بارثلات و نین هویس با بررسی ۳۰۰ نوع برگ گیاهی به این نتیجه رسیدند که سطوح خودتمیز شونده موم و میکرو و نانوساختار آبگریز (هیدروفوب) اساس چنین عملکردی می باشد. این رفتار خودتمیز شوندگی که فوق آبگریزی نامیده می شود در بسیاری از کاربردهای جدید مثل رنگ های ضدلک و شیروانی ها و همچنین پوشش پارچه ها و سطوح دیگر که باید خشک بماند و غبارزدایی کند، قابل استفاده است. دانشمندان از این اثر برای کاربردهای تراشه های کوچک آزمایشگاهی استفاده کرده اند. در این ابزارها، مواد آبدوست و آبگریز می توانند برای کنترل مایعات درون اجزای مجاری میکرومتری استفاده شوند. هر چند خواص خودتمیز شوندگی مختص برگ های لوتوس تعریف شده، ولی در سایر موجودات هم این اثر مشاهده می شود [۲].
این ساختارها بر خلاف پنبه و سلو که ذات آبدوستی دارند، آب را دفع می کنند. نمونه های از این رخداد در طبیعت به وفور یافت می شود. مطالعات نظری نشان می دهد که نقطه عطف در فاصله بین دو میکروساختار که منجر به فوق آبگریزی می شود، ۱۰۰ نانومتر است؛ در دانشگاه بن آلمان با این الگو یک پوشش بیرونی با سطح ضد آب ساخته شده است [۳].
ایجاد یک سطح فوق آبگریز بر روی یک شی با استفاده از اثر نیلوفر آبی کار آسانی نیست. خصوصیت یک مادهی آبگریز ذاتاً دافعه است؛ اما باید این سطح را که دافعِ همه چیز است را به روشی مناسب روی سطح چسباند و به آن متصل کرد. در اوایل دههی ۹۰ میلادی، بارتلات قاشق عسلی را ابداع کرد که یک سطح اکسید سیلیی زبری با برامدگیهای میکروسکوپی داشت و به عسل اجازه میداد تا بدون اینکه چیزی در قاشق بماند، از آن جدا شود. این محصول بالاخره شرکتهای شیمیایی بزرگ را متقاعد کرد که این راهکار روش ارزشمندی به شمار میرود. تاکنون مهمترین کاربرد این محصول، رنگ نمای خارجی ساختمانها می باشد که شرکت چندملیتی آلمانی استو ایجی در سال ۱۹۹۹ آن را معرفی کرد [۳].
وقتی که از واژهی خودتمیزشونده استفاده میشود، بیشتر مردم به یاد لباسهای خودتمیزشونده میافتند، چون اگرچه غالباً فضای بیرون منازل خود را تمیز نمیکنیم؛ اما شستشوی لباسها همواره بر عهدهی ماست. امروزه خودتمیز شوندگی در لباس ها هم ایجاد شده است. نانوتکس اولین کاربرد فناوری نانو است که در لباس های پنبه ای دافع لکه ظهور کرد. نانوتکس تکمیلی نانومتری دارد که دیوید سو آن در آمریکا ساخته است. کرکهای روی پوست هلو را زیر شیر آب بگیرید تا اثر به کاررفته نانوتکس را ببینید. ویسکر یا کرک های این لباس های پنبه ای، موهای بسیار کوچکی است که به طور پایدار به نخ های پنبه متصل شدهاند و اثر دافع را بر جای می گذارند. این موها آن قدر کوچکند (کوچکتر از یک هزارم ارتفاع برامدگیهای نیلوفر آبی) که روی نخ های پنبه، گویی به تنههای بزرگ درخت متصل شده اند. روش به این صورت بود که سازنده ی این لباس با یک فرایند ساخت پایین به بالا اتم های کربن را به یک رشته نانومتری استوانه ای با ابعاد ۱۰ نانومتر تبدیل کرد. قبل از عملیات دوخت، لباس پنبه ای را درظرفی از آب قرار داد و میلیاردها رشته از این نانوساختارها را آب کشید، سپس به ظرف حرارت داد تا آب تبخیر شود و بین پنبه و نانورشته ها اتصال شیمیایی ایجاد و سطح هر لیف پنبه کاملاً پوشانده شود. الکترون های لایه آخر اتم های کربن که نانورشته ها از آن ها ساخته شده اند، پیوندهای کوالانسی غیرقطبی تشکیل داده اند و در نتیجه به مولکول های قطبی آب تمایلی نشان نمی دهند و اتصال نمی یابند. بنابراین اتصال پایدار این نانورشته های کربنی آبگریز به الیاف پنبه، خواص آن را از آبدوست به آبگریز تغییر می دهد. به این شکل پارچه هایی تولید می شود که آب را به خوبی دفع می کند. نانورشته ها (۱۰ تا ۱۰۰ نانومتر) در شکل ۵ به کمک قلاب هایی به نخ هایی با قطر ۱۰ تا ۵۰ هزار نانومتر اتصال دارند و ظاهر پارچه را تغییر نمی دهند [۶].
محققان فناوری نانو در کنار پدیده های متاثر از آبگریزی نیز از خصوصیت فوق آبگریزی هم بهره می برند. این خاصیت باعث تسریع در تشکیل قطرات آب شده و نوع دیگری از اثر خودتمیز شوندگی که شیشه های ضد مه بود را ایجاد کرده است [۳].
۲-قابلیت فوق تر شوندگی
کشف اثر نیلوفر آبی، در ابتدا تلاشی بود که برای فهم توان خودتمیزشوندگی سطوح مومسان با ساختارهای میکروسکوپی و نانویی انجام گرفت. اما هم اکنون با تحقیق در این موضوع، علمی کاملاً جدید در زمینهیترشوندگی، خودتمیزشوندگی و گنایی ایجاد شده است. محققان دریافته اند که راههای بسیاری برای ساخت سطوح مطلوب فوق آبگریز و آبدوست (Superhydrophilic) وجود دارد. خاصیت فوق آبدوستی به این معنا نیست که آب به سرعت جذب سطح شود؛ معنای فنی این اصطلاح، کاهش زاویه تماس قطره آب با سطح می باشد. عامل اصلی در ظهور پدیدهی فوق آبدوستی، ماده ی معدنی دیاکسید تیتانیومِ یا تیتانیاست. روند مطرح شدن تیتانیا از بیش از چهار دهه قبل و با این خصوصیت آغاز شد که این ماده چیزی برای تر شدن ندارد و تحت تابش پرتوی فرابفش، میتواند آب را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه کند. تجزیهی آب به کمک نور، یک هدف تحقیقاتی بزرگ محسوب میشود [۳].
مطالعات مذکور نشان داد که لایههای نازک تیتانیا (با ضخامتی در محدودهی چند نانومتر تا چند میکرون) کارآمدتر از ذرات بزرگتر هستند. بهرغم تضاد این پدیده با اثر دافعهی آب در برگ نیلوفر آبی، ابرآبدوستیِ تیتانیا نیز دارای مزایایی برای خودتمیزشوندگی بودهاست؛ به این شکل که آب تمایل دارد تا بر روی کل سطح پخش شود و پس از آن لایهای تشکیل میشود که میتواند از طریق جاری شدن آب، آلودگی را حذف کند. این سطح مانع از مه گرفتگی نیز میگردد، زیرا آب متراکم به جای تبدیل شدن به هزاران قطرهی بسیار کوچک (که ایجادکنندهی مه هستند)، بر روی سطح پخش میشود. رفتار فوتوکاتالیستی تیتانیا با تجزیهی مواد آلی، کشتن باکتریها، ویژگی گنایی و ضد عفونیکنندگی را نیز به قابلیت خودتمیزشوندگی مواد پوششدار مذکور میافزاید [۳].
مواد ملهم از نیلوفر آبی و لایههای نازک تیتانیا را میتوان بهعنوان دو قطب متضاد تلقی کرد که ندرتاً در دنیای روزمرهی ما یافت میشوند. اما سوسک صحرای نامیب این دو اثر را توام با هم استفاده می کند. این کار برای تامین مقدار کم آب مورد نیاز برای زنده ماندن انجام می شود [۳].
صحرای نامیب بینهایت خشن و نامهربان است؛ زیرا دمای طول روز در این صحرا میتواند به ۵۰ درجهی سانتیگراد برسد و بارش باران در آنجا بسیار کم است و میتوان گفت تقریباً تنها منبع رطوبت، مههای غلیظ صبحگاهی هستند که آن ها نیز معمولاً با یک نسیم بسیار مرطوب میوزند [۳].
اما جالب است که در سال ۲۰۰۱ یک جانورشناس به نام پارکر” به طور اتفاقی عکسی از این سوسکها را دید که مشغول خوردن یک ملخ در صحرای نامیب بودند. این ملخ که با بادهای شدید آن منطقه به آنجا برده شده بود، به محض برخورد با شنها در اثر حرارت زیاد تلف شده بود. با این حال، سوسک ها با دمای بالای شن مشکلی نداشتند. پارکر حدس زد که این سوسکها باید دارای سطوح پیچیدهای برای بازتابش حرارت باشند و در بررسی ها بعدی تلاش او به نتایج جانبی و کشف این رفتار شد [۳].
با اینکه حدس پارکر درست بود و سوسکهای نامیب حرارت را باز میتاباندند؛ اما هنگامی که پارکر پشت آن ها را مورد بررسی و آزمایش قرار داد، فکر کرد این همان اثر نیلوفر آبی در فرایند جمعآوری آب صبحگاهی است. قسمت اعظم پشت این ه، یک سطح ناهموار و غیریکنواخت، مومسان و فوق آبگریز است؛ این در حالی است که نوک برآمدگیها، مومسان نبوده و آبدوست است. این نقاط آبدوست، آب را از میان مه جذب کرده، قطرات کوچکی را ایجاد میکنند. قطرات مذکور سریعاً بزرگتر شده، به حدی میرسند که نیروی جاذبه و ناحیهی ابرآبگریزِ اطرافِ قطره، آن ها را از جای خود حرکت میدهند. پارکر دریافت که چنین ساختاری نسبت به یک سطح هموار و یکنواخت (صرف نظر از آبگریزی و یا آبدوستی آن) تا دو برابر کارآمدتر است. محققان در سال ۲۰۰۶ توانستند نقاط فوق آبدوست سیلیسی را بر روی لایههای چندگانهی فوق آبگریز بنشانند و این موضوع نیز به یکی از حوزه های تقلید از طبیعت تبدیل شد [۳].
منابـــع و مراجــــع
۱٫ K. R. Sharma, Nanostructuring Operations in Nanoscale Science and Engineering, Mc-Grow hill, 2010, pg8.
۲٫L. Jiang, L. Feng, Bioinspired Intelligent Nanostructured Interfacial Materials, 2010.pp 57-67.
۳٫ ابوالقاسم مصیبی، مواد خودتمیزشونده، ماهنامه فناوری نانو، سال هشتم، اردیبهشت ۱۳۸۸، شماره ۲، پیاپی ۱۳۹٫
۴٫ J. m. Benyus, Innovation inspired by nature Biomimicry, J. ECOS, No 129, 2006.
۵٫D. Soan, Novel Applications of Nano-Technology, Nano-Whiskers, ۲۰۰۴٫
۶٫R. Booker, Nanotechnology for Dummies, Wiley, 2006, pg284.
۷٫ NatureTech Technology, video, part 1&2&3
۸٫H. Yahya, Biomimetics, technology imitates Nature, Global Publishing, 1999.
۹٫ Andrew R. Parker and Chris R. Lawrence, Nature 414, 33-34, 2001.
۱۰٫Irie et al Phys. Chem. Chem. Phys., 2008.
۱۱٫A. George, Advances in Biomimetics, Intech, 2011. Pg147.
فیلیپ وارن اندرسون - «اعجوبهای در فیزیک معاصر»
آب ,های ,سطح ,ها ,یک ,روی ,می شود ,است که ,روی سطح ,نیلوفر آبی ,یک سطح
درباره این سایت