سطوح خودتمیزشونده؛ مبانی و کاربردها

1. مقدمهبسیاری از فناوری‌هایی که در جهان امروز وجود دارند از طبیعت الهام گرفته‌اند؛ فرایند خودتمیزشوندگی هم یکی از فناوری‌هاست. در طبیعت اطراف ما بسیاری از سطوح، مثل بال پروانه‌ها و برگ گیاهانی مانند نیلوفر آبی، دارای خاصیت خودتمیزشوندگی هستند. به‌علت کاربرد بسیار فراوان سطوح خودتمیزشونده در شیشه پنجره‌ها، صفحات خورشیدی، و صنعت نساجی، این فناوری در قرن بیست و یکم توجه زیادی را به خود جلب کرده است. فناوری خودتمیزشوندگی موجب کاهش هزینه‌های مربوط به نگهداری و مدت‌زمان لازم برای تمیزنگه‌داشتن تجهیزات و همین‌طور سبب افزایش دوام آن‌ها می‌شود. سطوح خودتمیزشونده به‌طور کلی به دو دسته تقسیم می‌شوند: سطوح خودتمیزشونده آبدوست و سطوح خودتمیزشونده آبگریز، که البته هر دو دسته به کمک آب خود را تمیز می‌کنند. در پوشش‌های آبدوست آب در سطح گسترده می‌شود (ورقه‌ای‌شدن (Sheeting) آب)؛ به این ترتیب، می‌تواند چرک و سایر آلودگی‌ها را با خود حمل کند و از بین ببرد. در حالی که در سطوح آبگریز قطرات آب روی سطح سر می‌خورند و آن را تمیز می‌کنند.مزیتی که سطوح خودتمیزشونده آبدوست نسبت به سطوح آبگریز دارند این است که اگر از اکسیدهای فلزی مناسب استفاده شود، به‌کمک نور خورشید، سبب از بین رفتن ساختار شیمیایی آلودگی‌ها می‌شوند [۱]. اما به‌علت در دسترس‌بودن فناوری‌های موجود، آن‌چه امروزه به‌عنوان سطوح خودتمیزشونده کاربرد بیشتری دارد، سطوح آبگریز است [۲]. در این مقاله به معرفی دو نوع سطح خودتمیزشونده، سازوکار عملکرد آن‌ها، کاربرد این سطوح در صنعت، و مثال‌هایی از پوشش‌های خودتمیزشونده می‌پردازیم.2. اثر خودتمیزشوندگیپدیده خودتمیزشوندگی به زاویه تماس بستگی دارد. زاویه تماس در فصل مشترک سه فاز جامد و مایع و گاز در محل تماس قطره مایع با سطح جامد تشکیل می‌شود. به‌طور کلی، اگر زاویه تماس کمتر از ۹۰ درجه باشد، سطح را آبدوست می‌گویند، در حالی که اگر این زاویه بیشتر از ۹۰ درجه باشد، سطح را آبگریز می‌نامند.سطوح با زاویه تماس نزدیک به صفر درجه ابرآبدوست و سطوح با زاویه تماس بیشتر از ۱۵۰ درجه ابرآبگریز نام دارند. سطوح آبگریز دارای انرژی سطحی بسیار پایین هستند، در حالی که انرژی سطحی سطوح آبدوست بسیار بالاست [۳]. استفاده از فناوری نانو و بروز خواص متفاوت در ابعاد نانومتری دستیابی به سطوح ابرآبگریز و ابرآبدوست را ممکن کرده است. در ادامه به این موضوع پرداخته می‌شود.3. سطوح آبدوست و ابرآبدوستبرخلاف سطوح آبگریز و ابرآبگریز که فقط از سازوکار جریان قطرات آب برای اثر خودتمیزشوندگی استفاده می‌کنند، سطوح آبدوست ساختار شیمیایی آلودگی‌ها را در مجاورت نور خورشید از بین می‌برند. این فرایند فوتوکاتالیز (photocatalysis) نام دارد. این فناوری اساساً از فوتوسنتز برگ سبز درختان الهام گرفته شده است. یکی از موادی که کاربرد زیادی به‌عنوان سطوح خودتمیزشونده آبدوست دارد دی‌اکسید تیتانیم ‌است. در سال ۲۰۰۱، شیشه‌های پیلکینگتون (Pilkington Glass) اولین دسته از پوشش‌های خودتمیزشونده بودند که به‌صورت تجاری مورد استفاده قرار گرفتند؛ این شیشه‌ها از لایه نازک و شفاف دی‌اکسید تیتانیم‌ساخته شده بودند. دی‌اکسید تیتانیم ‌شیشه‌ها را از طریق دو سازوکار مجزا، فوتوکاتالیز و آبدوستی، پاک می‌کند.در طول فرایند فوتوکاتالیز، ساختار شیمیایی آلودگی‌های ارگانیک و سایر ناخالصی‌ها که بر روی پوشش قرار دارد به‌وسیله جذب نور خورشید شکسته می‌شود. خاصیت آبدوستی سطح نیز باعث می‌شود با کاهش زاویه تماسی، صفحاتی از آب بر روی سطح ایجاد شود که آلودگی‌ها را از بین می‌برد. در شرایط عادی دی‌اکسید تیتانیم نوری را جذب می‌کند که دارای انرژی برابر یا بیشتر از گاف انرژی آن است؛ از این رو، این انرژی باعث ایجاد حامل‌های بار می‌شود: حفره‌هایی با بار مثبت (⁺h) و الکترون‌هایی با بار منفی (^-e) تعداد کمی از این حامل‌های بار ایجادشده به سطح مهاجرت می‌کنند. در روی سطح، حفره‌ها باعث اکسیدشدن مولکول‌های آلی می‌شوند، در حالی که الکترون‌ها با اکسیژن جو ترکیب شده و رادیکال‌های سوپراکسید ایجاد می‌کنند. این رادیکال‌ها به مولکول‌های آلی موجود در اطراف خود حمله کرده و به این ترتیب، آلودگی‌ها را در دمای اتاق به آب و کربن دی‌اکسید تبدیل می‌کنند [۴]. البته اکسید تیتانیم در ناحیه مرئی چندان فعال نیست و فقط قادر به جذب ۴ درصد نور خورشید است. اکسید تیتانیم معمولاً خواص ابرآبدوستی را تحت نور ماورای بنفش از خود نشان می‌دهد. با افزودن فلزاتی مانند کروم، منگنز، کبالت، و آهن به نانوذرات دی‌اکسید تیتانیم، توانستند فرایند تخریب فوتوکاتالیستی رنگدانه‌ها را به‌کمک این نانوذرات در شرایط نور مرئی انجام دهند [۵].زمانی که پلی‌کریستال‌های اکسید تیتانیم با کبالت دپ می‌شود، به‌علت بین‌نشینی یون‌های کبالت در شبکه اکسید تیتانیم و ایجاد پیوندهای جدید، گاف انرژی در اکسید تیتانیم کاهش پیدا می‌کند؛ الکترون‌ها در شبکه این کریستال می‌توانند با جذب نور در ناحیه مرئی به باند رسانایی منتقل شوند و فعالیت فوتوکاتالیستی در اکسید تیتانیم انجام بگیرد، در حالی که افزودن کروم به ساختار اکسید تیتانیم می‌تواند منجر به کاهش لبه جذب نوری و افزایش جذب در منطقه مرئی شود [۶] .ابرآبدوست‌بودن دی‌اکسید تیتانیم نیز از طریق نور خورشید به آن القا می‌شود. حفره‌هایی که در پی تحریک نوری در دی‌اکسید تیتانیم ایجاد می‌شود از اکسیژن موجود در سطح ماده الکترون می‌گیرند و باعث اکسایش آن می‌شوند. بنابراین، رادیکال آزاد اکسیژن روی سطح ایجاد می‌شود که امکان پیوند با هیدروژن را فراهم می‌کند. با ایجاد پیوند بین رادیکال‌های اکسیژن و هیدروژن، گروه‌های هیدروکسیدی روی سطح ایجاد می‌شود که زاویه تماس را کاهش می‌دهند [۴].فعالیت فوتوکاتالیزی دی‌اکسید تیتانیم زمانی که آن را به‌صورت یک لایه نازک نانوکریستالی مورد استفاده قرار می‌دهیم افزایش پیدا می‌کند. علاوه ‌بر اکسید تیتانیم، مواد دیگری مانند WO₃،CdS ، ZnO و ZrO₂ نیز به‌عنوان سطوح خودتمیزشونده کاربرد دارند. از آن‌جا که خواص سطح ماده با درون آن متفاوت است - چون اتم‌ها و مولکول‌هایی که در مجاورت سطح ماده قرار می‌گیرند ‏نسبت به اتم‌های درون ماده پیوندهای کمتری دارند و به تعبیر ترمودینامیکی، ناپایدارتر هستند - این ‏ناپایداری موجب افزایش انرژی ماده می‌شود. به‌علاوه، ترازهای انرژی در سطح به‌صورت مجزا هستند، در حالی که درون ماده این ترازها به هم فشرده می‌شوند و ساختار نواری ‏انرژی ایجاد می‌کنند. در ابعاد نانو نسبت سطح به حجم افزایش می‌یابد و امکان ایجاد حفره‌ها در سطح و تجزیه ترکیب شیمیایی آلودگی‌ها افزایش پیدا می‌کند. به‌همین دلیل، معمولاً از نانوذرات اکسید تیتانیم به‌عنوان سطوح ابرآبدوست استفاده می‌شود. با کاهش ابعاد ذرات، درصد فعالیت فوتوکاتالیستی افزایش پیدا می‌کند [۷]4. پوشش‌های آبگریز و ابرآبگریزوارد (Ward) و همکارانش برای اولین بار مشاهده کردند که برگ نیلوفر آبی در مرداب‌ها کاملاً پاک است و هیچ‌گونه آلودگی‌ای در آن مشاهده نمی‌شود [۸]. در دهه ۱۹۶۰، مطالعاتی که به‌وسیله میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) انجام گرفت نشان داد سطوحی که کاملاً از نظر ماکروسکوپی صاف به‌نظر می‌رسند در مقیاس میکروسکوپی زبر هستند [۹-۱۱]. زمانی که یک سطح دارای بافتی در مقیاس میکرومتر یا نانومتر باشد، فصل مشترک بین هوا و آب در یک قطره که بر روی سطح قرار گرفته است افزایش پیدا می‌کند و نیروی موئینگی بین قطره و سطح شدیداً کم می‌شود. بنابراین، قطره آب شکل کروی به خود می‌گیرد و به‌راحتی جریان پیدا می‌کند [۱۲] و ذرات آلودگی و غبار به آن متصل می‌شوند (شکل ۱). 

شکل1. تصویر یک قطره آب بر روی برگ نیلوفر آبی؛ ذرات آلودگی روی قطره آب می‌چسبند و از سطح جدا می‌شوند [۲].

نتایج تحقیقات گوو (guo) و همکارانش بیانگر این بود که دو دسته ریزساختار سطحی در برگ درختان وجود دارد [۱۳].ساختارهای مرتبه‌ای میکرو و نانو (hierarchical): برگ نیلوفر آبی در شکل ۲ دارای ساختار مرتبه‌ای است. برگ این گیاه دارای شیارهایی با اندازه ۳-۱۰ میکرومتر است و ذراتی در اندازه ۱۰۰ نانومتر در سرتاسر شیارها به‌صورت پراکنده قرار گرفته‌اند.ساختارهای ریزخطوط همراستا (Unitary): شکل ۳ تصویر پشت برگ رامی (ramee) است که دارای ساختار همراستا است و در آن فیبرهایی با قطر ۱ تا ۲ میکرومتر در سرتاسر سطح دیده می‌شوند.این یافته‌ها راه را برای توسعه روش‌های تهیه سطح ابرآبگریز با تقلید از سطوح موجود در طبیعت هموار کرد. پژوهشگران زیادی در سراسر دنیا تلاش کرده‌اند سطوحی تولید کنند که هم انرژی سطحی آن‌ها بسیار کم باشد و هم بتوان مورفولوژی سطح را در مقیاس میکرو و نانو کنترل کرد و به این ترتیب، به یک سطح ابرآبگریز دست یافت.تحقیقات نشان می‌دهد که ایجاد زاویه تماس بیشتر از ۱۲۰ درجه بر روی یک سطح صاف فقط با اتکا به ساختار شیمیایی آبگریز آن سطح، بدون هیچ بافتی در ابعاد نانو یا میکرو، تقریباً ناممکن است. بنابراین، برای ایجاد سطوح ابرآبگریز دو جزء زبری سطح و ساختار شیمیایی آبگریز (انرژی سطحی پایین) باید وجود داشته باشند [۱۴]. زاویه تماس آب در سطوح با انرژی کم به‌شدت با افزایش تخلخل و زبری سطح افزایش پیدا می‌‌کند. تاثیر زبری سطح را می‌توان با کمک معادله ونزل بیان کرد. معادله ونزل پیش‌بینی می‌کند که اگر سطح مولکولی آبگریزی زبر باشد، آبگریزی بیشتری را نشان می‌دهد [۱۵]. روش‌های مورد استفاده برای تولید سطوح آبگریز و ابرآبگریز را می‌توان به دو دسته کلی تقسیم کرد:ساخت یک سطح زبر از یک ماده با انرژی سطحی پایین: در این روش سطوحی که آبگریز هستند با تغییر در مورفولوژی سطح آن‌ها، به سطوح ابرآبگریز تبدیل می‌شوند.اصلاح یک سطح زبر با یک ماده با انرژی سطحی پایین: در این روش پوشش‌های نازکی از مواد با انرژی سطحی پایین به روش‌های مختلف بر روی سطوحی که زبر هستند ایجاد می‌شود.معمولاً برای ایجاد چنین سطوحی از تلفیق دو روش بالا استفاده می‌شود. از متداول‌ترین روش‌های مورد استفاده برای ایجاد سطوح ابرآبگریز می‌توان به رسوب‌دهی الکتروشیمیایی (Electrochemical deposition.) [۱۶-۱۸]، لیتوگرافی (Lithography) [۱۹، ۲۰]، خودچینش و روش‌های لایه‌لایه (Self-assembly and layer-by-layer (LBL) methods) [۲۲-۲۶]، الکتروریسی (Electrospinning) [۲۸]، روش‌های سل-ژل و واکنش‌های پلیمری‌کردن (Sol–gel method and polymerization reaction) [۲۹-۳۱] اشاره کرد.5. کاربرد سطوح ابرآبگریزیکی از مهم‌ترین کاربردهای سطوح آبگریز استفاده از آن‌ها به‌عنوان ضدیخ است. در مناطق سردسیر یخ در سطح جامدات رسوب می‌کند و باعث افت خواص مکانیکی سیستم‌های جامد می‌شود. سطوح ابرآبگریز مانع ایجاد یخ بر روی جامدات می‌شوند [۳۲-۳۷]. نتایج تحقیقات نشان می‌دهد که هوا در سطوح سرد باید فرااشباع شود تا جوانه‌زنی بلورهای یخ آغاز گردد. درجه فرااشباع به مقدار انرژی سطحی بستگی دارد که آن هم بر جوانه‌زنی اولیه بلور یخ تاثیر می‌گذارد. سطوح سردی که انرژی کمتری دارند دارای درجه فرااشباع بالاتری برای جوانه‌زنی هستند. لایه‌های نازک آبگریز به‌عنوان سطوح دارای کمترین انرژی سطحی می‌توانند مانع تشکیل یخ بر روی جامدات شوند. خواص چسبندگی و مغناطیسی قطرات آب [۳۸-۴۰]، برهمکنش یک قطره آب و سطح جامد [۴۱، ۴۲]، و دفع قطرات روغنی از جمله زمینه‌های تحقیقاتی در فناوری‌ سطوح ابرآبگریز هستند. 

شکل2. تصویر ساختار مرتبه‌ای برگ نیلوفر آبی [۱]

شکل3. تصویر پشت برگ رامی16 با ساختار همراستا [۱]

6. سطوح خودتمیزشونده در صنعتسطوح خودتمیزشونده در زمینه‌های مختلفی کاربرد دارند. در حال حاضر، این فناوری در صنعت نساجی (پارچه‌های خودتمیزشونده)، صنعت اتومبیل‌سازی (شیشه‌های خودتمیزشونده، بدنه ماشین، و آیینه‌ها)، صنایع نوری (دوربین‌ها، سنسور‌ها، لنزها، تلسکوپ‌ها)، صنعت کشتی‌سازی (پوشش‌های ضدخوردگی)، و صنعت هواپیما‌سازی (سطوح غیرچسبنده) کاربرد فراوانی دارد. پوشش‌های خودتمیزشونده می‌توانند به‌عنوان پنجره‌ها، رنگ‌ها و صفحات خورشیدی نیز مورد استفاده قرار بگیرند. اکنون، محصولات خودتمیزشونده بسیاری به‌صورت تجاری وجود دارند. گروه پیلکینگتون برای اولین بار یک شیشه خودتمیزشونده را تجاری کرده است [۴۳]. شرکت آلمانی لوتوسان (lotusan) رنگ‌های خودتمیزشونده تولید می‌کند [۴۴]. صنعت شیشه کاردینال (cardinal) در اروپا [۴۴]، سنت-گوباین [۴۶]، و صنعت PPG [۴۷] از جمله سایر تولیدکنندگانی هستند که با استفاده از فناوری سطوح خودتمیزشونده به تولید محصول می‌پردازند.7. نتیجه‌گیریفناوری سطوح خودتمیزشونده به‌منظور افزایش دوام، کاهش هزینه‌ها، و کاهش زمان مورد نیاز برای نگهداری از تجهیزات، در حال حاضر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این سطوح به دو دسته ابرآبگریز و ابرآبدوست تقسیم شده‌اند و با سازوکارهای نسبتاً مشابهی، به‌منظور جلوگیری از رسوب آلودگی‌ها، به‌صورت پوششی بر روی سطوح مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. کاربردهای فراوانی که سطوح خودتمیزشونده دارند باعث شده است در زمینه‌های مختلفی مانند صنعت نساجی، صنعت اتوموبیل‌سازی، صنعت هواپیما‌سازی و صنایع نوری از آن‌ها استفاده شود؛ محصولات تجاری زیادی با استفاده از این فناوری به مرحله تولید رسیده‌اند.