي‌شوند، حفظ مي‌گردد اما در کنار آن قابليت‌هاي جديدي پيدا مي‌کنند که بر زندگي روزمره ما تاثير دارد. بررسي دقيق‌تر اين موضوع، هم مي‌تواند ما را با دنياي اين شيشه‌هاي جديد (ويژگي‌ها، عملکرد و ...) آشنا کند و هم مي‌تواند قابليت‌هاي فناوري نانو را در تغيير خواص سطوح مختلف نشان دهد. به بياني ديگر بررسي اين موضوع، شايد بتواند به ما کمک کند تا درک خوبي از پتانسيل‌هاي فناوري نانو و تاثير آن بر محيط اطرافمان بدست بياوريم.

الف- شيشه‌هاي خودتميزشونده

نام اين شيشه‌ها شايد تا حدودي عملکرد آنها را نشان دهد. شيشه‌هايي که آلودگي چنداني را به خود نمي‌گيرند و با بارش باران و يا تابش آفتاب کاملا تميز مي‌شوند. شيشه‌هاي خودتميزشونده به دو روش سطح خود را از آلودگي پاک مي‌کنند. ما در اينجا براي اينکه بهتر بتوانيم اين دو دسته را از هم تشخيص دهيم، آنها را به دو دسته آب‌دوست و آب‌گريز تقسيم‌بندي مي‌کنيم. اما پيش از آنکه به نحوه عملکرد هر يک بپردازيم لازم است اطلاعاتمان را در مورد آب‌دوستي و آب‌گريزي با هم مرور کنيم.

فرض کنيد که کنار يک شير آب ايستاده‌ايد و شاهد چکيدن آرام آرام قطرات آب بر روي يک صفحه شيشه‌اي هستيد. قطره آب پس از جدا شدن از شير تا رسيدن به صفحه شيشه‌اي به‌صورت قطره باقي مي‌ماند. اما با برخورد به سطح شيشه حالت قطره‌اي خود را از دست داده و بر روي سطح پهن مي‌شود. در کتاب فيزيک خوانده‌ايم که آنچه باعث قطره‌اي ماندن آب در هوا مي‌شود، نوعي نيروي ربايش بين مولکول‌هاي آب است که نيروي چسبندگي ناميده مي‌شود و آنچه سبب پخش شدن آب بر روي شيشه مي‌شود، نوعي نيروي ربايش بين مولکول‌هاي آب و شيشه است که به آن نيروي چسبندگي سطحي گفته مي‌شود. در اين مثال نيروي ربايش بين مولکول‌هاي آب-آب کمتر از آب-شيشه است و اين باعث پخش شدن آب بر روي شيشه مي‌شود. حالا اگر روي همين شيشه مقداري روغن بماليد (اين کار شما شکل ساده‌اي از لايه‌ نشاني است که البته نانومتري نيست)، قطرات آب به شکل‌ کروي‌تري بر روي شيشه قرار مي‌گيرند و مانند قبل پخش نمي‌شوند. شما با ماليدن روغن بر روي شيشه نيروي ربايش بين مولکول‌هاي آب-شيشه را کم کرده‌ايد و ناخود آگاه باعث شده‌ايد که نسبت نيروي بين مولکول‌هاي آب-آب به مولکول‌هاي آب-شيشه بيشتر شود. اين امر سبب شده که آب به صورت قطره‌اي بر روي سطح قرار گيرد. در اين حالت مي‌گوييم سطح شيشه اول، آب‌دوست و سطح شيشه روغني دوم آب‌گريز است. براي تشخيص آب‌دوستي يا آب‌گريزي يک سطح، مي‌توانيم زاويه برخورد قطره آب با آن سطح را محاسبه کنيم. اگر زاويه تماس کمتر از 30 درجه باشد، سطح آب‌دوست و اگر زاويه تماس مساوي و بيش‌تر از 90 درجه باشد، سطح آب‌گريز است. البته اگر زاويه تماس بيشتر از 150 درجه باشد، مي‌گوييم سطح ابر آب‌گريز (بسيار آب‌گريز) است (شکل 1). حالا به نظر شما اين حرف‌ها چه ارتباطي با خودتميزشوندگي دارد؟ جواب اين سوال بستگي به نوع شيشه دارد. اگر موافق باشيد ابتدا شيشه‌هاي خودتميزشونده آب‌گريز را بررسي مي‌کنيم.

الف- 1- شيشه‌هاي خودتميزشونده آب‌گريز

ايده طراحي اين نوع شيشه‌ها از برگ نيلوفر آبي گرفته شده است. نيلوفر آبي (يا لوتوس) نوعي گياه آبزي است که در آب گل‌آلود مي‌رويد. اگر به تالاب انزلي سفر کرده باشيد، برگ‌هاي اين گياه را بر فراز آب گل‌آلود تالاب ديده‌ايد. برگ‌هاي نيلوفر آبي معمولا عاري از هرگونه آلودگي هستند و اگر هم آلودگي بر روي سطح اين برگ‌ها بنشيند، با بارش باران سريع تميز شده و از پاکيزگي مي‌درخشند. ازاين‌رو گفته مي‌شود که برگ‌هاي نيلوفر آبي خودتميزشونده هستند.

دانشمندان مدت‌هاي طولاني بررسي کردند تا توانستند راز پاکيزگي برگ‌هاي اين گياه را پيدا کنند. آزمايش‌هاي آنها نشان مي‌داد که سطح برگ نيلوفر آبي، يک سطح بسيار آب‌گريز است. اين مسئله باعث مي‌شود که نيروي چسبندگي سطحي بين آب و آلودگي بيشتر از نيروي چسبندگي سطحي ميان آلودگي و سطح باشد. از اين‌رو هنگامي‌که يک قطره آب بر روي سطح برگ مي‌غلتد، آلودگي را همراه خود حمل کرده و از سطح دور ‌مي‌کند (شکل 3). شايد اکنون اين سوال برايتان به‌وجود آمده باشد که چرا سطح برگ نيلوفر آبي تا اين حد آب‌گريز است و اين مسئله چه ارتباطي به فناوري نانو دارد؟

براي يافتن پاسخ اين سوال بايد نگاه دقيقي به سطح برگ نيلوفر داشته باشيم. راستش لازم است که بتوانيم تا اندازه چند نانومتر سطح برگ را به خوبي ببينيم. دانشمندان موفق شده‌اند با کمک ميکروسکوپ‌هاي الکتروني اين کار را انجام دهند و نتيجه مشاهدات خود را در شکل (4-الف) به ما نشان داده‌اند. آنها دريافته‌اند که سطح برگ نيلوفر پوشيده از برآمدگي‌هاي ميکرومتري است. اين برآمدگي‌ها سطح تماس قطره آب با برگ را کاهش مي‌دهند و در نتيجه قطره نمي‌تواند به راحتي بر روي سطح پخش شود. براي اينکه اين موضوع را بهتر متوجه شويم، فرض کنيم که سطح برگ مانند يک صفحه چوبي بزرگ است و من و شما مانند قطراتي هستيم که روي برگ قرار دارند. در حالت عادي ما مي‌توانيم به آساني روي اين صفحه چوبي دراز بکشيم، اما اگر سطح صفحه را با تعداد زيادي ميخ بپوشانند، آيا باز هم مي‌توانيم به همان راحتي روي آن بخوابيم يا ترجيح مي‌دهيم به سرعت از روي آن عبور کنيم !؟ در کدام حالت سطح تماس بدن ما با صفحه چوبي بيشتر است ؟ وجود برآمدگي‌ها ميکرومتري سطح تماس و نيروي چسبندگي سطحي ميان قطره آب و برگ نيلوفر را کاهش مي‌دهد.

وجود برآمدگي‌هاي ميکرومتري سطح برگ را آب‌گريز مي‌کند، اما در عمل، برگ نيلوفر از خود خاصيت ابرآب‌گريزي نشان مي‌دهد. يعني زاويه تماس بين قطره آب و سطح برگ بيش از 150 درجه است. علت اين مسئله برآمدگي‌هاي نانومتري است که بر برآمدگي‌هاي ميکرومتري قرار گرفته‌اند (شکل 4). با وجود اين برآمدگي‌ها، سطح تماس آب و برگ کاهش بيشتري مي‌يابد. اين دو نوع برآمدگي در مجموع سطح بسيار زبر و ناصافي را براي برگ نيلوفر بوجود آورده‌اند و در نتيجه سبب آب‌گريزي شديد آن شده‌اند. به اين رفتار خودتميزشوندگي نيلوفر آبي که ناشي از ساختار ميکرومتري-نانومتري آن است، "اثر لوتوس" گفته مي‌شود.

دسته‌ي اول شيشه‌هاي خود تميزشونده با الگوبرداري از "اثر لوتوس" ساخته شده‌اند. در اين نوع شيشه‌ها پوشش نازکي بر سطح شيشه قرار مي‌گيرد که ناصافي‌هاي ميکرومتري و نانومتري آن، موجب کاهش نيروي چسبندگي سطحي ميان قطرات آب و سطح شيشه مي‌شود. به عبارت ديگر در اين نوع شيشه‌ها قابليت خودتميزشوندگي، با افزايش خاصيت آب‌گريزي ايجاد مي‌شود. با افزايش ساخت و توليد اين نوع شيشه‌ها، مي‌توان منتظر حذف برف پاک‌کن از بدنه اتومبيل‌ها بود.

الف-2- شيشه‌هاي خودتميزشونده آب‌دوست

شيشه‌ها دسته دوم رفتار و عملکرد متفاوتي از شيشه‌هاي دسته اول دارند. براي فهم چگونگي کارکرد اين شيشه‌ها لازم است که با نوع خاصي از مواد شيميايي به نام "مواد فوتوکاتاليست" آشنا شويم. فوتوکاتاليست‌ها موادي هستند که در حضور نور (فوتو) از خود خاصيت کاتاليستي نشان مي‌دهند. يعني اگر اين مواد در معرض تابش نور قرار گيرند، مي‌توانند سرعت انجام يک واکنش خاص را بدون دخالت در آن افزايش دهند. يکي از اين مواد دي‌اکسيد تيتانيوم است. هنگامي‌که دي‌اکسيد تيتانيوم در معرض تابش اشعه ماوراي بنفش، که در نور خورشيد وجود دارد، قرار مي‌گيرد تغييراتي در ساختار آن به وجود مي‌آيد که آنرا به ماده‌اي بسيار فعال و بسيار آب‌دوست تبديل مي‌کند. اگر اندازه ذرات دي‌اکسيد تيتانيوم تا حد چند نانومتر کوچک باشد، اين ماده آن‌قدر فعال مي‌شود که مي‌تواند به طور کامل با آلودگي‌ها، لکه‌هاي چربي و مواد آلي (که در ديواره سلولي باکتري‌ها هم وجود دارند) روي شيشه واکنش داده و آنها را به آب و دي اکسيد کربن (CO2) تبديل کند. اين واکنش، چسبندگي ذرات آلودگي را به سطح کاهش مي‌دهد. از سوي ديگر بر روي يک سطح بسيار آب‌دوست، آب به طور کامل و به صورت يک لايه پخش مي‌شود. اين لايه يکنواخت آبي مي‌تواند ذرات و آلودگي‌هايي را که به‌طور ضعيفي به سطح متصل شده‌اند، از جا کنده و با خود پايين آورد (شکل (5)).

ادامه دارد....