برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۲/۲۹ تا ۱۳۹۷/۰۳/۰۴

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱,۱۹۰
  • بازدید این ماه ۵۸
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
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

ویژه المپیاد دانش‌آموزی

طرح درس

منابع پیشنهادی نهمین المپیاد دانش آموزی نانو

نویسندگان
امتیاز کاربران

بهبود خواص عملکردی شیشه‌های ساختمان

مقدمه

کاهش هزینه‌های نگهداری (تمیزکاری) و همچنین مدیریت انرژی از نکات کلیدی برای بهبود خواص کاربردی شیشه‌ها به کمک افزودنی‌ها است. نکته قابل ذکر آن است که حدود یک سوم انرژی یک ساختمان از طریق پنجره‌ها هدر می‌رود. به همین دلیل تلاش برای کاهش مصرف انرژی در ساختمان‌ها بر روی شیشه پنجره‌ها متمرکز شده است. از این رو مطالعات زیادی برای یافتن روش‌های ذخیره انرژی صورت گرفته و نیاز به ذخیره انرژی باعث شده تا انواع جدیدی از پنجره‌های شیشه‌ای در ساختمان‌ها و همچنین در دیوارهای سالن کنفرانس در اداره‌ها به‌کار برده شود. فناوری نانو در این زمینه کاربردهای فراوانی دارد که در این بخش به نمونه‌هایی از آنها اشاره شده است.
1- استفاده از نانوبلورها با قابلیت انتقال نور مرئی و رد بقیه نورها 

این نوع نمونه‌ها شیشه‌های هوشمندی هستند که نور وارد شده به اتاق را اصلاح و تنظیم می‌کنند. در این راستا می‌توان با استفاده از روکش‌های نانویی بر روی شیشه پنجره‌ها، آنها را عایق و تبادل حرارتی را بهینه نمود و اصطلاحاً به شیشه خاصیت کم گسیل اضافه کرد. در این صورت نقش آنها در کاهش مصرف انرژی غیر قابل انکار خواهد بود.

فناوری ساخت و استفاده از این نوع پوشش، شامل لایه نازکی از نانوبلورهای اکسید قلع ایندیوم با قابلیت انتقال نور مرئی و رد نور نزدیک مادون قرمز است که اعمال چند ولت پتانسیل فعال قلع به این ماده یک بار الکتریکی اضافی داده و الکترون‌های آن مسؤول جذب نور مادون قرمز هستند. پس می‌توان گفت با این نوع شیشه‌ها در یک روز سرد، هر دو نور مرئی و نزدیک به مادون قرمز برای انتقال گرما می‌توانند وارد محیط شوند؛ اما در روزهای گرم چند ولت الکتریسیته بر این نانوبلورها اعمال شده تا پنجره تنها به نور مرئی اجازه ورود بدهد. 

این نوع از پنجره‌ها با حفظ شرایط آب و هوایی داخل،‌ در روزهای داغ و سوزان تابستان، مانع ورود نور خورشید به داخل شده و در زمستان با تبدیل به حالت شفاف، اجازه عبور به نور خورشید را داده و انرژی گرمایی را ذخیره می‌کند.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1: شیشه‌های کم گسیل باعث مدیریت انرژی می‌شوند.

 مسئله حل شده
گپ انرژی نیمه‌هادی‌ها حدود 2 تا 3.5 الکترون ولت و عددی بین گپ انرژی فلزات و سرامیک‌هاست. برای تهییج یک الکترون و رفتن آن به نوارهای بالاتر انرژی بیشتر از گپ انرژی باید از بیرون ایجاد شود. با از دست دادن شرایط تهییج الکترون انرژی‌اش را از دست داده و به صورت اشعه (که این اشعه منشاء شناسایی مواد به روش طیف سنجی است) محاسبه کنید برای تهییج و الکترون‌دهی اکسید قلع ایندیوم با گپ انرژی 8/2 الکترون ولت چه اختلاف پتانسیلی از انرژی الکتریکی لازم است؟

حل: بنا به تعریف بار الکتریکی یک الکترون برابر با 19-10 * 1.6 کولن است؛ فلذا یک الکترون ولت اندازه انرژی یک الکترون تحت ولتاژ یک ولت است و اندازه آن بر حسب ژول می‌شود.

2.8ev=2.8*1.6*10-19 j

اگر فرض کنیم شدت جریان اعمالی برای تهییج در حدود 1 آمپر باشد، با استفاده از رابطه زیر مقدار ولتاژ مورد نیاز برای تهییج بدست می‌آید:

E=V.I       2.8*1.6*10-19 j= V*1A          V= 2.6*2.8*10-19 volt

پنجره‌های هوشمند موجود، از پنجره‌های الکتروکرومیک گرفته تا پنجره‌های با ذرات معلق، با وجود مزایای زیادی که دارند، دارای معایبی نیز هستند که قیمت بالا، کاهش سریع بازدهی، به‌کارگیری مواد سمی و زیان‌آور در فرآیند ساخت از آن جمله است. محققان در تلاش برای ساخت پنجره‌های هوشمندی که معایب مذکور را نداشته باشد، سیستم جدیدی را ابداع کرده‌اند که در آن از یک پلیمر و از یک حلال، مانند متانول استفاده شده است. این نوع از پنجره‌های هوشمند، ارزان قیمت بوده و در فرآیند ساخت آنها از آلاینده‌های کمتری استفاده شده است؛ همچنین از استحکام بالایی نیز برخوردار هستند. از فواید دیگر پنجره‌های هوشمند جدید می‌توان به قابلیت تبدیل سریع و آسان از حالت کاملاً مات به حالت شفاف در چند ثانیه اشاره کرد. این رفتار در میان پنجره‌های هوشمند، بی‌نظیر است و روش جدیدی برای ذخیره‌سازی گرما، سرما و نور با هزینه کم و از طریق مدیریت نورهای عبور داده شده به داخل ساختمان است.

2- شیشه‌های خودتمیزشونده

شیشه‌های خودتمیزشونده از سال 2002 در بازار در دسترس بوده اند و هر روز نیاز و تقاضا استفاده از آن شیشه‌ها افزایش می‌یابد. پوشش‌های ضد لک و آسان تمیزشونده موجب دفع آب و ذرات گرد و غبار شده و به راحتی می‌توان سطح آن را تمیز کرد. همچنین این روکش ضد سایش بوده و علاوه بر مقاوم بودن در برابر پرتوهای فرابنفش، از دوامی طولانی برخوردار است. مشکل آلودگی سطوح مخصوصاً در مورد سطوح با انرژی بالا همانند شیشه یا فلز که تمایل به جذب مولکول‌های دیگر دارند، فراگیر است. راهبرد معمول برای حل این مشکل، کاهش انرژی آزاد سطحی این مواد بدون از بین رفتن ویژگی‌هایی همانند شفافیت است. برای رسیدن به سطوح آسان تمیزشونده باید به طریقی انرژی سطح را کاهش داد. (شکل 2)

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2: a) زاویه ترشوندگی کوچک و خصلت آب‌دوستی بالا b) زاویه ترشوندگی بزرگ و خصلت آب‌گریزی بیش‌تر

این نوع نانوپوشش‌ها، با ضخامت چند نانومتر در سطح شیشه یک فیلم آب‌دوست تشکیل می‌دهند. سطح هیدروفیل آنها از تأثیر نور خورشید یک فوتوکاتالیست تشکیل داده و آب جمع شده در سطح، در مقابل نیروی جاذبه زمین میزان آب /هوا را بر روی خود افزایش داده و بدین ترتیب آب جمع شده در سطح تماماً پخش شده و بخودی خود امکان تمیز شدن را بوجود می‌آورد.

استفاده از این نانومواد برای ایجاد پوشش بر روی شیشه می‌تواند منجر به ویژگی‌های ذیل برای آنها شود:

• پس زدن آب و روغن از روی شیشه
• عدم چسبیدن آلودگی و کثیفی بر روی شیشه
• پاک شدن گل و لای بوسیله آب باران
• عدم رسوب گرفتن شیشه
• ممانعت از خوردگی
• افزایش استحکام و مقاومت شیشه در برابر خش افتادگی
• جلوگیری از تشکیل اثر انگشت روی شیشه
• روشن تر و شفاف تر شدن شیشه تا 20%
• یکنواخت تر شدن سطح شیشه تا 30%
• افزایش دید از طریق شیشه در شرایط بد آب و هوایی
• تمیز باقی ماندن شیشه تا مدت زمان طولانی
• ضد انعکاس

برای پوشش‌دهی شیشه‌ها موادی وجود دارد که علاوه بر قابلیت دفع آب و آلودگی، در برابر خش نیز مقاوم است. در ضمن در برابر شوینده‌های شیمیایی و اسیدهای ملایم نیز مقاوم بوده و تحمل حرارت تا 250 درجه سانتیگراد را دارد. 

2-1- شیشه‌های خودتمیزشونده با پوشش TiO2

نانوذرات دی‌اکسیدتیتانیوم، عضوی از خانواده بزرگ نانوذرات هستند که به سبب ایجاد خاصیت خودتمیزکنندگی برای سطوح، از ابتدای شکل گیری فناوری نانو، مورد توجه ویژه واقع شده اند. در ساخت شیشه‌های خود تمیزشونده از نانوذرات دی اکسید تیتانیوم به عنوان افزودنی اصلاح کننده سطح (سورفکتانت) شیشه استفاده می‌شود. این شیشه‌ها دارای خاصیت ضدلک و ضدعفونی کنندگی هستند. در صنعت ساختمان سازی از شیشه‌های خودتمیزشونده بیشتر در ساختمان‌های بلند که تمیزکاری شیشه‌ها مشکل است به کار می‌رود. ضمناً از این نوع فوتوکاتالیست می‌توان برای ساخت شیشه‌ها و آجرهای خودتمیزشونده در نمای ساختمان‌ها استفاده کرد. علاوه بر این با پوشش‌دهی نانوذرات دی اکسید تیتانیوم بر زیرلایه‌های مناسب، می‌توان فیلترهای کارآمدی برای از بین برندن بو، تصفیه هوا و آب و فاضلاب ساخت.

پوشش‌هایی از ماده دی اکسیدتیتانیوم را با استفاده از روش‌های گوناگون، بر روی شیشه لایه نشانی می‌کنند. این پوشش با توجه به خاصیت نیمه‌هادی اکسیدی دی‌اکسید تیتانیوم طی دو مکانیزم متفاوت باعث به وجود آمدن دو خاصیت به شرح زیر می‌شود. زمانی که پوشش دی اکسید تیتانیوم بر روی شیشه‌ها در معرض تابش UV (که بخش اعظم نور خورشید را تشکیل می‌دهد) قرار می‌گیرد، آلودگی‌هایی مانند گرد و غبار و ذرات همراه باران را که به مرور زمان بر روی شیشه باعث آلوده شدن و عدم دید خوب می‌شود، تجزیه می‌کند.
خاصیت دومی که این پوشش به شیشه می‌دهد خاصیت آب‌دوستی است به این ترتیب که آلودگی‌های تجزیه شده هیدروکربن‌های آلی بر روی شیشه، بر اثر بارش باران یا آبی که به صورت مصنوعی بر روی شیشه ریخته می‌شود، به صورت ورقه ای پایین می‌آید.

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3: سطح ابرآب‌دوست دی اکسید تیتانیم و قطرات مایع که آلودگی را به راحتی پاک از بین می‌برند. 

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4: مقایسه دو سطح ابرآب‌دوست دی اکسید تیتانیم با یک شیشه معمولی

گفتنی است این نانوپوشش‌ها دارای دو خاصیت است. یکی از آنها فوق العاده هیدروفیل بودن آن است، دیگر آن که دارای خاصیت ضدعفونی کنندگی قادر به شکستن و تجزیه آلاینده‌های آلی است. این تأثیر پس از گذشت چند هفته در در شیشه ایجاد می‌شود، زیرا دی‌اکسید تیتانیوم باید در داخل ماتریس شیشه جایگزین شده و شیشه‌ها را از کثیفی‌های موجود رها کرده و سپس کثیفی‌های محیط را به صورت کاتالیتیک تجزیه نموده و از بین ببرد خاصیت پخش شوندگی مساوی آب در سطح باعث می‌شود بدون اینکه لکه ای باقی بماند سطح از کثیفی‌ها عاری شود.

نتیجه‌گیری:

از کاربردهای نانوفناوری در صنعت ساخت شیشه می‌توان به محصولاتی مانند شیشه‌های خودتمیزشونده، شیشه‌های کنترل کننده انرژی و شیشه با خواص ظاهری بهبود یافته اشاره کرد. مطالعه بر روی بهبود خواص ظاهری به شدت در جذب مشتری مؤثر است، و از طرفی کاهش هزینه‌های نگهداری (تمیزکاری) و همچنین مدیریت انرژی از نکات کلیدی برای بهبود خواص کاربردی شیشه‌ها به کمک افزودنی‌ها است. نکته قابل ذکر آن است که حدود یک سوم انرژی یک ساختمان از طریق پنجره‌ها هدر می‌رود. به همین دلیل تلاش برای کاهش مصرف انرژی در ساختمان‌ها بر روی شیشه پنجره‌ها متمرکز شده است.

منابـــع و مراجــــع

http://nanoart.my/nano.swf1

Integrated energy storage and electrochromic function in one flexible device: an energy storage smart window, Kai Wang , Haiping Wu , Yuena Meng , Yajie Zhang and Zhixiang Wei, Energy & Environmental Science Journal, Issue 8, 2012

ماهنامه فناوری نانو، سال دهم، مهر 90، شماره 7

ستاد ویژه توسعه نانو، گزارشهای رصد فناوری نانو در صنعت، کاربردفناوری نانو در صنعت ساخت و ساز (آلمان)