نانوپوشش های هوشمند-قسمت دوم
در ادامه مطلب قبل به معرفی انواع نانو پوشش های هوشمند و کاربردهای آنها می پردازیم:
4- نانوپوشش های هوشمند تصفیه کننده هوا
نانوپوشش های تصفیه کننده هوا بر روی سطوح خارجی ساختمان ها و جاده ها به ویژه در نقاط پرتردد و دارای آلودگی بالا قابل استفاده هستند. به کارگیری این پوشش ها یکی از راه های کاهش خسارات ناشی از آلودگی هوا، به ویژه کاهش درصد NOX و 6VOC محیط محسوب می گردد. هم اکنون این نوع پوشش ها به دو شکل پوشش های آلی و غیرآلی تولید می شوند. عامل تأثیر گذار مهم در عملکرد این دسته از پوشش های هوشمند، اکسیدهای فلزی نیمه هادی و فوتوکاتالیست هایی نظیر CdS, WO3 , TiO2 و ZnO است که از میان آنها استفاده از TiO2 و یا دی اکسید تیتانیوم به دلیل پایداری شیمیایی بالا، سمیت پایین و ارزان بودن رایج تر است. یکی دیگر از مهم ترین اجزای سازنده این دسته از نانوپوشش ها انواع نمک های کربنات است که شامل کربنات کلسیم، کربنات روی، کربنات منیزیم و یا مخلوطی از آنهاست که رایج ترین آنها کربنات کلسیم است. این ترکیب می تواند ماده حاصل از واکنش فوتوکاتالیستی میان رادیکال های آزاد تولید شده روی سطح نانوذرات دی اکسید تیتانیوم با NO و یا NO2 را به نمک های معدنی کم خطر تبدیل کند.
4-1- عملکرد نانوذرات دی اکسید تیتانیوم در پوشش های تصفیه کننده هوا
الکترون ها و حفراتی که در نتیجه واکنش فوتوکاتالیستی بر روی سطح نانوذرات دی اکسید تیتانیوم شکل می گیرند می توانند آب و اکسیژنه موجود در محیط را به یون های سوپراکسید و رادیکال های آزاد هیدروکسیل تبدیل کنند. همچنین حفرات ایجاد شده، آلودگی های آلی را اکسید کرده، به آب، CO2 و سایر مواد آلی واسطه بی خطر تبدیل می کنند. واکنش های تولید الکترون ها و حفرات بر روی سطح ذرات TiO2 بر اثر تابش نور UV و به دنبال آن واکنش های اکسایش و کاهش را می توان به شکل زیر نشان داد (در این واکنش ها، نقاط علامت الکترون آزاد در رادیکال هاست):
(1)TiO2+ hv=>e-+h+
(2) e- + O2 => O2•-
(3)h+ + OH => O•H
از آنجا که واکنش فوتوکاتالیستی TiO2 یک واکنش سطحی است، با کاهش اندازه ذرات، سطح مؤثر برای واکنش با آلودگی های آلی و سایر آلودگی ها نظیر گاز NO2 و غیره افزایش یافته و به این ترتیب تخریب نوری بهتری صورت می گیرد. از سویی طبق قوانین نور و اپتیک، هر چه ذرات ریزتر باشند، طول موج های کوتاه تر را بیشتر جذب می کنند. بنابراین نانوذرات دی اکسید تیتانیوم انرژی UV را بیشتر از ذراتی با اندازه معمولی جذب می کنند؛ لذا بازدهی تخریب نوری افزایش چشم گیری خواهد داشت. در پوشش های تصفیه کننده، واکنش اکسیداسیون NO2 ، NO و پس از آن خنثی سازی اسید ایجاد شده را می توان به شکل زیر نشان داد:
(5) NO+OH=>NO2+H+
(6)NO2+OH=>NO3-+H+
(7)HNO3 + CaVO3=>Ca(NO3)2 + CO2 + H2O
محصول واکنش پس از بارش باران و یا شستشو با آب از سطح زدوده می شود. اگرچه CO2 تولید نیز جزو گازهای گل خانه ای محسوب می گردد. درصد تولید این محصول جانبی در مقایسه با آنچه که منابع آلاینده تولید می کنند، بسیار ناچیز است. سرعت وقوع واکنش بستگی به شدت نور آفتاب، شرایط محیطی نظیر دما و رطوبت نسبی و میزان نانوذرات Tio2 در معرض نور و نیز میزان جذب NOx محیط به وسیله پوشش دارد .
5- نانوپوشش های هوشمند خودتمیز شونده
عموماً فرایند پاک سازی و تمیز کردن نمای ساختمان ها، شیشه ها و برخی دیگر از اجزای داخلی با صرف هزینه و وقت زیادی همراه است و استفاده از پوشش هایی که زمینه های تمیز شدن خود به خودی سطوح را فراهم آورند، بسیار مفید واقع می شود. همچنین این دسته از پوشش های تمیز شونده با اهداف ضدمه سازی و پاک سازی قابل استفاده بر روی سطوح شیشه ها و بدنه اتومبیل ها هستند. از دو نوع اثر (یکی موسوم به آب دوستی و دیگری موسوم به آب گریزی) در ساخت پوشش های خود تمیزشونده استفاده می گردد. خاصیت آب گریزی سطوح باتکیه برایجاد سطوح زبر نانو ساختار و یا میکرو / نانوساختار ایجاد می شود؛ اما خاصیت آب دوستی براساس خاصیت نور – آب دوستی نانوذرات نیمه هادی ایجاد می گردد.
5-1- پوشش های آب گریز خود تمیز شونده
اساس ویژگی آب گریزی یک سطح، سازو کار اثری موسوم به لوتوس در برگ گیاهان است. در این حالت آب به محض تماس با سطح به شکل قطرات کروی تجمع و از روی سطح لغزیده و ذرات آلودگی و خاک ها را با خود از روی سطح می زداید. میزان خیس شدن یک سطح جامد با آب در هوای محیط به چگونگی ارتباط میان کشش های سطحی آب / هوا، جامد / آب و جامد / هوا بستگی دارد. نسبت میان این کشش ها، زاویه تماس بین یک قطره آب و سطحی که روی آن قرار گرفته را تخمین می زند؛ زاویه تماس صفر درجه به معنای خیس شدن کامل سطح و آب دوست بودن آن و زاویه 180 درجه به معنای خیس نشدن و آب گریز بودن آن است. همان گونه که در شکل 4 مشخص شده است، زاویه تماس بالاتر از 90درجه برای آب گریز شدن سطح ضروری است.
از آنجا که دستیابی به خاصیت آب گریزی برای سطوح کاملاً صاف میسر نخواهد بود، ایجا سطوح آب گریز با کمک نانوپوشش ها از طریق قرار گرفتن یک پوشش زبر نانو/ میکروساختاری بر روی سطح امکان پذیر است که همزان با افزایش زاویه تماس، کاهش انرژی سطحی را نیز به همراه خواهد داشت.
این پوشش نانو/ میکروساختار با زبری کم، پستی و بلندی هایی در ابعاد نانومتر دارد. هر چه مقدار پستی و بلندی های سطح پوشش داده شده بیشتر باشد، زاویه تماس بزرگ تر شده، قطرات آب تجمع بیشتری پیدا می کنند؛ همچنین در این حالت اندازه بسیار کوچک ساختار مانع فرو رفتن آلودگی ها و ذرات معلق به داخل فرو رفتگی ها می گردد. این ذرات به شکل آزاد بر روی سطح قرار می گیرند؛ بنابراین با لغزش قطرات آب روی سطح به آب چسبیده، از روی سطح زدوده می شوند (شکل 5).
سطح صاف یک شیشه دارای زاویه تماس ?30 است. اگر این سطح با یک رزین سیلیکونی یا یک پلیمر فلوروکربنی پوشش داده شود، زاویه تماس بین 100 تا 110 درجه خواهد شد؛ در حالی که یک سطح آب گریز عالی باید زاویه تماسی حدود 160 درجه داشته باشد.
نانوپوشش های خود تمیز شونده در دو نوع آلی و غیرآلی تولید می شوند. اعمال این دسته از پوشش ها به دلیل نیاز به ایجاد یک لایه نازک پوششی به روش های چاپ غلطکی، لعاب دهی الکتروستاتیک و یا اسپری کردن انجام می شود.
5-2- پوشش های آب دوست خود تمیز شونده
برای ایجاد یک پوش آب دوست با ساز و کار عمل نور آبدوستی یک لایه نازک از پوشش حاوی نانواکسیدهای فلزی فوتوکاتالیست یا سولفیدها (ZnS ، CdS، TiO2 ، ZnO، Fe2O3 و...) بر روی سطح اعمال می شود. این سطح تحت تابش UV خاصیت فوق آب دوستی پیدا می کند. در این حالت آب به محض تماس با سطح به صورت یک ورقه روی سطح پخش می شود. پس از انجام واکنش های اکسایش و یا کاهش، آلودگی های آلی، غیرآلی، باکتری ها و یا ویروس ها تخریب می گردند، سپس آب موجود بر روی سطح، مواد حاصل از تخریب را به راحتی می زداید .
5-2-1- سازوکار نور – آب دوستی ذرات دی اکسید تیتانیوم
مواد آب دوست با داشتن کشش سطحی بالا می توانند پیوندهای هیدروژنی با آب تشکیل دهند. دی اکسید تیتانیوم نیز پس از تابش UV آب دوست می شود. در این حالت الکترون های تولید شده در جریان واکنش فوتوکاتالیستی، کاتیوهای Ti+4 را به Ti+3 تبدیل کرده و حفرات، آنیون های O2 را اکسید می کنند:
(8) TiO2 + 2hv => 2h+ + 2e-
(9) (جای خالی اکسیژن ها) ½ O2 + O2- + 2h+
در این فرایند اتم های اکسیژن بیرون رانده شده و مولکول های آب، حفرات ایجاد شده را پر می کند. به این ترتیب گروه های OH بیشتری بر روی سطح ذرات TiO2 قرار گرفته، آب دوستی سطح را افزایش می دهند. هر قدر سطح در تماس بیشتری با نور UV قرار گیرد، زاویه تماس آب کوچک تر می شود. پس از زمان کوتاهی تحت تابش متوسط نور UV، زاویه تماس به صفر می رسد و آب تمایل به پخش شدن بر روی سطح را پیدا می کند و به طور همزمان فرایند تخریب آلودگی های آلی نیز رخ می دهد. با تخریب آلودگی های آلی موجود بر روی سطح، مولکول های آبی که که به شکل جذب شیمیایی بر روی سطح قرار داشتند دوباره به صورت آزاد روی سطح قرار می گیرند. آب های جذب شیمیایی شده، آب موجود در محیط را جذب فیزیکی می کنند و به این ترتیب آب روی سطح تجمع پیدا کرده، کاملاً پخش می شود و می تواند محصول واکنش تخریب را همراه خود از روی سطح بزداید .
6- نانوپوشش های هوشمند زیست فعال
نانوپوشش های ضدباکتری – که کاربردهای فراوانی در زمینه های بهداشتی و پزشکی دارند. از جمله نانوپوشش های هوشمندی هستند که از خواص فوتوکاتالیستی نانوذراتی نظیر TiO2 در ساخت آنها استفاده شده است. رادیکال های هیدورکسیلی که در نتیجه جذب امواج UV بر روی سطح نانو ذرات TiO2 تولید می شوند می توانند با تخریب غشای سلولی میکروارگانیسم ها به ساختار سیتوپلاسم آن آسیب جدی وارد کرده، نهایتاً موجب مرگ و تخریب آن گردند. میکروارگانیسم های گوناگون در مقابل فعالیت فوتوکاتالیستی TiO2 از درجات حساسیت گوناگونی برخوردارند؛ به عنوان مثال ویروس ها بیش از باکتری ها و باکتریها بیش از هاگ ها نسبت به خاصیت فوتوکاتالیستی TiO2 حساسیت نشان می دهند. تحقیقات ثابت کرده است که گندزادیی با استفاده از نانوذرات TiO2، سه برابر کلراسیون و 5/1 برابر اوزوناسیون مؤثر واقع می شود . در یک نوع پوشش ضد باکتری سارس از ویژگی سطح جانبی بالای نانوذرات TiO2، برای حمل ذرات فلز نقره و آزادسازی نانوذرات TiO2، برای حل ذرات فلز نقره و آزادسازی تدریجی یون های نقره استفاده می گردد. در این حالت سطح نانو ذرات TiO2، با لایه ای نانومتری از نقره پوشش داده می شود و یون های نقره در مدت زمانی طولانی آزاد گردیده، ویروس و باکتری بیماری زا را تخریب می کنند. مطابق آمار، خسارات اقتصادی ناشی از رسوب کپک، و جلبک های دریایی بر روی کشتی ها و سایر سازه های دریایی، میلیاردها دلار در سال برآورد می گردد که با کاربرد پوشش های نانوساختار ضدخزه می توان به رفع این معضل کمک کرد .
7- نتیجه گیری نهایی
با توجه به کاربردهای متنوع و قابلیت های فراوان استفاده از نانو پوشش های هوشمند در صنایع گوناگون، به نظر می رسد که با کمک این فناوری بسیاری از کارکردهایی که ظاهراً در استفاده از پوشش های معمولی دور از دسترس هستند، حاصل گردیده است؛ اما آنچه ممکن است در کنار جذابیت های این هوشمندی نادیده گرفته شود مزایای اقتصادی و صرفه جویی های کلانی است که تولید و استفاده از نانوپوشش های هوشمند به دنبال خواهد داشت؛ بنابراین سوق دادن تحقیقات در زمینه پوشش های نوین در این جهت و به دنبال آن تجاری سازی این فناوری می تواند به عنوان افقی روشن و دستاوردی عظیم در عرصه تحقیقات نانوپوشش ها در کشورمان مورد توجه قرار گیرد.
۳- این عکس به وسیله «جسیکا شیفمن» و «کارولین شوئر» از دانشگاه درکسل گرفته شده است. اسکوئیدهای موسوم به Loligo pealei، دارای ۸ بازو و دو بازوچه هستند. بازوهای این جانداران از قسمت‌هایی شبیه به فنجان پوشیده شده است، به کمک این قسمت‌ها که دارای عملکرد مکشی هستند و دندانه‌های کیتینی دارند، اسکوئید به طعمه خود می‌چسبد. هر کدام از این اعضای مکشی، تنها ۴۰۰ میکرومتر اندازه دارند ولی از طریق همین قسمت‌های کوچک است که اسکوئید نیم‌متری به غذای خود می‌چسبند و می‌توانند تغذیه کنند. این عکس با میکروسکوپ الکترونی گرفته شده و رنگ‌آمیزی شده است:
