نانو آجر نما

محلول ضدآب کننده نانو آجر چگونه عمل می کند؟

آب گریزی و آب دوستی در پدیده های طبیعی 

سیستم های طبیعی و پدیده های رفتاری با آب؛ اهمیت بالایی دارند. ساختارهایی مثل سلولز در پنبه به دلیل گروه های فعال OH علاقه زیادی به جذب آب دارند. همچنین ساختارهایی نیز وجود دارند که آبگریز هستند. تر شدگی سطوح جامد با مایعات یک پدیده معمول بین سطحی است. در یک سطح جامد، هر چه انرژی آزاد سطحی یا همان کشش سطحی بالاتر باشد تر شدگی ساده تر است. در بیشتر پدیده های درون مولکولی بین پروتئین ها یک اثر آبگریزی وجود دارد. چسبیدن مولکول ها به پروتئین نیز به همین ترتیب توجیه می شود. از 20 آمینواسیدی که مولکول های پروتئینی پلی پپتیدی را تشکیل می دهند، 9 آمینواسید آن آبگریز هستند. غشاهای سلولی از لیپیدهایی تشکیل شده اند که دو قطبی های آبگریز دارند[1]. 

میلیون ها سال قبل از اینکه محققان از مواد جدید بهره ببرند، سیستم های زنده از ساختارهایی نانومتری برای ایجاد قابلیت های ویژه استفاده کرده اند. امروزه دانشمندان در تلاش اند تا از سیستم های زنده در خیلی از فناوری ها استفاده کنند. مواد هوشمندی چون سطوح فوق آبگریز یا Superhydrophobic با الهام از ساختارهای طبیعی از جمله برگ نیلوفر آبی ساخته شده است. این گیاه در آب گل‌‌آلود می‌‌روید؛ و برگ‌‌های آن، پس از بیرون‌ ‌آمدن چند متر بالاتر از سطح آب قرار می‌گیرد. برگ نیلوفر آبی نمادی از خلوص و پاکی می باشد، به علت آن که خواص خودتمیز شونده دارد. قطرات شبنم از سطح برگ آب می غلتد و غبارها را با خود می برد. با این حال تمیزی دائمی این برگ ها به علت حفراتی با ابعاد میکرو و نانومتری در سطح آن می باشد و چسبندگی را به کمترین میزان می رساند که به برگ قابلیت غبارروبی با قطرات آب را می دهد[2]. 

ایده طبیعی خودتمیزی در لوتوس می تواند جایگزین مناسبی برای پاک کننده های سمی و کاهش عوارض زیست محیطی باشد. علت تمیزی سطح گل ها و برگ ها سوال جالبی است که تا کاربردی شدن میکروسکوپ های الکترونی روبشی به بازار که ابعاد ریز نانومتری را آشکار می سازند بی پاسخ ماند. در دهه‌ی هفتاد میکروسکوپ الکترونی روبشی به‌ صورت تجاری از سال 1965 ارائه شده بود که قابلیت‌‌های آن کمک کرد تا تصاویر واضحی از محدودۀ زیر 100 نانومتر به دست آید[2]. 

بارثلات و نین هویس با بررسی 300 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[2].

شکل1:ساختار میکرو و نانومتری برگ ­ها ی لوتوس، تارو و واترلیلی

برگ لوتوس دو سطح ناصاف ، در مقیاس میکرومتر و نانومتری را مورد استفاده قرار داده است. اما از ترکیبی مومسان هم استفاده می کند. این ترکیب مومسان از زنجیره بلندی از هیدروکربن ها و مواد آبگریز تشکیل شده است. هوای محبوس شده در سطح ناصاف باعث می شود که آب، قطره ای با زاویه تماس بالا روی سطح ایجاد کند و لبه ای در حدود 150 درجه دارد و در ادامه با غلتیدن قطره روی سطح کمی شیبدار ، قطره غبار را از روی برگ برمی دارد[2,3]. 
این ساختارها بر خلاف پنبه و سلولز 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، 100 نانومتر است؛ در دانشگاه بن آلمان با این الگو یک پوشش بیرونی با سطح ضد آب ساخته شده است[3]. 

شکل2: ساختار برگ لوتوس (زبانه های میکرومتری و پرزهای نانومتری)

برای اطمینان از این عملکردها آزمایش هایی ترتیب داده شد، آبگریزی در سطوح مختلف مورد ارزیابی قرار گرفت و اطمینان حاصل شد که محبوس شدن حباب های هوا در این ریز ساختارها علت اصلی این پدیده بوده است. نمونه های دیگری نیز در طبیعت وجود دارد که همین ویژگی دفع آب را از خود نشان می دهد. آب دزدک ها و چشم پشه ها ساختاری دارند که باعث فوق آبگریزی آن ها شده است. پر اردک و پروانه نیز از این ویژگی برخوردار است[4]. 

شکل3: زاویه تماس آب در سه ساختار متفاوت و مقایسه با سطح صاف

پدیده ی خودتمیزشوندگی به‌وسیله‌ی برآمدگی‌‌های میکروسکوپی و نانومتری است که از جمله جلوه های جمع تضادها در خلقت است. در ذهن ما این منطقی است که برای تمیز بودن یک سطح که سریع چرک می شود، آن سطح باید کاملاً صاف باشد تا غبار لای آن نرود و به آن نچسبد، اما بررسی‌‌های عمیق‌‌ بر روی این برگ ها نشان می دهد که این مطلب کاملاً درست نیست و باید ناهمواری هایی روی سطح ایجاد شود[4]. 
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 90 میلادی، بارتلات قاشق عسلی را ابداع کرد که یک سطح اکسید سیلیکونی 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 1999 آن را معرفی کرد[3]. 
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 ابعاد10 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 (10 تا 100 نانومتر) در شکل 5 به کمک قلاب هایی به نخ هایی با قطر 10 تا 50 هزار نانومتر اتصال دارند و ظاهر پارچه را تغییر نمی دهند[6].

شکل4: شکل ساختار مولکولی پنبه (سلولز) و زنجیره های شش ضلعی - نانورشته های کربنی متصل به رشته پنبه آنقدر الیاف پنبه در مقابل آنها شبیه تنه‌‌های بزرگ درخت هستند.

شکل5: در این شکل سطح پوشیده الیاف با پرزهای نانومتری و دوام آن در دفعات شستشو مشاهده می شود.

بعد از نانوتکس، یک شرکت سوئیسی فناوری خود را با نام "نانواسفر" عرضه کرد. این سیستم دارای نانوذراتی از جنس سیلیس یا پلیمر است که بر روی الیاف قرار گرفته و باعث ایجاد نوعی زبری و ناهمواری (همانند آنچه در برگ نیلوفر آبی وجود دارد) روی سطح می‌شود[3].
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[3]. 

2-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 گندزدایی 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[3]. 
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 گندزدایی و ضد عفونی‌‌کنندگی را نیز به قابلیت‌‌ خودتمیزشوندگی مواد پوشش‌‌دار مذکور می‌‌افزاید[3].
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[3]. 
صحرای نامیب بی‌‌نهایت خشن و نامهربان است؛ زیرا دمای طول روز در این صحرا می‌‌تواند به 50 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[3].

شکل6: جمع شدن آب پشت سوسک با سطحی که فوق آبگریز و واکس دار است و در نوک نانوبرجستگی ها آبدوست است و واکس ندارد. 

شکل7: آب جمع شده در بدن سوسک متاثر از ساختارهای نانومتری

این سوسک که نام علمی آن" Stenocara sp"است. راهی برای جمع‌‌آوری آب از چنین مه‌‌هایی ابداع کرده‌‌است؛ سوسک به شکلی که سرش رو به پایین و پشتش رو به بالا باشد 45 درجه می نشیند و خود را در مقابل باد مه‌‌آلود قرار می‌‌دهد. آب پشت این سوسک انباشته شده، سپس از بدنش سرازیر می شود. اساس علمی‌ رفتار این سوسک، منجر به پیدایش ایده‌‌هایی برای فناوری جمع‌‌آوری آب در مناطق خشک شده‌‌است[2].
اما جالب است که در سال 2001 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[3]. 
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 حشره، 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 2006 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[3].

منابـــــع :

• 1. K. R. Sharma, Nanostructuring Operations in Nanoscale Science and Engineering, Mc-Grow hill, 2010, pg188.
• 2.L. Jiang, L. Feng, Bioinspired Intelligent Nanostructured Interfacial Materials, 2010.pp 57-67.
• 3. ابوالقاسم مصیبی، مواد خودتمیزشونده، ماهنامه فناوری نانو، سال هشتم، اردیبهشت 1388، شماره 2، پیاپی 139.
• 4. J. m. Benyus, Innovation inspired by nature Biomimicry, J. ECOS, No 129, 2006.
• 5.D. Soan, Novel Applications of Nano-Technology, Nano-Whiskers™, 2004.
• 6.R. Booker, Nanotechnology for Dummies, Wiley, 2006, pg284.
• 7. NatureTech Technology, video, part 1&2&3
• 8.H. Yahya, Biomimetics, technology imitates Nature, Global Publishing, 1999.
• 9. Andrew R. Parker and Chris R. Lawrence, Nature 414, 33-34, 2001.
• 10.Irie et al Phys. Chem. Chem. Phys., 2008.
• 11.A. George, Advances in Biomimetics, Intech, 2011. Pg147.