- ارسال ها
- 690
- لایک ها
- 2,054
- امتیاز
- 0
شیشه های خود تمیز شونده چگونه کار میکنند؟
شيشه ماده شفافی است که من و شما به خوبی آنرا می‌شناسيم و هرجا و در هر شرايطی که زندگی کنيم، برای تامين نور طبيعی ساختمان‌‌ها از آن استفاده می‌کنيم. انواع و اقسام آنرا ديده‌ايم و می‌دانيم که يک جسم شيشه‌ای بسته به رنگ و صخامتی که دارد، در برابر نور رفتار متفاوتی نشان می‌دهد. شيشه‌های معمولی بيش‌ترِ نور تابيده شده را عبور می‌دهند، بخشی از آنرا هم منعکس میکنند (مانند زمانی که آينه گونه عمل میکنند و شما تصوير آدم‌ها يا محيط اطراف را بر روی آن می‌بينيد) و مقدار کمی را هم جذب می‌نمايند. اما معمولا عايق‌های حرارتی خوبی نيستند. در زمستان گرما داخل خانه را هدر می‌دهند و در تابستان خنکی مطبوع آنرا. آلودگی را هم به سرعت به خود جذب میکنند، با بارش چند قطره باران و يا حتی با کوچکترين تماس دستی آلوده می‌شوند. اين مسئله شايد برای شيشه‌های پنجره يک خانه مسکونی چند طبقه اهميت چندانی نداشته باشد، اما برای ساختمان‌های بلند مسئله قابل توجهی می‌شود.
کاربری فراوان شيشه در زندگی روزمره و مشکلات آن از نگاه دقيق و موشکاف فناوری نانو دور نمانده است. اين فناوری، با پوشش‌ها و لايه‌های نازک نانومتری خود آماده است تا شيشه‌های جديدی با قابليت‌های جديد ايجاد نمايد (اگر نمی‌دانید نانو پوشش و لايه نازک چيست مقاله‌های پيش‌نياز را از کنار صفحه بخوانيد). ويژگی‌های ظاهری و توانمندی عبور دهی نور در شيشه‌هايي که با لايه‌های نازک نانومتری پوشانده می‌شوند، حفظ می‌گردد اما در کنار آن قابليت‌های جديدی پيدا میکنند که بر زندگی روزمره ما تاثير دارد. بررسی دقيق‌تر اين موضوع، هم می‌تواند ما را با دنيای اين شيشه‌های جديد (ويژگی‌ها، عملکرد و ...) آشنا کند و هم می‌تواند قابليت‌های فناوری نانو را در تغيير خواص سطوح مختلف نشان دهد. به بيانی ديگر بررسی اين موضوع، شايد بتواند به ما کمک کند تا درک خوبی از پتانسيل‌های فناوری نانو و تاثير آن بر محيط اطرافمان بدست بياوريم.
الف- شيشه‌های خودتميزشونده
نام اين شيشه‌ها شايد تا حدودی عملکرد آنها را نشان دهد. شيشه‌هايي که آلودگی چندانی را به خود نمی‌گيرند و با بارش باران و يا تابش آفتاب کاملا تميز می‌شوند. شيشه‌های خودتميزشونده به دو روش سطح خود را از آلودگی پاک میکنند. ما در اينجا برای اينکه بهتر بتوانيم اين دو دسته را از هم تشخيص دهيم، آنها را به دو دسته آب‌دوست و آب‌گريز تقسيم‌بندی می‌کنيم. اما پيش از آنکه به نحوه عملکرد هر يک بپردازيم لازم است اطلاعاتمان را در مورد آب‌دوستی و آب‌گريزی با هم مرور کنيم.
فرض کنيد که کنار يک شیر آب ايستاده‌ايد و شاهد چکيدن آرام آرام قطرات آب بر روی يک صفحه شيشه‌ای هستيد. قطره آب پس از جدا شدن از شير تا رسيدن به صفحه شيشه‌ای به‌صورت قطره باقی می‌ماند. اما با برخورد به سطح شيشه حالت قطره‌ای خود را از دست داده و بر روی سطح پهن می‌شود. در کتاب فيزيک خوانده‌ايم که آنچه باعث قطره‌ای ماندن آب در هوا می‌شود، نوعی نيروي ربايش بين مولکول‌های آب است که نيروی چسبندگی ناميده می‌شود و آنچه سبب پخش شدن آب بر روی شيشه می‌شود، نوعی نيروی ربايش بين مولکول‌های آب و شيشه است که به آن نيروی چسبندگی سطحی گفته می‌شود. در اين مثال نيروی ربايش بين مولکول‌های آب-آب کمتر از آب-شيشه است و اين باعث پخش شدن آب بر روی شيشه می‌شود. حالا اگر روی همين شيشه مقداری روغن بماليد (اين کار شما شکل ساده‌ای از لايه نشانی است که البته نانومتری نيست)، قطرات آب به شکل کروی‌تری بر روی شيشه قرار می‌گيرند و مانند قبل پخش نمی‌شوند. شما با ماليدن روغن بر روی شيشه نيروی ربايش بين مولکول‌های آب-شيشه را کم کرده‌ايد و ناخود آگاه باعث شده‌ايد که نسبت نيروی بين مولکول‌های آب-آب به مولکول‌های آب-شيشه بيشتر شود. این امر سبب شده که آب به صورت قطره‌ای بر روی سطح قرار گيرد. در اين حالت می‌گوییم سطح شیشه اول، آب‌دوست و سطح شيشه روغنی دوم آب‌گريز است. برای تشخيص آب‌دوستی يا آب‌گريزی يک سطح، می‌توانيم زاويه برخورد قطره آب با آن سطح را محاسبه کنيم. اگر زاويه تماس کمتر از 30 درجه باشد، سطح آب‌دوست و اگر زاويه تماس مساوی و بيشتر از 90 درجه باشد، سطح آب‌گريز است. البته اگر زاويه تماس بيشتر از 150 درجه باشد، می‌گوییم سطح ابر آب‌گريز (بسيار آب‌گريز) است (شکل 1). حالا به نظر شما اين حرف‌ها چه ارتباطی با خودتميزشوندگی دارد؟ جواب اين سوال بستگی به نوع شيشه دارد. اگر موافق باشيد ابتدا شيشه‌های خودتميزشونده آب‌گريز را بررسی می‌کنيم.
الف- 1- شيشه‌های خودتميزشونده آب‌گريز
ايده طراحی اين نوع شيشه‌ها از برگ نيلوفر آبی گرفته شده است. نيلوفر آبی (يا لوتوس) نوعی گياه آبزی است که در آب گل‌آلود می‌رويد. اگر به تالاب انزلی سفر کرده باشيد، برگ‌های اين گياه را بر فراز آب گل‌آلود تالاب ديده‌ايد. برگ‌های نيلوفر آبی معمولا عاری از هرگونه آلودگی هستند و اگر هم آلودگی بر روی سطح اين برگ‌ها بنشيند، با بارش باران سريع تميز شده و از پاکيزگی می‌درخشند. ازاين‌رو گفته می‌شود که برگ‌های نيلوفر آبی خودتميزشونده هستند.
شکل (2)- برگ‌های نيلوفر آبی بر فراز تالاب انزلیدانشمندان مدت‌های طولانی بررسی کردند تا توانستند راز پاکيزگی برگ‌های اين گياه را پيدا کنند. آزمايش‌های آنها نشان می‌داد که سطح برگ نيلوفر آبی، يک سطح بسيار آب‌گريز است. اين مسئله باعث می‌شود که نيروی چسبندگی سطحی بين آب و آلودگی بيشتر از نيروی چسبندگی سطحی ميان آلودگی و سطح باشد. از اين‌رو هنگامی‌که يک قطره آب بر روی سطح برگ می‌غلتد، آلودگی را همراه خود حمل کرده و از سطح دور می‌کند (شکل 3). شايد اکنون اين سوال برايتان به‌وجود آمده باشد که چرا سطح برگ نيلوفر آبی تا اين حد آب‌گريز است و اين مسئله چه ارتباطی به فناوری نانو دارد؟
شکل (3)- نيلوفر آبی چگونه کار می‌کند؟
برای يافتن پاسخ اين سوال بايد نگاه دقيقی به سطح برگ نيلوفر داشته باشيم. راستش لازم است که بتوانيم تا اندازه چند نانومتر سطح برگ را به خوبی ببینیم. دانشمندان موفق شده‌اند با کمک ميکروسکوپ‌های الکترونی اين کار را انجام دهند و نتيجه مشاهدات خود را در شکل (4-الف) به ما نشان داده‌اند. آنها دريافته‌اند که سطح برگ نيلوفر پوشيده از برآمدگی‌های ميکرومتری است. اين برآمدگی‌ها سطح تماس قطره آب با برگ را کاهش می‌دهند و در نتيجه قطره نمی‌تواند به راحتی بر روی سطح پخش شود. برای اينکه اين موضوع را بهتر متوجه شويم، فرض کنيم که سطح برگ مانند يک صفحه چوبی بزرگ است و من و شما مانند قطراتی هستيم که روی برگ قرار دارند. در حالت عادی ما می‌توانيم به آسانی روی اين صفحه چوبی دراز بکشيم، اما اگر سطح صفحه را با تعداد زيادی ميخ بپوشانند، آیا باز هم می‌توانيم به همان راحتی روی آن بخوابيم يا ترجيح می‌دهیم به سرعت از روی آن عبور کنيم !؟ در کدام حالت سطح تماس بدن ما با صفحه چوبی بيشتر است ؟ وجود برآمدگی‌ها ميکرومتری سطح تماس و نيروی چسبندگی سطحی ميان قطره آب و برگ نيلوفر را کاهش می‌دهد.وجود برآمدگی‌های ميکرومتری سطح برگ را آب‌گريز می‌کند، اما در عمل، برگ نيلوفر از خود خاصيت ابرآب‌گريزی نشان می‌دهد. يعنی زاويه تماس بين قطره آب و سطح برگ بيش از 150 درجه است. علت اين مسئله برآمدگی‌های نانومتری است که بر برآمدگی‌های ميکرومتری قرار گرفته‌اند (شکل 4). با وجود اين برآمدگی‌ها، سطح تماس آب و برگ کاهش بيشتری می‌يابد. اين دو نوع برآمدگی در مجموع سطح بسيار زبر و ناصافی را برای برگ نيلوفر بوجود آورده‌اند و در نتيجه سبب آب‌گريزی شديد آن شده‌اند. به اين رفتار خودتميزشوندگی نيلوفر آبی که ناشی از ساختار ميکرومتری-نانومتری آن است، "اثر لوتوس" گفته می‌شود.
دسته‌ی اول شيشه‌های خود تميزشونده با الگوبرداری از "اثر لوتوس" ساخته شده‌اند. در اين نوع شيشه‌ها پوشش نازکی بر سطح شيشه قرار می‌گيرد که ناصافی‌های ميکرومتری و نانومتری آن، موجب کاهش نيروی چسبندگی سطحی ميان قطرات آب و سطح شيشه می‌شود. به عبارت ديگر در اين نوع شيشه‌ها قابليت خودتميزشوندگی، با افزايش خاصيت آب‌گريزی ايجاد می‌شود. با افزايش ساخت و توليد اين نوع شيشه‌ها، می‌توان منتظر حذف برف پاک‌کن از بدنه اتومبيل‌ها بود.
الف-2- شيشه‌های خودتميزشونده آب‌دوست
شيشه‌ها دسته دوم رفتار و عملکرد متفاوتی از شيشه‌های دسته اول دارند. برای فهم چگونگی کارکرد اين شيشه‌ها لازم است که با نوع خاصی از مواد شيميايي به نام "مواد فوتوکاتاليست" آشنا شويم. فوتوکاتاليست‌ها موادی هستند که در حضور نور (فوتو) از خود خاصيت کاتاليستی نشان می‌دهند. يعنی اگر اين مواد در معرض تابش نور قرار گيرند، می‌توانند سرعت انجام يک واکنش خاص را بدون دخالت در آن افزايش دهند. يکی از اين مواد دی‌اکسيد تيتانيوم است. هنگامی‌که دی‌اکسيد تيتانيوم در معرض تابش اشعه ماورای بنفش، که در نور خورشيد وجود دارد، قرار می‌گيرد تغييراتی در ساختار آن به وجود می‌آيد که آنرا به ماده‌ای بسيار فعال و بسيار آب‌دوست تبديل می‌کند. اگر اندازه ذرات دی‌اکسيد تيتانيوم تا حد چند نانومتر کوچک باشد، اين ماده آن‌قدر فعال می‌شود که می‌تواند به طور کامل با آلودگی‌ها، لکه‌های چربی و مواد آلی (که در دیواره سلولی باکتری‌ها هم وجود دارند) روی شيشه واکنش داده و آنها را به آب و دی اکسيد کربن (CO2) تبديل کند. اين واکنش، چسبندگی ذرات آلودگی را به سطح کاهش می‌دهد. از سوی ديگر بر روی يک سطح بسيار آب‌دوست، آب به طور کامل و به صورت يک لايه پخش می‌شود. اين لايه يکنواخت آبی می‌تواند ذرات و آلودگی‌هايي را که به‌طور ضعيفی به سطح متصل شده‌اند، از جا کنده و با خود پايين آورد
شيشه ماده شفافی است که من و شما به خوبی آنرا می‌شناسيم و هرجا و در هر شرايطی که زندگی کنيم، برای تامين نور طبيعی ساختمان‌‌ها از آن استفاده می‌کنيم. انواع و اقسام آنرا ديده‌ايم و می‌دانيم که يک جسم شيشه‌ای بسته به رنگ و صخامتی که دارد، در برابر نور رفتار متفاوتی نشان می‌دهد. شيشه‌های معمولی بيش‌ترِ نور تابيده شده را عبور می‌دهند، بخشی از آنرا هم منعکس میکنند (مانند زمانی که آينه گونه عمل میکنند و شما تصوير آدم‌ها يا محيط اطراف را بر روی آن می‌بينيد) و مقدار کمی را هم جذب می‌نمايند. اما معمولا عايق‌های حرارتی خوبی نيستند. در زمستان گرما داخل خانه را هدر می‌دهند و در تابستان خنکی مطبوع آنرا. آلودگی را هم به سرعت به خود جذب میکنند، با بارش چند قطره باران و يا حتی با کوچکترين تماس دستی آلوده می‌شوند. اين مسئله شايد برای شيشه‌های پنجره يک خانه مسکونی چند طبقه اهميت چندانی نداشته باشد، اما برای ساختمان‌های بلند مسئله قابل توجهی می‌شود.
الف- شيشه‌های خودتميزشونده
نام اين شيشه‌ها شايد تا حدودی عملکرد آنها را نشان دهد. شيشه‌هايي که آلودگی چندانی را به خود نمی‌گيرند و با بارش باران و يا تابش آفتاب کاملا تميز می‌شوند. شيشه‌های خودتميزشونده به دو روش سطح خود را از آلودگی پاک میکنند. ما در اينجا برای اينکه بهتر بتوانيم اين دو دسته را از هم تشخيص دهيم، آنها را به دو دسته آب‌دوست و آب‌گريز تقسيم‌بندی می‌کنيم. اما پيش از آنکه به نحوه عملکرد هر يک بپردازيم لازم است اطلاعاتمان را در مورد آب‌دوستی و آب‌گريزی با هم مرور کنيم.
فرض کنيد که کنار يک شیر آب ايستاده‌ايد و شاهد چکيدن آرام آرام قطرات آب بر روی يک صفحه شيشه‌ای هستيد. قطره آب پس از جدا شدن از شير تا رسيدن به صفحه شيشه‌ای به‌صورت قطره باقی می‌ماند. اما با برخورد به سطح شيشه حالت قطره‌ای خود را از دست داده و بر روی سطح پهن می‌شود. در کتاب فيزيک خوانده‌ايم که آنچه باعث قطره‌ای ماندن آب در هوا می‌شود، نوعی نيروي ربايش بين مولکول‌های آب است که نيروی چسبندگی ناميده می‌شود و آنچه سبب پخش شدن آب بر روی شيشه می‌شود، نوعی نيروی ربايش بين مولکول‌های آب و شيشه است که به آن نيروی چسبندگی سطحی گفته می‌شود. در اين مثال نيروی ربايش بين مولکول‌های آب-آب کمتر از آب-شيشه است و اين باعث پخش شدن آب بر روی شيشه می‌شود. حالا اگر روی همين شيشه مقداری روغن بماليد (اين کار شما شکل ساده‌ای از لايه نشانی است که البته نانومتری نيست)، قطرات آب به شکل کروی‌تری بر روی شيشه قرار می‌گيرند و مانند قبل پخش نمی‌شوند. شما با ماليدن روغن بر روی شيشه نيروی ربايش بين مولکول‌های آب-شيشه را کم کرده‌ايد و ناخود آگاه باعث شده‌ايد که نسبت نيروی بين مولکول‌های آب-آب به مولکول‌های آب-شيشه بيشتر شود. این امر سبب شده که آب به صورت قطره‌ای بر روی سطح قرار گيرد. در اين حالت می‌گوییم سطح شیشه اول، آب‌دوست و سطح شيشه روغنی دوم آب‌گريز است. برای تشخيص آب‌دوستی يا آب‌گريزی يک سطح، می‌توانيم زاويه برخورد قطره آب با آن سطح را محاسبه کنيم. اگر زاويه تماس کمتر از 30 درجه باشد، سطح آب‌دوست و اگر زاويه تماس مساوی و بيشتر از 90 درجه باشد، سطح آب‌گريز است. البته اگر زاويه تماس بيشتر از 150 درجه باشد، می‌گوییم سطح ابر آب‌گريز (بسيار آب‌گريز) است (شکل 1). حالا به نظر شما اين حرف‌ها چه ارتباطی با خودتميزشوندگی دارد؟ جواب اين سوال بستگی به نوع شيشه دارد. اگر موافق باشيد ابتدا شيشه‌های خودتميزشونده آب‌گريز را بررسی می‌کنيم.
الف- 1- شيشه‌های خودتميزشونده آب‌گريز
ايده طراحی اين نوع شيشه‌ها از برگ نيلوفر آبی گرفته شده است. نيلوفر آبی (يا لوتوس) نوعی گياه آبزی است که در آب گل‌آلود می‌رويد. اگر به تالاب انزلی سفر کرده باشيد، برگ‌های اين گياه را بر فراز آب گل‌آلود تالاب ديده‌ايد. برگ‌های نيلوفر آبی معمولا عاری از هرگونه آلودگی هستند و اگر هم آلودگی بر روی سطح اين برگ‌ها بنشيند، با بارش باران سريع تميز شده و از پاکيزگی می‌درخشند. ازاين‌رو گفته می‌شود که برگ‌های نيلوفر آبی خودتميزشونده هستند.
شکل (2)- برگ‌های نيلوفر آبی بر فراز تالاب انزلی
شکل (3)- نيلوفر آبی چگونه کار می‌کند؟
دسته‌ی اول شيشه‌های خود تميزشونده با الگوبرداری از "اثر لوتوس" ساخته شده‌اند. در اين نوع شيشه‌ها پوشش نازکی بر سطح شيشه قرار می‌گيرد که ناصافی‌های ميکرومتری و نانومتری آن، موجب کاهش نيروی چسبندگی سطحی ميان قطرات آب و سطح شيشه می‌شود. به عبارت ديگر در اين نوع شيشه‌ها قابليت خودتميزشوندگی، با افزايش خاصيت آب‌گريزی ايجاد می‌شود. با افزايش ساخت و توليد اين نوع شيشه‌ها، می‌توان منتظر حذف برف پاک‌کن از بدنه اتومبيل‌ها بود.
الف-2- شيشه‌های خودتميزشونده آب‌دوست
شيشه‌ها دسته دوم رفتار و عملکرد متفاوتی از شيشه‌های دسته اول دارند. برای فهم چگونگی کارکرد اين شيشه‌ها لازم است که با نوع خاصی از مواد شيميايي به نام "مواد فوتوکاتاليست" آشنا شويم. فوتوکاتاليست‌ها موادی هستند که در حضور نور (فوتو) از خود خاصيت کاتاليستی نشان می‌دهند. يعنی اگر اين مواد در معرض تابش نور قرار گيرند، می‌توانند سرعت انجام يک واکنش خاص را بدون دخالت در آن افزايش دهند. يکی از اين مواد دی‌اکسيد تيتانيوم است. هنگامی‌که دی‌اکسيد تيتانيوم در معرض تابش اشعه ماورای بنفش، که در نور خورشيد وجود دارد، قرار می‌گيرد تغييراتی در ساختار آن به وجود می‌آيد که آنرا به ماده‌ای بسيار فعال و بسيار آب‌دوست تبديل می‌کند. اگر اندازه ذرات دی‌اکسيد تيتانيوم تا حد چند نانومتر کوچک باشد، اين ماده آن‌قدر فعال می‌شود که می‌تواند به طور کامل با آلودگی‌ها، لکه‌های چربی و مواد آلی (که در دیواره سلولی باکتری‌ها هم وجود دارند) روی شيشه واکنش داده و آنها را به آب و دی اکسيد کربن (CO2) تبديل کند. اين واکنش، چسبندگی ذرات آلودگی را به سطح کاهش می‌دهد. از سوی ديگر بر روی يک سطح بسيار آب‌دوست، آب به طور کامل و به صورت يک لايه پخش می‌شود. اين لايه يکنواخت آبی می‌تواند ذرات و آلودگی‌هايي را که به‌طور ضعيفی به سطح متصل شده‌اند، از جا کنده و با خود پايين آورد
