برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۴/۰۲ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۸

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۶,۲۵۸
  • بازدید این ماه ۹
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۷۳
  • قبول شدگان ۵۵
  • شرکت کنندگان یکتا ۳۶
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۲
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

مقالات منتخب ماهنامه نانو

نویسندگان
امتیاز کاربران

مواد خودتمیزشونده

• برآمدگی‌های میکروسکوپی بر روی برگ یک نیلوفر آبی، سطح مومسان آن را به سطحی ابرآب‌گریز تبدیل می‌کند که به شدت دافع آب است. قطرات باران به آسانی در سراسر چنین سطحی غلتیده، هرگونه آلودگی را حذف می‌کند.
• محققان مواد مصنوعی خود تمیزشونده‌ای را تولید کرده‌اند که برخی از آن‌ها مبتنی بر «اثر نیلوفر آبی» هستند. این در حالی است که دیگران، از خصوصیت متقابل یعنی ابرآب‌دوستی و واکنش‌های شیمیایی کاتالیستی بهره می‌گیرند.
• محصولات آینده ممکن است دو ویژگی آب‌دوستی وآب‌گریزی را با یکدیگر ترکیب کنند و یا از موادی با قابلیت کلیدزنی استفاده کنند و به این شکل جریان مایعات را در اجزای میکروسیالی کنترل کنند.
مقدمه:
ویلیام بارتلات (کاشف و توسعه دهندة اثر نیلوفر آبی) از دانشگاه بُن آلمان، چشم اندازی از یک شهر منهتن خودتمیزشونده را مطرح نموده است که در آن یک باران کوچک، پنجره‌ها و دیوارهای آسمان خراش‌ها را همانند یک نیلوفر آبی کاملاً تمیز می‌کند. در جایی دیگر، وی چادرها و سایبان‌هایی را معرفی می‌کند که با استفاده از بافت‌های جدید و بدون مداخله‌ی انسان، تمیز و بدون لک باقی می‌مانند. البته او تنها شخصی نیست که چنین چشم انداز‌هایی را مبتنی بر به کارگیری اشیای خودتمیزشونده (که به ندرت نیاز به شستشو دارند) در آینده مطرح می‌کند؛ در ژاپن فناوری‌هایی برای توسعة سطوح خودگندزدا و ضدعفونی‌کننده برای حمام‌ها و بیمارستان‌ها وجود دارد. میخاییل رابنر و رابرت کوهن از مؤسسه‌ی فناوری ماساچوست، فناوری‌های مشابهی را در ذهن خود مجسم می‌کنند که آینه‌های حمام‌ها را تمیز و بدون بخار نگه داشته، می‌توانند آزمایشگاه‌های روی یک تراشة میکروسیالی را کنترل کنند. در چنین سیستم‌هایی سیالات از خلال معبرهای میکروسکوپی عبور می‌کنند. هم اکنون ما پیراهن ها، بلوزها، دامن‌ها و شلوارهایی را در اختیار داریم که سس گوجه فرنگی، خردل و قهوه را از خود دور می‌کنند. یک انقلاب در زمینة سطوح خودتمیزشونده در راه است.
داستان مواد خودتمیزشونده با الهام گیری از نیلوفر آبی مقدس یا Nelumbo nucifera در طبیعت آغاز شده است؛ این نوع دائمی آبزی جذاب پرتلألؤ در مذاهب و فرهنگ‌های هند، میانمار، چین و ژاپن جایگاه ویژه‌ای دارد. نیلوفر آبی به دلیل تمیزی و پاکی استثنایی خود مورد احترام است. این گیاه در آب گل‌آلود می‌روید؛ اما برگ‌های آن، پس از بیرون آمدن چند متر بالاتر از سطح آب قرار می‌گیرد که این امر از کثیفی آن جلوگیری می‌کند. قطرات آبی که بر روی یک برگ نیلوفر آبی قرار می‌گیرند، تلألؤ عجیبی دارند و آب باران آلودگی‌ها را به سادگی و راحت‌تر از هر گیاه دیگری از آن‌ها می‌زداید.
ویژگی تمیز شوندگی استثنایی این گیاه، توجه بارتلات را به خود جلب کرده است. در دهه‌ی هفتاد قابلیت‌های میکروسکوپ الکترونی روبشی، وی را مجذوب ساخت. این میکروسکوپ به صورت تجاری در سال 1965 عرضه گردید و عکس‌های واضحی را از محدودة پایین‌تر از نانومتر ارائه داد. در چنین درجه‌ای از بزرگ‌نمایی، یک لکه از آلودگی‌ها می‌تواند تصویر را خراب کند، لذا تمیز بودن نمونه‌ها ضروری است؛ اما بارتلات متوجه شد که برخی از گیاهان ظاهراً هرگز نیاز به شستشو ندارند که سر دستة آن‌ها نیلوفر آبی است.
به عقیده‌ی بارتلات این اثر از ترکیب دو خصوصیت در سطح برگ این گیاه (مومسانی این برگ و برامدگی‌های میکروسکوپی که سطح آن را پوشانده‌اند و اندازة آن‌ها چند میکرون است) ایجاد می‌شود. وی از فیزیک پایه دریافت که تنها ویژگی مومسانی این برگ‌ها باعث آب‌گریزبودن آن‌ها می‌گردد. در چنین ماده‌ای قطرات آب به شکلی قرار می‌گیرند که کم‌ترین سطح تماس را با سطح ماده داشته باشند. آب بر روی یک مادة آب‌دوست‌تر بر روی سطح ماده پخش می‌شود تا سطح تماس، بیشینه شود. برای یک سطح آب‌دوست، زاویه‌ی تماس (زاویه‌ای که از برخورد سطح قطره با ماده ایجاد می‌شود) کوچک‌تر از 30 درجه است؛ در حالی که زاویه‌ی تماس یک سطح آب‌گریز، بزرگ‌تر از 90 درجه است.
علاوه بر این وی کشف کرد که برامدگی‌های بی شماری این مسئله را تشدید کرده، موجب می‌شوند که سطح این نیلوفر اَبَر آب‌گریز باشد (یعنی زاویه‌ی تماس بیش از 150 درجه باشد). قطرات آب بر روی چنین سطحی به صورت قطرات کوچک تقریبا کروی درمی آیند که سطح تماس بسیار کوچکی دارد و به سهولت یک بلبرینگ، بر روی سطح می‌غلتند. آب همانند شخصی که بر روی بستری از میخ دراز کشیده باشد، بر روی نوک برآمدگی‌ها می‌نشیند. هوای گیر افتاده بین آب و سطح برگ در فضاهای اطراف برآمدگی‌ها، زاویه‌ی تماسی را افزایش می‌دهد. این اثر به وسیله‌ی معادلة کاسی - باکستر (‌ای‌بی‌دی کاسی و اس باکستر در دهه‌ی چهل برای نخستین بار این معادله را ابداع کردند) - توجیه می‌شود.
بارتلات مشاهده کرد که آلودگی و چرک به شکل مشابهی و تنها به وسیله‌ی نوک برآمدگی‌های برگ گیاه مذکور در تماس است. قطرات باران به آسانی چرک را ترک کرده، آن را از برگ به پایین می‌غلتانند. کشف ارتقای تمیز شوندگی به وسیله‌ی برآمدگی‌های میکروسکوپی، به شکل شگفت آوری پرتناقض است. او می‌گوید: «من دیده بودم که در برامدگی‌ها و فرورفتگی‌های پیشبند مادرم، آلودگی و چرک جمع می‌شود و برای تمیز نگه داشتن اشیا باید این برامدگی‌های جذب‌کننده‌ی آلودگی را هموار کرد؛ اما بررسی‌های عمیق بر روی این نوع نیلوفر نشان داد که این مطلب کاملا درست نیست.»
ایجاد یک سطح ابر آب‌گریز بر روی یک شیء با استفاده از اثر نیلوفرآبی آسان نیست. خصوصیت یک ماده‌ی آب‌گریز ذاتا دافعه است؛ اما باید این سطح را که دافع همه چیز است، بر روی این شیء چسباند و به آن متصل کرد. با این حال، در اوایل دهه‌ی نود، بارتلات «قاشق عسل» را ابداع نموده بود. این قاشق دارای یک سطح سیلیکونی زبر (دارای برآمدگی‌های میکروسکوپی) بود و به عسل اجازه می‌داد تا بدون اینکه چیزی در قاشق بماند، از آن جدا شود. سرانجام این محصول برخی از شرکت‌های شیمیایی بزرگ را متقاعد کرد که این راهکار، ارزشمند به شمار می‌رود و توان تحقیقاتی آن‌ها به زودی راه‌های بیشتری را برای به کارگیری این اثر خواهد یافت. تاکنون مهمترین کاربرد این محصول، رنگ‌نمای خارجی StoLotusan برای ساختمان‌هاست که شرکت چند ملیتی آلمانی استو‌ ای‌جی در سال 1999 آن را معرفی کرد و یک موفقیت بزرگ بود. «اثر نیلوفر آبی» هم اکنون در آلمان در عرصه‌ی ابزارهای خانگی شناخته شده است. در اکتبر سال گذشته، نشریه‌ی Wirtschaftswoche آن را به عنوان یکی از 50 اختراع برتر سال‌های اخیر در این کشور معرفی کرد.

الهام از طبیعت

اثر نیلوفر آبی
filereader.php?p1=main_0599f78d4a87546af

ویژگی قابل توجه برگ نیلوفر آبی برای تمیز ماندن، الگویی برای توسعه‌ی مواد خود تمیزشونده به شمار می‌رفته است.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1. آب بدون بچسبد درسراسر برگ غلتیده، آلودگی را حذف می‌کند.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2. برآمدگی‌های میکروسکوپی (با اندازه‌ی تنها چند میکرون) که سراسر سطح برگ را پوشانده‌اند، کلید پیدایش ویژگی دفع آب این گیاه به شمار می‌روند. وجود یک پوشش ناهموار از بلورهای مو مشکل نانویی بر روی این برآمدگی ها، این اثر را تقویت می‌کند.

فیزیک نیلوفر آبی
اثر خود تمیز شوندگی نیلوفر آبی از آب‌گریزی شدید سطح این گیاه نشأت می‌گیرد. آب‌گریز بودن و یا آب دوست بودن یک ماده به وسیله‌ی زاویة تماس بین مادة مذکور و سطح آب تعیین می‌گردد.

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3. بر روی یک سطح نمونه (سطحی که شدیداً آب دوست و یا آب‌گریز نباشد)، یک قطره از آب، در سرتاسر سطح غلتیده و بیشتر ذرات چرکی که به سطح چسبیده‌اند را بر جای خود باقی می‌گذارد.

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4. بر روی یک سطح ابرآب‌گریز، یک قطره در سرتاسر سطح غلتیده و در این حین، آلودگی را به همراه خود حمل کرده و از سطح دور می‌کند. در چنین سیستمی، چسبندگی بین آب و آلودگی قوی‌تر از چسبندگی این مواد با سطح است.

filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل 5. زاویة بزرگ‌تر به دلیل وجود برآمدگی‌هایی که هوا را در بین آب و سطح، گیر می‌اندازند تشکیل می‌شود و میزان تماس با سطح را کمینه می‌کند.

درسی از نیلوفر
راهی برای تمیز ماندن
شرکت‌ها پارچه‌هایی ساخته‌اند که می‌توانند آب و لکه‌های غذا را به دلیل ابرآب‌گریز بودن، همانند یک برگ نیلوفرآبی، از خود دفع کنند (بالا). اصلاحاتی که بر روی فیبرهای کتانی مجزای این ماده انجام گرفته، اثر ذکرشده را تولید می‌کند. در یک طرح (پایین)، ذرات، برآمدگی‌هایی با اندازة چند صد نانومتر بر روی فیبرها به وجود می‌آورند. بسیاری از محصولات دیگر، همانند رنگ‌های خارجی و آجرکاشی‌های بام به منظور برخورداری از اثر نیلوفر آبی، دارای یک پرداخت زیر میکروسکوپی یا نانویی هستند.

filereader.php?p1=main_d0c47590af1784fee

filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
شکل 6. الیاف کتان فراوری شده و کتان معمولی

تیتانیای خودتمیزشونده
لایه‌های نازک تیتانیا، دارای خصوصیاتی بسیار متضاد باخصوصیات نیلوفرآبی، (یعنی ابرآب‌دوستی) هستند، اما با این حال این لایه‌ها نیز آلودگی را دفع کرده وضد میکروب نیز هستند.

filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5
شکل 7. آب بر روی یک مادة ابرآب‌دوست، صفحه‌ای بر روی کل سطح می‌سازد و به آسانی با شارش خود، چرک و آلودگی را از جای خود کنده و دور می‌کند. علاوه بر این ابرآب‌دوستی مانع از مه گرفتگی یک سطح می‌گردد زیرا آب بر روی چنین سطحی به جای اینکه به صورت تعداد بی شماری از قطرات بسیار کوچک (که به وجود آورندة مه هستند) درآید بر روی سطح، پخش می‌گردد.

filereader.php?p1=main_c9f0f895fb98ab915
شکل 8. پرتوهای نور فرابنفش (همانند آنچه درنور خورشید موجود است) الکترون‌ها و حفره‌ها (مکان‌های خالی شده از الکترون که دارای بار مثبت هستند) را در تیتانیا برانگیخته می‌کنند (1). این الکترون‌ها با مولکول‌های اکسیژن ادغام می‌شوند تا یون‌های منفی رادیکال سوپر اکسید را تشکیل دهند (2a). و حفره‌ها بایون‌های منفی هیدروکسید آب ادغام می‌شوند تا رادیکال‌های هیدروکسیل خنثی تشکیل دهند (2b). این گونه‌های بسیار واکنش پذیر، میکروب‌ها را کشته و مواد آلی موجود بر روی سطح را تجزیه می‌کنند (3). نور فرا بنفش همچنین ساختار لایة تیتانیا را تغییر داده و آن را ابرآب‌دوست می‌نماید(4). که این ویژگی امکان زدودن آلودگی به وسیله‌ی آب را ممکن می‌سازد (5).

حذف بیماری‌ها در رستوران‌ها
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. پس از شروع آزمایشی، هم اکنون منسوجات خودتمیزشونده در همه جا ظاهر شده‌اند. این حضور با عرضه‌ی محصول Nano-Care آغاز شد.
Nano-Care رنگ و پرداختی است که بر روی منسوجاتی اعمال می‌گردد که هم اکنون به وسیله‌ی سرمایه‌گذار و کارفرمایی به نام دیوید سوآن در شرکت وی به نام نانوتکس ساخته می‌شود. کرک‌های روی پوست هلو را زیر شیر آب بگیرید تا اثر به کاررفته در Nano-Care را ببینید. «کرک های» Nano-Care از موهای بسیار کوچکی ساخته و به ریسمان‌های کتانی متصل شده‌اند. این موها آن قدر کوچکند (کوچکتر از یک هزارم ارتفاع برآمدگی‌های نیلوفر آبی) که ریسمان‌های کتانی در مقابل آن‌ها شبیه تنه‌های بزرگ درخت هستند.
رقیب نانوتکس، یک شرکت سوئیسی به نام چولر تکستیل ‌ای‌جی است که فناوری خود را با نام نانوکره عرضه کرده است. این سیستم دارای نانو ذراتی از جنس سیلیس یا یک پلیمر است که بر روی الیاف لباس قرار گرفته، باعث ایجاد نوعی زبری و ناهمواری )همانند آنچه در برگ نیلوفر آبی وجود دارد( روی سطح می‌شود.
از آنجا که ادعا‌های آزمایش نشده فراوانی برای حمایت از محصولات فناوری نانو ارائه شده‌اند، مؤسسات استاندارد در پی آنند تا آزمایش‌های دقیقی را برای لباس‌های خودتمیزشونده (که بر پایه‌ی این نوآوری‌ها تولید می‌شوند) تدارک ببینند. در اکتبر 2005 مؤسسه‌ی تحقیقاتی آلمانی هوهنستین (عرضه کننده‌ی آزمایش‌ها و تأییدیه‌ها برای بازرگانی و صنعت در سراسر جهان) اعلام کرد که منسوجات نانوکُره‌ای، نخستین محصول این دسته از منسوجات هستند که مجموعه‌ی کاملی از آزمایش‌ها را گذرانده است. این آزمایش‌ها شامل تعیین میزان دافعه‌ی آب و ارزیابی قابلیت این بافت برای حفظ کارایی خود پس از چرخه‌های شستشوی روزمره و سایر فرسودگی‌های معمولی است. در یکی از آزمایش‌ها، نمونه‌های نانوکُره‌ای نشان دادند که قابلیت بالایی برای دفع سس‌های گوجه فرنگی چرب، قهوه و نوشیدنی (برخی از بد‌ترین لکه‌های معمولی) دارند.
لباس‌های آسان پاک‌شونده به شکل گسترده‌ای در حال ورود به بخش‌های مختلف هستند؛ اما پیش‌بینی می‌شود که خریداران چادرها، سایبان‌ها و بادبان‌ها، بزرگ‌ترین بازار را (بر مبنای پول خرجشده) برای پرداخت‌ها و پوشش‌های اثر نیلوفر آبی ایجاد کنند. هیچ کس دوست ندارد که مجبور به پاک کردن این اجسام حجیم شود.

قابلیت اَبَر‌تر شدگی
کشف اثر نیلوفر آبی، در ابتدا تلاشی بود که برای فهم توان خود تمیز شوندگی یک نوع سطح (سطوح مومسان با ساختارهای میکروسکوپی و یا حتی نانویی) انجام گرفت. هم اکنون این تحقیق، گسترش یافته، به علمی کاملاً جدید در زمینه‌ی ترشدگی، خود تمیزشوندگی و گندزدایی تبدیل شده است. محققان دریافتند که ممکن است راه‌های بسیاری برای ساخت سطوح ابرآب‌گریز وجود داشته باشد و ممکن است ابرآب‌دوستی مورد نظر نیز مطلوب باشد. عامل اصلی در ظهور پدیده‌ی ابرآب‌دوستی، دی اکسید تیتانیوم معدنی یا تیتانیاست.
روند مطرح شدن تیتانیا از بیش از چهار دهه قبل و با این خصوصیت آغاز شد که این ماده چیزی برای ترشدن نداشت. در سال 1967، آکیرا فوجی شیما (دانشجوی تحصیلات تکمیلی در دانشگاه توکیو) کشف کرد که تحت تابش پرتوی فرابنفش، تیتانیا می‌تواند آب را به هیدروژن و اکسیژن تجزیه کند. تجزیه‌ی آب به کمک نور یا فوتولیز، برای مدت‌ها یک هدف تحقیقاتی بزرگ محسوب می‌شد؛ زیرا اجرای این فرایند به شکلی پربازده، می‌توانست تولید هیدروژن ارزان را ممکن ساخته، این گاز بدون کربن را جایگزین سوخت‌های فسیلی کند. فوجی شیما و دیگر محققان به شدت این ایده را دنبال نمودند؛ اما سرانجام دریافتند که دستیابی به یک بهره‌ی تجاری، چشم اندازی بسیار دور است.
مطالعات مذکور نشان داد که لایه‌های نازک تیتانیا (با ضخامتی در محدوده‌ی چند نانومتر تا چند میکرون) کار آمدتر از ذرات بزرگ‌تر هستند. در سال 1990، پس از اینکه فوجی شیما همراه با کازوهیتو هاشیموتو (از دانشگاه توکیو و توشیا) و اتانیب (از یک شرکت سازنده‌ی تجهیزات بهداشتی به نام توتو) گروهی را تشکیل دادند، موفق به کشف این مسئله شدند که لایه‌های نازک نانو مقیاس تیتانیا (که با پرتو نور فرابفش فعال‌سازی می‌شوند) یک اثر فوتوکاتالیستی دارند و ترکیبات آلی (از جمله ترکیبات موجود در دیواره‌های سلولی باکتری) را به دی‌اکسیدکربن و آب تجزیه می‌کنند.
از آنجا که تیتانیا یک فوتوکاتالیست است، می‌توان آن را به عنوان نیمه‌رسانا بر شمرد؛ به عبارت دیگر مقدار متوسطی انرژی لازم است تا یک الکترون را از باند ظرفیت ترازهای انرژی پرشده (که تحت عنوان یک باندگپ شناخته می‌شود و از ترازهای انرژی ممنوعه تشکیل می‌شود) به «باند رسانایی» خالی مربوطه (که در آن، الکترون‌ها می‌توانند شارش یابند و جریان حمل کنند) بالا ببرد. در مورد تیتانیا، یک فوتون از پرتو نور فرابنفش با طول موجی در حدود 388 نانومتر می‌تواند این کار را انجام دهد؛ در این فرایند دو بار متحرک تولید می‌شود: الکترونی که با کسب انرژی به باند رسانایی وارد می‌شود و حفره‌ای که در باند ظرفیت (در مکان الکترون برانگیخته) ایجاد می‌شود و رفتاری بسیار مشابه با رفتار ذره‌ی بارداری را از خود نشان می‌دهد که دارای بار مثبت است. اگرچه این دو بار، آزاد هستند اما می‌توانند با آب و اکسیژن بر روی سطح تیتانیا واکنش داده، یونهای منفی رادیکال سوپراکسید (O-2) رادیکال‌های هیدروکسیل (OH) تولید کنند (این دو یون و رادیکال، گونه‌های شیمیایی بسیار واکنشی‌ای هستند که می‌توانند در ادامه، ترکیبات آلی را به دی‌اکسیدکربن و آب تبدیل کنند).
در اواسط دهه‌ی 1990، هم‌زمان با ساخت یک مخلوط معلق آبی از ذرات تیتانیا (که به وسیله‌ی فوجی شیما، کازوهیتو هاشیموتو و واتانیبل ساخته شد) این سه محقق ژاپنی لایه‌ی نازکی را از یک مخلوط معلق آبی از ذرات تیتانیا ساخته، آن را در دمای 500 درجه‌ی سانتی گراد بازپخت کردند، در این مسیر آن‌ها موفق به کشف بزرگ دیگری درباره‌ی تیتانیا شدند. این دانشمندان با قرار دادن پوشش شفاف ایجاد شده در معرض نور فرابنفش، مشاهده کردند که این پوشش به طرز شگفت‌آوری، در برابر آب و روغن، کامل‌تر می‌شود (زاویه‌ی تماس صفر درجه). نور فرابنفش برخی از اتم‌های اکسیژن را از سطح تیتانیا کنده و موجب ایجاد تکه‌های وصله شکل نانو مقیاسی بر روی سطح شده بود و جذب این گروه‌های هیدروکسیل در این تکه‌ها نیز موجب ظهور این ابرآب‌دوستی شده بود. نواحی موجود در بیرون این تکه‌ها، دلیل ظهور این جاذبه‌ی بسیار بالا با روغن بودند. این اثر تا چند روز پس از تابش اشعه‌ی فرابنفش باقی ماند؛ در حالی که تیتانیای مورد نظر به آرامی به حالت اصلی و اولیه‌ی خود (پیش از تابش اشعه) برگشت.
به رغم تضاد این پدیده با اثر دافعه‌ی آب در برگ نیلوفر آبی، ابرآب‌دوستی تیتانیا نیز دارای مزایایی برای خود تمیز شوندگی بوده است؛ 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 لایه 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 و کشتن باکتری‌ها، ویژگی گندزدایی و ضدعفونی کنندگی را نیز به قابلیت خود تمیز شوندگی مواد پوشش‌دار مذکور می‌افزاید.
هم اکنون صنعت پوشش دهی تیتانیا یک صنعت نوپا و در حال رشد است؛ مثلاً هم اکنون شرکت توتو دسته‌ای از محصولات خودتمیزشونده‌ی فوتوکاتالیستی را همانند سفال‌های (آجر کاشی‌های) سرامیکی تولید کرده و مجوز استفاده از این فناوری را به نقاط مختلف دنیا واگذار نموده است.
با توجه به شفافیت نانوپوشش تیتانیا، شیشه‌ی پنجره‌ی اصلاح شده، یکی از کاربرد‌های آشکار این مواد به شمار می‌رود. در سال 2001، شیشه‌ی اکتیو (Activ Glass) - که به وسیله‌ی پیلکینگتون (بزرگترین سازنده‌ی شیشه در انگلستان) ساخته شد - به اولین محصولی تبدیل شد که با بهره‌گیری از این فناوری به بازار عرضه می‌گشت. در حالت کلی، شیشه در دمای حدود 1600 درجه‌ی سانتی گراد بر روی بستری از قلع ذوب شده ساخته می‌شود. برای ساخت شیشه‌ی اکتیو، بخار تتراکلراید تیتانیوم از روی شیشه‌ی مذکور، طی مرحله‌ی سردشدن، عبور داده می‌شود. با این فرایند، یک لایه از تیتانیا - که ضخامتش کمتر از 20 نانومتر است - بر روی شیشه می‌نشیند. شیشه‌ی فعال سریعاً در حال تبدیل به شیشه‌ای مورد پسند در انگلستان برای استفاده در کاربرد‌هایی چون سقف مکان‌های هنری و تشریفاتی، همچنین آینه‌های بغل خودرو است.
متأسفانه شیشه‌ی پنجره‌ی معمولی، باعث مسدود شدن طول موج‌های فرابنفش (که موجب فعالیت فوتوکاتالیستی تیتانیا می‌شوند) می‌گردد؛ از این رو نانو لایه‌های تیتانیا در داخل منزل نسبت به محیط بیرون کاربرد کمتری خواهند داشت. راه حل این مشکل، غنی سازی تیتانیا با مواد دیگری چون سیلیکون و یا سایر نیمه‌رساناهایی است که برای غنی‌سازی در الکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرند. غنی‌سازی می‌تواند باعث کاهش باند گپ این ماده شود، این امر به معنی توانایی طول موج‌های بلندتر پرتوهای درون منزل برای فعال ساختن فوتوکاتالیست است. در سال 1985 شینری ساتو از دانشگاه هوکایدو در ژاپن، به شکل غیر منتظره‌ای کشف کرد که غنی‌سازی تیتانیا با نیتروژن دارای چه مزایایی است. همچنین می‌توان از نقره برای غنی‌سازی تیتانیا استفاده کرد. با این حال تنها در سال‌های اخیر، این راهکارها به صورت فرایند‌های تجاری در آمده است.
پیش بینی می‌شود که تیتانیای غنی شده به دلیل داشتن خصوصیات ضد میکروبی و گندزدایی، به شکل وسیعی در آشپزخانه‌ها و سرویس‌های بهداشتی مورد استفاده قرار گیرند، همچنین استفاده از آن در منسوجات خودتمیزشونده موجب می‌شود تا این منسوجات، بوها را حذف کنند. برای اتصال این ماده به پارچه‌ها روش‌های مختلفی ابداع شده که پیوندهای شیمیایی مستقیم یکی از آن‌هاست.

پوشش های ضد مه
محققانMIT پوشش‌های ابرآب‌دوست چند لایه‌ای راساخته‌اندکه ضد مه و ضد بازتابش هستند.

filereader.php?p1=main_45c48cce2e2d7fbde
شکل 9. لایه‌های متناوب پلیمر و نانوذرات سیلیس (که گروه‌های هیدروکسیل به سطح آن‌ها متصل شده‌اند) پوشش ابرآب‌دوستی را ایجاد می‌کنند که قابل استفاده بر روی شیشه و دیگر مواد است. این پوشش درمقیاس نانو ناهموار است؛ اما هیدروکسیل شدیداً آب‌دوست بوده، به حفرات نانویی موجود در لایه‌های چندگانه کمک می‌کند تا همانند یک اسفنج، آب را جذب و در همان لحظه، آن را از سطح دور کرده، بیاشامند.

filereader.php?p1=main_d3d9446802a442597
شکل 10. یک اسلاید شیشه‌ای دارای این پوشش چندلایه، اگر درابتدا درون یک یخچال سرد و پس ازآن در هوای گرم و مرطوب قرار داده شود، همچنان واضح و شفاف باقی می‌ماند (چپ) - تار شدن شیشه‌ی معمولی (راست)

سطوح قابل تغییر (قابل کلیدزنی)
دانشمندان امیدوارند، ازطریقِ کلید زنی ابرآب‌گریزی در مکان‌های دقیقی از یک سطح، بتوانند سیالاتی را کنترل کنند که از خلال شبکه‌های متشکل از کانال‌های میکروسکوپی (روی به اصطلاح تراشه‌های میکروسیالی) عبور می‌کنند.

filereader.php?p1=main_6512bd43d9caa6e02
شکل 11. محققانی از دانشگاه علم وفناوری پوهانگ در کره‌‌جنوبی یک مولکول مبتنی بر آزوبنزن را بر بالای لایه‌های چندگانه‌ی پلیمر - سیلیس متصل نمودند. یک گروه آب‌گریز در انتهای مولکول، هم‌راستا باِ ناهمواری لایه‌ها، سطح را ابرآب‌گریز می‌نماید (چپ). با تابش نورفرابنفش، مولکول مذکور خم و پس از ناپدید شدن گروه آب‌گریز، سطح، ابرآب دوست می‌گردد. نور مرئی بی درنگ شرایط را به حالت اولیه برمی گرداند.

filereader.php?p1=main_c20ad4d76fe97759a
شکل 12. برروی یک سطح اصلاح شده، آب به آن دست از نواحی می‌چسبد که با تابش نقاط مربعی نور فرابنفش، ابرآب دوست شده باشند؛ آبی که بر روی سایر نواحی قرار می‌گیرد شکلی مشابه با قطرات تقریباً کروی اثر نیلوفر آبی دارد.

ارتباطات عشق-تنفر: برخی سطوح، حد فاصل بین آب‌دوستی و آب‌گریزی را از میان برداشته‌اند؛ زوایای تماس تقریبی آن‌ها عبارتند از:
• ابرآب‌دوست: لایه‌های نازک تیتانیا، 0 درجه
• آب‌دوست: شیشة پنجرة معمولی، 30 درجه
• آب‌گریز: تفلون، 100 درجه
• ابرآب‌گریز: برگ‌های نیلوفر آبی، 160 درجه

استحصال آب

filereader.php?p1=main_c51ce410c124a10e0
شکل 13. محققان با الگو گرفتن از یک سوسک بیابانی، درحالت توسعه‌ی ابزارهایی هستند که از ترکیبی از اثر نیلوفر آبی و ابر آب دوستی برای جمع آوری آب از هوا در نواحی دور دست وخشک استفاده خواهندکرد.

نزدیک‌شدن متضادها به هم‌دیگر
مواد ملهم از نیلوفر آبی و لایه‌های نازک تیتانیا را می‌توان به عنوان دو قطب متضاد تلقی کرد که ندرتاً در دنیای روزمره‌ی ما یافت می‌شوند. مدت‌ها بود مطالعات اثر ابرآب‌گریزی و ابرآب دوستی فوتوکاتالیستی کاملاً مجزا بود. در زمان‌های اخیر و با ظهور محققانی که به تحقیق بر روی ادغام این دو اثر و تولید هر دوی آن‌ها با مواد بسیار مشابهی اشتغال داشتند، همگرایی قابل توجهی در این زمینه ایجاد شد. محققان حتی در جستجوی راه‌هایی هستند که آن‌ها را قادر می‌سازد تا با بهره‌گیری از چنین ساختاری، تغییر حالت از ابرآب‌گریزی به ابرآب‌دوستی و یا بالعکس را ممکن سازند.
در سال 2000 فوجیشیما، واتانیبل و هاشیموتو (محققان پیشگام در زمینه‌ی تیتانیا) برای اولین بار این همگرایی را مطرح کردند. آن‌ها خواستند تا با استفاده از تیتانیا، عمر سطوح اثر نیلوفر آبی را افزایش دهند. در ابتدا به نظر می‌رسید که این راهکار با شکست مواجه می‌شود و پیش بینی می‌شد فعالیت فوتوکاتالیستی تیتانیا بر روی پوشش آب‌گریز و مومسان سطوح نیلوفر آبی، اثر منفی گذاشته، این اثر را نابود کند. در حقیقت، این تأثیر منفی درغلظت‌های بالای تیتانیا ظاهر می‌شود و این گروه دریافتند که افزودن مقدار بسیار کمی از تیتانیا می‌تواند بدون ایجاد تغییر زیادی در زاویه‌ی تماس بالا (که برای دافعه‌ی قوی مورد نیاز است)، به شکل چشم‌گیری دوام فعالیت اثر نیلوفر آبی را بیشتر کند.
در سال 2003 محققان آزمایشگاه رابنر و کوهن در MIT، موفق به کشف این نکته شده است که چگونه یک تغییر کوچک در ساختمان می‌تواند تعیین کند که یک سطح ابرآب‌گریز و یا ابرآب‌دوست تولید شده است. رابنر عنوان کرد که طی دیداری که در آن سال از چین داشت، برخی از ساختارهای ابرآب‌گریز (که در نشستی از آن‌ها یاد شده بود) وی را متعجب ساخت. وی در بازگشت، برخی از اعضای گروه خود را به تلاش برای ساخت چنین ساختارهایی واداشت. آزمایشگاه رابنر با استفاده از دست‌های از ترکیبات با نام پلی الکترولیت‌ها، روش لایه به لایه‌ای را برای ساخت لایه‌های نازک، ابداع نمود. الکترولیت‌های معمولی موادی هستند که پس از حل شدن در آب به یون‌های باردار مثبت و منفی تجزیه می‌شوند که نمک معمولی یا اسید سولفوریک نمونه‌هایی از این دست مواد به شمار می‌روند. رابنر و کوهن لایه‌هایی از پلی آلیلامین هیدروکلراید باردار مثبت و ذرات سیلیس باردار منفی را به صورت متناوب و یک در میان بر روی هم انباشته کردند؛ آن‌ها در تحقیقات پیشین خود به منظور الگوبرداری از سطح آب گریز ناهموار نیلوفر آبی از پوشش‌هایی با ذرات سیلیس استفاده کرده بودند.
آن‌ها یک پوشش سیلیکونی نهایی (یک مادهی آب‌گریز) به این لایه‌های چندگانه افزودند؛ اما به امر اغواکننده‌ای برخوردند؛ به این شکل که پیش از آن که این گروه سیلیکون را به لایه‌ها بیفزایند پوشش و روکش لایه حقیقتاً ابرآب‌گریز بود. در آزمایش‌های رابنر و کوهن، لایه‌های سیلیسی، محفظه‌های عظیمی از نانوحفرات را ایجاد کرده بود که با تشکیل یک اسفنج، تمام آب سطح را بلافاصله جذب می‌کردند؛ به این پدیده نانو فتیله‌گذاری گفته می‌شود. چندلایه‌های سیلیس - پلیمری که آن‌ها ساخته بودند دچار مه گرفتگی و غبارزدگی نمی شد؛ حتی اگر بر روی بخار آب قرار داده می‌شدند. پس از اشباع حفرات، آب از لبه‌ها شروع به جاری‌شدن می‌کند. با دور شدن از محیط خیس، آب موجود در نانوفتیله‌ها به آرامی بخار و پس از آن پراکنده می‌گردد.
از آنجایی که بخش عمده‌ی شیشه، سیلیس است لایه‌های چندگانه‌ی مذکور برای به کارگیری در شیشه بسیار مناسب هستند. از جمله ویژگی‌های این پوشش‌های آب‌گریز، به جز شفافیت و ضد مه بودن می‌توان به ضد بازتابش بودن آن‌ها نیز اشاره کرد. گروه رابنر برای تجاری‌کردن این کشف در حال همکاری با شرکای صنعتی هستند. این کشف دارای کاربرد‌هایی در آینه‌های حمام (که هیچ‌گاه دچار مه گرفتگی نمی‌شوند) و شیشه‌های جلوی اتومبیل (که در صبحگاه‌های سرد و مرطوب زمستانی به هیچ‌دمنده‌ای نیاز ندارند) است. برخلاف تیتانیا، سطوح رابنر در روشنایی و تاریکی رفتار یکسان و مطلوبی دارند.

سوسک‌های هوشمند
میلیون‌ها سال پیش از آن که دانشمندان اثر نیلوفر آبی و ابرتر شدگی را برای کاربردهای فناورانه با یکدیگر ادغام کنند، یک سوسک کوچک صحرای نامیب در آفریقای جنوبی از این دو اثر در هدف دیگری؛ یعنی جمع‌آوری آب برای حفظ بقای خود استفاده کرد.
صحرای نامیب بی نهایت خشن و نا مهربان 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 آن‌ها نیز معمولاً با یک نسیم بسیار مرطوب رانده می‌شوند.
این سوسک - که نام علمی آن استنوکارا اس‌پی (Stenocara sp) است - راهی برای جمع‌آوری آب از چنین مه‌هایی ابداع کرده است: سوسک به شکلی که سرش رو به پایین و پشتش رو به بالا باشد نشسته و خود را در مقابل باد مرطوب قرار می‌دهد. آب بر روی پشت این سوسک انباشته شده، سپس در درون دهانش می‌چکد. اساس علمی رفتار این سوسک، منجر به پیدایش ایده‌هایی برای فناوری جمع‌آوری آب در مناطق خشک شده است.
طبق معمول ساز و کار این حشره را محققی کشف کرده که در جستجوی چیز دیگری بوده است. در سال 2001 جانورشناسی به نام اندرو آر پارکر (که در آن زمان عضو دانشگاه آکسفورد بود) با عکسی از سوسک‌ها برخورد کرد 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، سوسک‌ها در جشن خود بر روی این نعمت بادآورده، راحت به نظر می‌رسیدند. پارکر حدس زد که این سوسک‌ها باید دارای سطوح پیچیده‌ای برای بازتابش حرارت باشند.
در حقیقت سوسک‌های Stenocara حرارت را باز می‌تابانند؛ اما هنگامی که پارکر پشت آن‌ها را مورد بررسی و آزمایش قرار داد بلافاصله گمان برد که احتمالاً آن‌ها از چیزی مثل اثر نیلوفر آبی در فرایند جمع آوری آب صبحگاهی استفاده می‌کنند. قسمت اعظم پشت این حشره، یک سطح نا هموار، مومسان و ابرآب‌گریز است؛ این در حالی است که نوک‌های این برآمدگی‌ها، مومسان نبوده، به صورت 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 ابرآب‌گریز اطراف قطره، آن‌ها را از جای خود حرکت می‌دهد. در آزمایشگاه و طی انجام آزمایش با اسلایدهای شیشه‌ای، پارکر دریافت که چنین ترتیبی ناشی از نواحی‌ای است که نسبت به یک سطح هموار و یکنواخت (صرف نظر از آب‌گریزی و یا آب‌دوستی آن) تا دو برابر کار آمدتر باشد.
پارکر طرحی را برای الگوبرداری از فرایند این سوسک به ثبت رسانده است و پیمانکار دفاعی انگلستان، QinetiQ، در حال توسعه‌ی این طرح به منظور جمع‌آوری آب از مه در نواحی خشک است. دیگران نیز در تلاشند تا از Stenocara الگوبرداری کنند. در سال 2006 گروه رابنر و کوهن موفق به تولید نقاط ابرآب‌دوست سیلیسی بر روی لایه‌های چندگانه‌ی ابرآب‌گریز شدند. این طرح یک درجه کارآمدتر از الگوی این سوسک‌هاست، زیراِ نقاط پشت سوسک‌ها تنها آب‌دوست بودند. علم جدید ابرتر شدگی که دارای نمونه‌هایی عملی؛ همچون سطوح ساختگی الگو گرفته شده از Stenocara است، کنترل جریان‌های مایع در میکرومقیاس و نانومقیاس را ممکن می‌سازد. این امکان برای کاربردهای رو به رشد تمیز نگه داشتن سطح، سودمند است. رابنر می‌گوید: «با فهمیدن اینکه سطوح ساختاردار می‌توانند بر حسب شیمی نوک بر آمدگی‌های سطوح، ابرآب‌گریز و یا ابرآب‌دوست باشند می‌توان به هر نوع از راهکارهای ممکن، دست پیدا کرد». یکی از موارد استفاده‌ی خاص، سطوح قابل تغییر (با قابلیت کلیدزنی بین حالت‌ها) است که ترشدگی آن‌ها می‌تواند در مکان‌های دقیق، معکوس شود.
مسیرهایی که می‌توان با استفاده از آن به چنین قابلیت تنظیمی دست یافت، عبارتند از: نور فرابنفش، الکتریسیته، دما، حلال و اسیدیته. در سال 2006 یک گروه با هدایت کیل ون چو از دانشگاه علم و فناوری پوهانگ در کره‌جنوبی، با افزودن ترکیبی مبتنی بر مولکول آزوبنزن، به سطح سیلیکونه شده‌ی (ابرآب‌گریز) چندلایه‌ی سیلیس- پلی الکترولیت، موفق شد به قابلیت تغییر (کلیدزنی) کاملی دست پیدا کند. سطح جدید نیز ابرآب‌گریز است، با این تفاوت که با تابش نورفرابنفش، ترکیب آزوبنزن تغییر شکل داده، سطح را به ابرآب‌دوست تبدیل می‌کند. نور مرئی، این تغییر را معکوس می‌کند. این نوع کنترل می‌تواند کاربردهای فراوانی را در زمینه‌ی میکروسیالات داشته باشد، که از آن جمله می‌توان به میکرو آرایه‌هایی اشاره کرد که هم اکنون برای آزمایش و رهگیری دارو و یا دیگر آزمایش‌های بیو شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ به عنوان مثال مسیرهای آب‌دوست می‌توانند به وسیله‌ی اجزای تغییر وضعیت دهنده‌ی خود (که آب‌گریزی و یا آب‌دوستی آن‌ها را تعیین می‌کنند)، باز یا بسته شوند.

خشک‌ماندن در زیر آب
یکی از عجایب قرن 21، نفوذ امواج نیلوفر آبی به دورنماهایی است که پیش از این ناشناخته بوده‌اند؛ مانند وارد شدن به کاربردهای خود تمیز شوندگی.
بارتلات که توان بالقوه را در یک قطره آب بر روی یک برگ نیلوفر آبی مشاهده کرده است، هم اکنون چشم انداز تقریباً بی حد وحصری را مشاهده می‌کند. اما وی به آنهایی که می‌خواهند از طبیعت برای فناوری الگوبرداری کنند، هشدار می‌دهد که احتمالاً با شک و تردید بسیار بزرگی رو به رو خواهند شد؛ همانند آنچه برای وی اتفاق افتاده است. وی توصیه می‌کند: «به آنچه که با چشم‌های خود می‌بینید اعتماد کنید نه به آنچه که در کتاب‌های درسی وجود دارد و اگر مشاهدات شما مکرراً تأیید می‌شود آن را منتشر کنید؛ اما یک نفس عمیق بکشید و در انتظار رد شدن مقاله‌ی خود باشید». وی همان‌گونه که پیش‌بینی می‌شد، یکی از طرفداران سرسخت برای تنوع گونه‌های زیستی به شمار می‌رود، زیرا ممکن است بسیاری از گیاهان و حیوانات دیگر، ویژگی‌های سودمندی داشته باشند. شاید گونه‌های ناشناخته و در معرض خطر انقراض، در این زمره قرار گیرند. تحقیق کنونی وی در خصوص ابرآب‌گریزی در زیر آب است. پس از مطالعه‌ی اینکه چگونه گیاهانی چون کاهوی آبی Pistia و سرخس شناور Salvinia هوا را روی سطوح برگ خود گیر می‌اندازند، بارتلات منسوجاتی ساخت که به مدت چهار روز در زیرآب، خشک باقی می‌ماندند. ساخت لباس شنایی که تر نمی‌شود، جزئی از دورنماهای این تحقیق است. دستاورد بزرگ این تحقیق، کاهش نیروی رانش تنه‌ی کشتی خواهد بود. نیلوفر آبی کثیف نمی‌شود اما منشأ پیدایش قطاری از پتنت‌هاست.

منابـــع و مراجــــع

Scientific American, Aug, 2008