برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۹/۰۳/۱۰ تا ۱۳۹۹/۰۳/۱۶

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

مقالات مرتبط
اخبار مرتبط
آمار مقاله
  • بازدید کل ۴۷۴
  • بازدید این ماه ۵۰
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۶۶
  • قبول شدگان ۵۱
  • شرکت کنندگان یکتا ۳۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۶
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

منابع دهمین مسابقه ملی فناوری نانو

طرح درس

دهمین مسابقه ملی نانو

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

فوق آب‌گریزی و فوق آب‌دوستی در حیات

از جمله خصوصیات فیزیکی سطحی یک ماده، آب‌دوستی یا آب‌گریزی است. مواد آب‌گریز به‌دلیل ناهمواری‌های سطحی میکرومتری و نانومتری خود، اجازه پخش یا جذب شدن آب به روی سطح را نمی‌دهند و از این‌رو باعث قطره‌ای شدن آب و سر خوردن آن می‌شوند. برخلاف این دسته از مواد، سطح مواد آب‌دوست به‌گونه‌ای است که باعث پخش شدن کامل آب روی سطح و در نتیجه تشکیل یک لایه نازک از آب می‌شود. با الهام از حیات، از هر دو این خصوصیات می‌توان برای ایجاد سطوح خودتمیزشونده استفاده کرد.

 

 

1-آب‌گریزی و آب‌دوستی در پدیده‌های طبیعی 
سیستم‌های طبیعی و پدیده‌های رفتاری با آب، اهمیت بالایی دارند. ساختارهایی مثل سلولز در پنبه به دلیل گروه‌های فعال OH علاقه زیادی به جذب آب دارند. همچنین ساختارهایی نیز وجود دارند که آبگریز هستند. تَرشدگی 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، ترشدگی ساده‌تر است. در بیشتر پدیده‌های درون مولکولی بین پروتئین‌ها یک اثر آب‌گریزی وجود دارد. چسبیدن مولکول‌ها به پروتئین نیز به همین ترتیب توجیه می‌شود. از 20 آمینواسیدی که مولکول‌های پروتئینی پلی پپتیدی را تشکیل می‌دهند، 9 آمینواسید آن آب‌گریز هستند. غشاهای سلولی از لیپیدهایی تشکیل شده‌اند که دو قطبی‌های آب‌گریز دارند [1]. 
میلیون‌ها سال قبل از اینکه محققان از مواد جدید بهره ببرند، سیستم‌های زنده از ساختارهایی نانومتری برای ایجاد قابلیت‌های ویژه استفاده کرده‌اند. امروزه دانشمندان در تلاشند تا از سیستم‌های زنده در خیلی از فناوری‌ها 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 است چرا که خواص خودتمیزشونده دارد. قطرات شبنم از سطح برگ آب می‌غلتد و غبارها را با خود می‌برد. با این حال تمیزی دائمی این برگ‌ها به علت حفراتی با ابعاد میکرو و نانومتری در سطح آن است که چسبندگی را به کمترین میزان می‌رساند و به برگ قابلیت غبارروبی با قطرات آب را می‌دهد [2]. 
ایده طبیعی خودتمیزی در لوتوس می‌تواند جایگزین مناسبی برای پاک‌کننده‌های سمی و کاهش عوارض زیست‌محیطی باشد. علت تمیزی سطح گل‌ها و برگ‌ها سؤال جالبی بود که تا کاربردی شدن میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی در بازار، که امکان مشاهده ابعاد ریز نانومتری را فراهم می‌ساختند، بی‌پاسخ ماند. میکروسکوپ الکترونی روبشی به‌ صورت تجاری از سال 1965 ارائه شده بود که قابلیت‌‌های آن کمک کرد تا تصاویر واضحی از محدوده زیر 100 نانومتر به دست آید [2]. 
بارثلات و نین هویس با بررسی 300 نوع برگ گیاهی به این نتیجه رسیدند که سطوح خودتمیزشونده موم و میکرو و نانوساختار آب‌گریز (هیدروفوب) اساس چنین عملکردی است. این رفتار خودتمیزشوندگی که فوق آب‌گریزی نامیده می‌شود، در بسیاری از کاربردهای جدید مثل رنگ‌های ضدلک و شیروانی‌ها و همچنین پوشش پارچه‌ها و سطوح دیگر که باید خشک بماند و غبارزدایی شود، قابل استفاده است. دانشمندان از این اثر برای کاربردهای تراشه‌های کوچک آزمایشگاهی استفاده کرده‌اند. در این ابزارها، مواد آب‌دوست و آب‌گریز می‌توانند برای کنترل مایعات درون اجزای مجاری میکرومتری استفاده شوند. هر چند خواص خودتمیزشوندگی مختص برگ‌های لوتوس تعریف شده، ولی در سایر موجودات هم این اثر مشاهده می‌شود [2].

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1: ساختار میکرو و نانومتری برگ‌ها 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 می‌کند. این ترکیب مومسان از زنجیره بلندی از هیدروکربن‌ها و مواد آب‌گریز تشکیل شده است. هوای محبوس شده در سطح ناصاف باعث می‌شود که آب، قطره‌ای با زاویه تماس بالا روی سطح ایجاد کند که لبه‌ای در حدود 150 درجه دارد و در ادامه با غلتیدن قطره روی سطح کمی شیبدار، قطره غبار را از روی برگ برمی‌دارد [2,3].
این ساختارها بر خلاف پنبه و سلولز که ذات آب‌دوستی دارند، آب را دفع می‌کنند. نمونه‌هایی از این رخداد در طبیعت به وفور یافت می‌شود. مطالعات نظری نشان می‌دهد که نقطه عطف در فاصله بین دو میکروساختار که منجر به فوق آب‌گریزی می‌شود، 100 نانومتر است؛ در دانشگاه بن آلمان با این الگو یک پوشش بیرونی با سطح ضدآب ساخته شده است [3]. 
 
filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2: ساختار برگ لوتوس (زبانه‌های میکرومتری و پرزهای نانومتری)
 
برای اطمینان از این عملکردها آزمایش‌هایی ترتیب داده شد، آب‌گریزی در سطوح مختلف مورد ارزیابی قرار گرفت و اطمینان حاصل شد که محبوس شدن حباب‌های هوا در این ریزساختارها علت اصلی این پدیده بوده است. نمونه‌های دیگری نیز در طبیعت وجود دارد که همین ویژگی دفع آب را از خود نشان می‌دهد. آب‌دُزدک‌ها و چشم پشه‌ها ساختاری دارند که باعث فوق آب‌گریزی آن‌ها شده است؛ پر اردک و پروانه نیز از این ویژگی برخوردار است [4]. 
 
filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3: زاویه تماس آب در سه ساختار متفاوت و مقایسه با سطح صاف
 
پدیده خودتمیزشوندگی به‌وسیله‌ برآمدگی‌‌های میکروسکوپی و نانومتری از جمله جلوه‌های جمع تضادها در خلقت است. در ذهن ما این منطقی است که برای تمیز بودن یک سطح که سریع چرک می‌شود، آن سطح باید کاملاً صاف باشد تا غبار لای آن نرود و به آن نچسبد، اما بررسی‌‌های عمیق‌‌ بر روی این برگ‌ها نشان می‌دهد که این مطلب کاملاً درست نیست و باید ناهمواری‌هایی روی سطح ایجاد شود [4].
ایجاد یک سطح فوق آب‌گریز بر روی یک شیء با استفاده از اثر نیلوفر آبی کار آسانی نیست. خصوصیت یک ماده‌ آب‌گریز ذاتاً دافعه است؛ اما باید این سطح را که دافعِ همه چیز است، به روشی مناسب روی سطح چسباند و به آن متصل کرد. در اوایل دهه 90 میلادی، بارتلات قاشق عسلی را ابداع کرد که یک سطح اکسید سیلیکونی زبر با برآمدگی‌‌های 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 است که شرکت چندملیتی آلمانی استو ای‌‌جی در سال 1999 آن را معرفی کرد [3].
وقتی که از واژه 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 عهده ماست. امروزه خودتمیزشوندگی در لباس‌ها هم ایجاد شده است. نانوتکس اولین کاربرد فناوری نانو است که در لباس‌های پنبه‌ای 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 کرک‌های این لباس‌های پنبه‌ای، موهای بسیار کوچکی است که به طور پایدار به نخ‌های پنبه متصل شده‌‌اند و اثر دافعه را بر جای می گذارند. این موها آن قدر کوچکند (کوچک‌‌تر از یک هزارم ارتفاع برآمدگی‌‌های نیلوفر آبی) که روی نخ‌های پنبه، گویی به تنه‌‌های بزرگ درخت متصل شده‌اند. روش به این صورت بود که سازنده این لباس با یک فرایند ساخت پایین به بالا، اتم‌های کربن را به یک رشته نانومتری استوانه‌ای با ابعاد 10 نانومتر تبدیل  کرد. قبل از عملیات دوخت، لباس پنبه‌ای را در ظرفی 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 نانورشته‌ها اتصال شیمیایی ایجاد و سطح هر لیف پنبه کاملاً پوشانده شود. الکترون‌های لایه آخر اتم‌های کربن که نانورشته‌ها از آن‌ها ساخته شده‌اند، پیوندهای کوالانسی غیرقطبی تشکیل داده‌اند و در نتیجه به مولکول‌های قطبی آب تمایلی نشان نمی‌دهند و به آن‌ها اتصال نمی‌یابند. بنابراین اتصال پایدار این نانورشته‌های کربنی آب‌گریز به الیاف پنبه، خواص آن را از آب‌دوست به آب‌گریز تغییر می‌دهد. به این شکل پارچه‌هایی تولید می‌شود که آب را به خوبی دفع می‌کند. نانورشته‌ها (10 تا 100 نانومتر) در شکل 5 به کمک قلاب‌هایی به نخ‌هایی با قطر 10 تا 50 هزار نانومتر اتصال دارند و ظاهر پارچه را تغییر نمی‌دهند [6].
 
filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4: شکل ساختار مولکولی پنبه (سلولز) و زنجیره‌های شش ضلعی - نانورشته‌های کربنی متصل به رشته پنبه؛ الیاف پنبه در مقابل آنها شبیه تنه‌‌های بزرگ درخت هستند.
 
filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل 5: در این شکل سطح پوشیده الیاف با پرزهای نانومتری و دوام آن در دفعات شستشو مشاهده می‌شود.
 
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 پدیده‌های متأثر از آب‌گریزی، از خصوصیت فوق آب‌گریزی هم بهره می‌برند. این خاصیت باعث تسریع در تشکیل قطرات آب شده و نوع دیگری از اثر خودتمیزشوندگی، که شیشه‌های ضد مه بود، را ایجاد کرده است [3].

2- قابلیت فوق تَرشوندگی
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 زمینه‌ ترشوندگی، خودتمیزشوندگی و گندزدایی ایجاد شده ‌است. محققان دریافته‌اند 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 است. عامل اصلی در ظهور پدیده فوق آب‌‌دوستی، ماده 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. تجزیه آب به کمک نور، یک هدف تحقیقاتی بزرگ محسوب می‌‌شود [3].
مطالعات مذکور نشان داد که لایه‌‌های نازک تیتانیا (با ضخامتی در محدوده چند نانومتر تا چند میکرون) کارآمدتر از ذرات بزرگ‌‌تر هستند. به‌رغم تضاد این پدیده با اثر دافعه آب در برگ نیلوفر آبی، اَبَرآب‌‌دوستیِ 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 می‌‌شود، زیرا آب متراکم به جای تبدیل شدن به هزاران قطره بسیار کوچک (که ایجادکننده مه هستند)، بر روی سطح پخش می‌‌شود. رفتار فوتوکاتالیستی تیتانیا با تجزیه مواد آلی، کشتن باکتری‌‌ها، ویژگی‌‌ گندزدایی و ضدعفونی‌‌کنندگی 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 روزمره ما یافت می‌‌شوند. اما سوسک صحرای نامیب این دو اثر را توأم با هم استفاده می‌کند. این کار برای تأمین مقدار کم آب مورد نیاز برای زنده ماندن انجام می‌شود [3].
صحرای نامیب بی‌‌نهایت خشن و نامهربان است؛ زیرا دمای طول روز در این صحرا می‌‌تواند به 50 درجه 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 می‌وزند [3].
 
filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
شکل 6: جمع شدن آب پشت سوسک با سطحی که فوق آبگریز و واکس‌دار است و در نوک نانوبرجستگی‌ها آبدوست است و واکس ندارد. 
 
filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5
شکل 7: آب جمع شده در بدن سوسک متأثر 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 می‌نشیند و خود را در مقابل باد مه‌‌آلود قرار می‌‌دهد. آب پشت این سوسک انباشته شده، سپس از بدنش سرازیر می‌شود. 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، سوسک‌‌‌ها با دمای بالای شن مشکلی نداشتند. پارکر حدس زد که این سوسک‌‌ها باید دارای سطوح پیچیده‌ای برای بازتابش حرارت باشند و در بررسی‌ها 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 آن‌ها 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 ناحیه ابرآب‌گریزِ اطرافِ قطره، آن‌ها را از جای خود حرکت می‌‌دهند. پارکر دریافت که چنین ساختاری نسبت به یک سطح هموار و یکنواخت (صرف‌نظر از آب‌گریزی یا آب‌دوستی آن) تا دو برابر کارآمدتر است. محققان در سال 2006 توانستند نقاط فوق آب‌دوست سیلیسی را بر روی لایه‌های چندگانه فوق آب‌گریز بنشانند و این موضوع نیز به یکی از حوزه‌های تقلید از طبیعت تبدیل شد [3].
 

منابـــع و مراجــــع

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.