ظهور مواد جدید که قابلیتهایی غیر از قابلیت اصلی خود دارند، اتفاق جدیدي در دنیاي امروز نیست و محصولات کاربردي با خواص بهبود یافته دائما در حال عرضه به بازار هستند. صنعت رنگ و پوشش نیز از این قاعده مستثنی نبوده و محصولات متنوعی را روانه بازار نموده است که به دلیل جذابیتهاي خود با استقبال رو به رو شده اند. پوششهاي خودتمیزشونده، آنتی باکتریال و تصفیه کننده هوا، پوششهاي پیشرفته اي هستند که با توجه به خواص کاربردي و جذابیتهاي خود در سالهاي اخیر با استقبال بسیاري رو به رو شده اند و محققان در سراسر جهان براي کشف، اختراع و توسعه این پوششها در تلاش هستند. مكانیزم عملكرد این پوششها عمدتا از طبیعت الهام گرفته شده است.
پوششهای خودتميزشونده
بسیاري از فناوريهاي حال حاضر دنیا از طبیعت برگرفته شده اند که فناوري خودتمیزشوندگی نیز یكی از این فناوري ها است. بسیاري از سطوح طبیعی مانند بال پروانه ها و برگهاي گیاهانی مانند کلم و نیلوفر از خود خواص تمیزشوندگی نشان میدهند. اولین نمونه از سطوح خودتمیزشونده در سال 1995 با ایجاد یک فیلم تیتانیوم دي اکسید شفاف براي پوشش دهی شیشه تولید شد و اولین بار در سال 2001 تحت عنوان Pilkington Activ توسط شرکت تولید شیشه Pilkington به صورت تجاري مورد استفاده قرار گرفت. پس از تولید شیشه خودتمیزشونده، تیتانیوم دي اکسید براي تولید نانوذرات خودتمیزشونده مورد استفاده قرار گرفت تا به کمک آن بتوان سطوح خودتمیزشونده دیگر نظیر پنلهاي خورشیدي، سیمان و انواع منسوجات را تولید کرد. از دیگر نانو ذرات به کار رفته در تولید پوششهاي خودتمیزشونده میتوان به سیلیكون دي اکسید نیز اشاره کرد. در حال حاضر محققین بسیاري در اقصی نقاط جهان مشغول کشف، اختراع و توسعه پوششهاي خودتمیزشونده با بازده و ماندگاري بالا و همچنین خواص نوري مناسب هستند. در کنار کاربرد گسترده، این فناوري مزایاي بسیاري از قبیل کاهش هزینه هاي نگهداري، حذف کار و تلاشهاي خسته کننده فیزیكی و همچنین کاهش زمان اختصاص داده شده به تمیزکاري سطوح را نیز به دنبال دارد که جذابیتهاي بیشتري را به آن بخشیده است.
سطوح خودتمیزشونده در زمینه هاي مختلفی کاربرد دارند که از آن جمله میتوان به صنعت نساجی )پارچه هاي خودتمیزشونده(، صنعت اتومبیل سازي )شیشه هاي خودتمیزشونده، بدنه ماشین و آیینه ها(، صنایع نوري )دوربینها، سنسورها، لنزها، تلسكوپها(، صنعت کشتی سازي )پوششهاي ضدخزه( و صنعت هواپیماسازي)سطوح غیرچسبنده( اشاره کرد. پوششهاي خودتمیزشونده میتوانند به عنوان پنجره ها، رنگها و صفحات خورشیدي نیز مورد استفاده قرار بگیرند و هم اکنون محصولات خودتمیزشونده بسیاري به صورت تجاري در بازار وجود دارند.
توانایی یک سطح براي تمیز کردن معمولا به آبگریز یا آبدوست بودن سطح بستگی دارد. آب، چه براي تمیزکردن مواد محلول در آب و چه براي تمیزکردن مواد آلی از سطح، نقش مهمی در روند خودتمیزشوندگی دارد. زاویه تماس آب روي سطح یک ویژگی مهم است که به تعیین توانایی یک سطح براي خودتمیزشوندگی کمک میکند. این زاویه تحت تاثیر زبري سطح قرار دارد و مدلهاي مختلفی براي توصیف چسبندگی یا ترشوندگی یک سطح خودتمیزشونده طراحی شده اند که عبارتند از:
مدل یانگ: این مدل زاویه تماس یک قطره آب در سطح صاف را به انرژي سطحي آب، سطح و هواي اطراف نشان ميدهد. این مدل عموما حالت ساده سازي شده یک قطره آب روي یک سطح ایده آل صاف است و به طور معمول از این مدل براي توضيح فرآیند خودتميزشونده برگهاي نيلوفرآبي استفاده ميشود.
مدل ونزل: هنگامي که یک قطره آب روي سطح غير مسطح باشد و ویژگيهاي توپوگرافي سطح منجر به ایجاد یک سطح وسيعتر از یک سطح کاملا صاف بشود، مدل ونزل ميتواند پيش بيني دقيقتري از ترشوندگي سطح ارائه دهد.
مدل کسي-بکستر: این مدل شرایطي را درنظر ميگيرد که یک قطره آب ميتواند هوا را بين خود و سطحي که روي آن قرار دارد محبوس کند. بنابراین براي سامانه هاي پيچيده تر که بيانگر برهمکنش سطح آب در طبيعت هستند، مدل کسي- بکستر مورد استفاده قرار ميگيرد.
به طور کلی اگر زاویه تماس کمتر از 90 درجه باشد، سطح آبدوست و اگر بیش از 90 درجه باشد سطح آبگریز خوانده میشود. سطوح تماس با زاویه تماس نزدیک به صفر را فوق آبدوست و سطوح داراي زاویه تماس بیشتر از 150 درجه را فوق آبگریز مینامند. امروزه استفاده از فناوري نانو و بروز خواص متفاوت در ابعاد نانومتري، دستیابی به سطوح فوق آبگریز و فوق آبدوست را ممكن کرده است. سطوح خودتمیزشونده به طور کلی به دو دسته سطوح خودتمیزشونده آبدوست و سطوح خودتمیزشونده آبگریز تقسیم میشوند که البته هر دو دسته به کمک آب خود را تمیز میکنند. در پوششهاي آبدوست آب به صورت ورقه اي در سطح گسترده میشود و به این ترتیب میتواند چرک و سایر آلودگیها را با خود حمل کرده و از بین ببرد. در سطوح آبگریز قطرات آب روي سطح سر میخورند و آن را تمیز میکنند. اگر از اکسیدهاي فلزي مناسب استفاده شود، سطوح خودتمیزشونده آبدوست میتوانند با کمک نور خورشید ساختار شیمیایی آلودگیها را از بین ببرند. اگرچه سطوح آبگریز این توانایی را ندارند، اما به علت در دسترس بودن فناوريهاي موجود، آنچه امروزه به عنوان سطوح خودتمیزشونده کاربرد بیشتري دارد، سطوح آبگریز است. در ادامه ساز و کار سطوح آبگریز و آبدوست بیشتر بررسی شده است.
سازوکار پوشش خودتميزشونده آبگريز
پاک بودن برگ نیلوفر آبی در مردابها و عدم وجود آلودگی روي آن نظر دانشمندان را به خود جلب کرد و در دهه 1960 ، مطالعات انجام شده با میكروسكوپ الكترونی روبشی نشان داد سطوحی که از نظر ماکروسكوپی کاملا صاف به نظر میرسند در مقیاس میكروسكوپی زبر هستند. زمانی که یک سطح بافتی در مقیاس میكرومتر یا نانومتر داشته باشد، فصل مشترک بین هوا و آب در یک قطره که بر روي سطح قرار گرفته است افزایش پیدا میکند و نیروي مویینگی بین قطره و سطح شدیدا کم میشود و قطره شكل کروي به خود میگیرد. ذرات آلودگی به این قطرات چسبیده و به کمک نیروي جاذبه بهراحتی از روي سطح سر خورده و برداشته میشوند. با این که سطوح فوق آبگریز براي از بین بردن هرگونه آلودگی بر پایه آب و محلول در آب عالی هستند، این سطوح احتمالا قادر به تمیز کردن سایر انواع آلودگی مانند روغن نخواهند بود.
پژوهشگران زیادي تلاش کرده اند تا با تولید سطوحی با سطح انرژي بسیار کم و داراي قابلیت کنترل مورفولوژي سطح در مقیاس میكرو و نانو، به یک سطح فوق آبگریز دست یابند. تحقیقات نشان میدهد که ایجاد زاویه تماس بیشتر از 120 درجه بر روي یک سطح صاف فقط با اتكا به ساختار شیمیایی آبگریز آن سطح، بدون هیچ بافتی در ابعاد نانو یا میكرو، تقریباً ناممكن است و براي ایجاد سطوح فوق آبگریز باید زبري سطح و ساختار شیمیایی آبگریز همزمان وجود داشته باشند. زاویه تماس آب در سطوح با انرژي کم بهشدت با افزایش تخلخل و زبري سطح افزایش پیدا میکند که اثر زبري سطح را میتوان با کمک معادله ونزل بیان کرد. روشهاي مورد استفاده براي تولید سطوح آبگریز و ابرآبگریز را میتوان به دو دسته کلی تقسیم کرد:
- ساخت یک سطح زبر از یک ماده با انرژي سطحي پایين: در این روش سطوحي که آبگریز هستند با تغيير در مورفولوژي سطح آنها، به سطوح ابرآبگریز تبدیل ميشوند .
- اصلاح یک سطح زبر با یک ماده با انرژي سطحي پایين: در این روش پوششهاي نازکي از مواد با انرژي سطحي پایين به روشهاي مختلف بر روي سطوحي که زبر هستند ایجاد ميشود .
معمولاً براي ایجاد چنین سطوحی از تلفیق دو روش بالا استفاده میشود. از متداولترین روشهاي مورد استفاده براي ایجاد سطوح ابرآبگریز میتوان به اچ پلاسمایی یا یونی، رشد بلور روي سطح مواد و نانولیتوگرافی اشاره کرد.
سازوکار پوشش خودتميزشونده آبدوست
در سطوح خودتمیزشونده فوق آبدوست، آب میتواند تا حد زیادي روي سطح پخش شود )زاویه تماس بسیار کم آب( و با حایل شدن بین آلودگی و سطح، آلودگی را شسته و سطح را تمیز کند. سطوح خودتمیزشونده فوق آبدوست میتوانند همراه با اکسیدهاي فلزي مناسب و در مجاورت نور خورشید، ساختار آلودگی ها را نیز بشكنند که امكان تمیز کردن انواع مختلفی از گرد و غبار یا آلودگی را به سطح میدهد. در طول این فرایند که فوتوکاتالیز نام دارد، ساختار شیمیایی آلودگی هاي ارگانیک و سایر ناخالصیها که بر روي پوشش قرار دارد به وسیله جذب نور خورشید شكسته میشود و خاصیت آبدوستی سطح باعث میشود با کاهش زاویه تماسی، صفحاتی از آب بر روي سطح ایجاد شود که آلودگیها را از بین میبرد. منبع الهام این فناوري فوتوسنتز برگ سبز گیاهان است.
یكی از رایجترین محصولات خودتمیزکننده، تیتانیوم دي اکسید است که از یک فرآیند منحصر به فرد که ترکیبی از یک فرآیند فوتوکاتالیستی اولیه و سپس ایجاد فوق آبدوستی است، براي خودتمیزشوندگی استفاده میکند. پوشش تیتانیوم دي اکسید که معمولا در پنجره هاي شیشه اي استفاده میشود، در معرض نور UV الكترونهاي آزاد ایجاد میکند که با اکسیژن و آب در هوا برهمکنش داشته و رادیكالهاي آزاد ایجاد میکنند. این رادیكالهاي آزاد به تجزیه هر ماده آلاینده آلی در سطح شیشه میپردازند. تیتانیوم دي اکسید، شیشه معمولی نسبتا آبگریز را به یک سطح فوق آبدوست تبدیل میکند. بنابراین، هنگامی که بارندگی اتفاق میافتد، به جاي اینكه آب بر روي سطح پنجره سر خورده و فورا سقوط کند، قطرات باران به سرعت بر روي سطح آبدوست پخش میشوند و آب در سطح پنجره به صورت یک فیلم لایه اي و نه به شكل قطره، حرکت میکند. به این ترتیب آب به عنوان یک طی شیشه پاک کن عمل کرده و به حذف آلودگیهاي سطحی میپردازد. فعالیت فوتوکاتالیزي دي اکسید تیتانیم زمانی که آن را به صورت یک لایه نازک نانوکریستالی مورد استفاده قرار میدهیم افزایش پیدا میکند. چرا که در ابعاد نانو نسبت سطح به حجم افزایش مییابد و امكان ایجاد حفره ها در سطح و تجزیه ترکیب شیمیایی آلودگیها افزایش پیدا میکند. علاوه بر اکسید تیتانیم، مواد دیگري مانند تنگستن تري اکسید، کادمیوم سولفید، زینک اکسید و زیرکونیم دي اکسید نیز به عنوان سطوح خودتمیزشونده کاربرد دارند.
روشهاي مختلفی براي ایجاد سطح خودتمیزشونده وجود دارد که در اکثر آنها با اعمال لایه اي نازک بر روي ماده )نانو پوشش( ویژگیهاي سطح ماده مورد نظر بهبود یافته و خاصیت خودتمیزشوندگی به وجود می آید که عبارتند از:
- روشهاي الگو برداري: این روش شامل استفاده از قالبهایي است که ساختار نانو را به پليمر اعمال ميکنند. این قالبها عمدتا از طبيعت، از جمله برگ نيلوفر آبي الهام گرفته شده اند. از روشهاي مرسوم در این زمينه ميتوان به نانوکستينگ، نانوليتوگرافي و فوتوليتوگرافي اشاره کرد.
- ترسیب شیمیایی: در این روش به طورکلي از فاز مایع یا گاز براي رسوبدهي مواد معدني یا هاليدها بر روي سطح به شکل فيلم نازک استفاده ميشود. و به این ترتيب نانوساختارهاي نازکي بر روي سطح ایجاد ميگردد.
