فناوری جدید و کارا در آبگریز کردن سطوح اجسام

در تحقیقی که به تازگی در مجله Nature Chemistry منتشر شده است، محققین ساز و کار نوینی ایجاد کرده اند تا قطرات آب به طور کامل با لغزش و عبور (سرازیر شدن) از روی سطوح، جذب آنها نشوند (در واقع مدعی ساخت آب گریز ترین سطح تاریخ شده اند). کشفیات این تحقیق باور های فعلی جامعه علمی درباره اصطکاک میان آب و سطوح جامد را به چالش کشیده و شکل و نگاهی جدید از مطالعه نحوه لغزندگی قطرات مایع بر روی سطح را در مقیاس مولکولی به نمایش می گذارد.

تکنیک تازه ای که در این تحقیق برای آب گریز نمودن سطوح بکار رفته در حیطه های گوناگونی از امور و صنایع مختلف کاربرد دارد. از کاربرد های آن می توان به استفاده از این نوع سطوح در لوله های صنعتی  (انتقال حرارت در جریان لوله ها و پیشگیری از نشتی در نقاط حساس)، صنایع نور و تصویر (جلوگیری از تار شدن لنز دوربین های تصویربرداری در شرایط بارندگی)، صنایع دریایی (آب گریز نمودن قطعات ویژه کشتی ها) و صنایع خودروسازی (کدر نشدن شیشه راننده خودرو به هنگام مِه و پیشگیری از یخ زدگی) اشاره کرد.

در دنیای اطراف ما، آب همواره با سطوح جامد در حال تعامل است. وسایل آشپزی، سامانه های حمل و نقل، ابزار نور و تصویر و صد ها وسیله و فناوری دیگر تحت تاثیر چگونگی تعامل آب با سطوح جامدو چگونگی نفوذ آب به سطوح وسایل و ابزار مذکور شده، هستند

درک فرایند حرکت (دینامیک) قطرات میکروسکوپی مایعات به دانشمندان و مهندسین کمک می کند تا روش هایی تازه برای بهبود عملکرد فناوری هایی که در صنعت و یا در خانه استفاده می شوند پیدا کنند.

موضوع تازه ای که توسط پروفسور رابین راس از دانشگاه Aalto فنلاند در Nature Reviews Chemistry مورد بررسی قرار گرفته سطوح شبه مایع است. این سطوح نوع جدیدی از سطوح آب گریز (دفع کننده قطرات مایع) هستند که نسبت به سطوح آب گریزی که تاکنون مورد استفاده قرار می گرفته اند، مزایای کاربردی فراوانی به همراه دارند.

در سطوح شبه مایع ، لایه های مولکولی نسبت به هم تحرک زیادی دارند اما در عین حال  توسط پیوند کووالانسی به خوبی به بستر خود متصل شده اند. این امر به سطوح جامد ویژگی شبه مایع می دهد تا لایه موردنظری که میان قطرات آب و سطح جامد قرار می گیرد همانند روان کننده عمل کرده و باعث عدم جذب آب و سرازیر شدن آن از سطح شود.

تیمی تحقیقاتی به رهبری پروفسور رابین راس با استفاده از یک محفظه واکنش (به عنوان محل انجام واکنش) که به طور خاص برای این آزمایش طراحی شده موفق به ساخت لایه ای شبه مایع از مولکول ها بر روی سطحی سیلیکونی شدند سطح موردنظر را به شیوه جدید (افزودن لایه ای شبه مایع) آب گریز نمودند . در واقع، لایه  شبه مایع حاصل از این آزمایش از مجموعه ای از مولکول های تک لایه ایِ خود آرا (SAMs) تشکیل شده است.

محقق دکتری و سرنویسنده تحقیق فعلی، ساکاری لِپیکو می گوید: تحقیق ما نخستین تحقیقی است که به صورت مستقیم سراغ ساخت سطوح ناهمگن مولکولی آن هم در سطح نانومتر رفته است.

این تیم تحقیقاتی توانست با تنظیمِ دقیق شرایط دمایی و محتوای آب موجود در واکنش دهنده، به نحوی بسیار دقیق تعیین کند که چه مقدار از سطح سیلیکونی موردنظر تحت پوشش لایه شبه مایع قرار گیرد.

پروفسور رابین راس می گوید: برای من هیجان انگیز است که ما توانستیم با بکارگیری روش اِلیپسومِتری در محفظه واکنش، شاهد رشد لایه شبه  مایع (یا همان مجموعه ای از مولکول های تک لایه خود آرا) با جزئیاتی فوق العاده باشیم.

نتایج آزمایش نشان داد که لغزندگی آب و سرازیر شدن آن از سطح موردنظر زمانی بیشتر می شد که میزانی که لایه شبه  مایعی که سطح را پوشش می داد یا بسیار زیاد یا بسیار کم بود (که در هر دو صورت سطح مذکور در همگن ترین شرایط خود قرار داشت). این یعنی زمانی که پوشش شبه مایع بر روی سطح بسیار کم بود، سطح سیلیکونی عمده بستر تماس با آب را تشکیل می داد و زمانی که این پوشش بسیار زیاد بود، این مجموعه ای از مولکول های تک لایه خود آرا (لایه مایع-مانند) بود که قسمت عمده ای از بستر تماس را شکل می داد و در نتیجه در هر دو حالت شاهد لغزش آب و سرازیر شدن آن از سطح بودیم. آنچه که غیر منطقی بنظر می رسید و باعث تعجب ما شد آن بود که حتی قرارگیری پوشش بسیار کمی از لایه شبه مایع بر روی سطح موردنظر می تواند ویژگی آب گریزی قوی در سطح پدیدار کند.

زمانی که پوشش بسیار کمی از لایه شبه مایع بر روی سطح قرار گیرد، لایه ای از آب بر روی سطح شکل می گیرد که پیش تر تصور می شد عامل افزایش اصطکاک میان آب و سطح و در نتیجه نفوذ آب به سطح باشد. اما ما دریافتیم که این اتفاق نه تنها باعث جذب آب از سوی سطح نمی شود، بلکه باعث می شود آب آزادانه در میان مولکول های تک لایه خود آرا جریان پیدا کند که این جریان باعث لغزش آب و سرازیر شدن آن از سطح می شود. و زمانی که پوشش بسیار زیادی از لایه شبه مایع  بر روی سطح قرار گیرد، آب بر روی لایه شبه مایع مانده، به راحتی لغزیده و با سرازیر شدن خود جذب سطح نمی شود. بنابراین تنها زمانی آب جذب سطح شده و در آن نفوذ می کند که پوشش قرار گرفته بر روی سطح (از جنس لایه شبه مایع) در وضعیت بسیار زیاد و یا بسیار کم نباشد.

ثابت شده است که این روش نوین در آب گریز نمودن سطوح بسیار کارآمد خواهد بود چراکه این تیم تحقیقاتی موفق به ساخت آب گریز ترین سطح تماس با آب و مایعات در کل جهان شده اند. کشفیات این تحقیق نوید ارمغان کاربرد هایی مفید در هر نوع شرایطی که نیاز به سطوح دافع قطرات مایع وجود داشته باشد را می دهد. محققین مدعی شده اند که این کشف می تواند در صد ها نمونه از امور روزمره خانگی یا صنعتی بسیار کاربردی و مفید باشد.

اموری مانند انتقال حرارت در طول لوله ها، جلوگیری از یخ زدگی و پیشگیری از مِه گرفتگی سطوح (مانند شیشه خودرو) از عمده کاربرد های بالقوه این روش از آب گریز نمودن سطوح به شمار می روند. این روش می تواند در شرایطی که نیاز به جا به جایی آرام و حساس قطرات مایع وجود دارد (میکروسیالات) نیز مفید واقع شده و یا منجر به تشکیل سطوح خود تمیزشونده شود (منظور از سطوح خود-تمیزشونده سطوحی است که ضمن آب گریزی می توانند با تشکیل قطرات کروی شکل آب بر روی خود (به هنگام تماس آب با سطح)، منجر به عبور آب از تمام سطح و در نتیجه حذف آلودگی به کمک آب شوند. ساز و کار تازه ای که ما ایجاد شده می تواند باعث افزایش حرکت و لغزش آب (و سرازیر شدن آن) از روی هر نوع سطحی که موردنیاز است شود.

تنها مشکلی که در پوشش خاص لایه شبه مایع وجود دارد آن است که بسیار باریک و نازک می باشد. این امر می تواند این لایه را با یک برخورد فیزیکی به راحتی از هم بپاشاند. البته مطالعه و بررسی این تکنینک جدید در آب گریز نمودن سطوح به گروه تحقیقاتی درک و دانش علمی بنیادی می دهد که بتوانند با استفاده از آن در آینده لایه هایی مقاوم تر ساخته و کاربرد این روش در امور گوناگون را پایا تر کنند.

این تحقیق به کمک منابع و زیر ساخت های ملی OtaNano و توسط گروه The Soft Matter and Wetting در دپارتمان فیزیک کاربردی که تاکنون مواد آب گریز نوین بسیاری تولید کرده انجام شده است. لازم به ذکر است که محققین دانشگاه Jyväskylä فنلاند نیز در این تحقیق علمی شرکت داشته اند.

منبع : Science Daily

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

سبد خرید
فروشگاه
علاقه مندی
0 محصول سبد خرید
حساب کاربری من