پارچه‌های دارای خاصیت برگ نیلوفر آبی

سطوح و پارچه های دارای خاصیت برگ نیلوفر آبی

برخی اوقات، عبارت خود تمیزشونده، همچنین در ارتباط با سطوحی استفاده می شود که به گونه ای مهندسی شده اند که از اثر خود تمیزشوندگی طبیعی مشاهده شده در برخی از گیاهان مانند برگ نوعی نیلوفر آبی، تقلید می کنند. در این مورد، پوشش ها یک لایه ی یکنواخت با عامل های شیمیایی خاص می باشند اما در این مواد سطوح در مقیاس نانومتری مهندسی شده اند. این مسئله منجر به ایجاد سطوحی می شود که ابر آب گریز هستند. قطرات آب در واقع بر روی این سطوح سر می خورند و موجب حذف آلودگی ها می شوند.
اثر برگ نیلوفر آبی یک مورد الهام بخش برای مواد ابداعی جدیدی می باشد، مانند پوشش ها و پارچه ها. در حقیقت این سطوح می توانند خاصیت دفع آب داشته باشند. مهندسین مواد امروزه در حال کار بر روی انواع مختلفی از مواد ابرآب گریز هستند.
مثال های زیادی وجود دارد که در آنها، سطوح با ترشوندگی پایین مزیت محسوب می شوند. برای مثال، پارچه های با این خاصیت، در برابر مایع ها (آب میوه، قهوه و ...) و همچنین مواد جامد (مانند سس خردل و کچاپ) مقاوم می باشند. برخی از شرکت ها مانند شرکت Nano-Tex امروزه پارچه هایی را به بازار عرضه کرده اند که خاصیت ابر آب گریزی دارند (شکل 1 و 2). این اثر بوسیله ی وجود ویسکرهای نانوسایز بر روی سطوح این الیاف ایجاد شده است. استفاده از نانوذرات اکسید تیتانیم در پارچه ها، همچنین مورد بررسی قرار گرفته اند زیرا این ماده می تواند موجب کاتالیست شدن تخریب کثیفی ها می شود.
سطوح و مواد مهندسی شده ای که از خاصیت برگ نیلوفر آبی تقلید می کنند، در ساختمان سازی کاربرد خوبی پیدا خواهند کرد. در واقع این مواد موجب کاهش نیاز به تمیزکاری سطحی می شوند. هم اکنون، انواع مختلفی از محصولات تجاری و یا تحقیقاتی وجود دارند که از این ویژگی بهره می برند. برای مثال، Lotusan یک نوع رنگ با کاربرد خارج ساختمانی از شرکت Sto است که در سال 1999 به بازار عرضه شده است. کاربرد این رنگ در جاهای خارج ساختمانی، در واقع موجب کاهش حمله ی مواد کثیفی بر روی سطح می شود.
کاربردهای اشاره شده در بالا، مثال هایی از مواردی است که خواص ابرآب گریزی مربوط به یک ماده ی مهندسی شده، مانند پارچه، یا یک پوشش است که می تواند میزان تمیزکاری مورد نیاز را کاهش دهد. این مسئله در واقع موجب کاهش مصرف آب و ایجاد منفعت های محیط زیستی می شود.
این مسئله باید تذکر داده شود که برخلاف پوشش های فوتوکاتالیستی، پوشش های بر پایه ی برگ نیلوفر آبی، غیر شفاف هستند و نور را به دلیل طبیعت زبر خود تفرق می دهند. محققین همچنین در حال بررسی سطوح ابر آب گریز شفاف هستند.

پوشش ها ، پارچه ها و سایر محصولات ضد باکتری

پوشش های ضد باکتری در واقع در بسیاری از کاربردها، مورد نیاز می باشند. برای مثال، برای محافظت از سطوح پزشکی و ابزارهای مربوطه. همچنین این مواد در کاهش حملات میکروبی بر روی کلاهک قایق نیز مفید می باشند. اسپری ها و پوشش های مورد استفاده برای این کار هم اکنون موجود می باشند اما بهبود در این زمینه مورد نیاز می باشد تا میکروب های بیشتری بوسیله ی این سطوح از بین روند. برای جلوگیری از اتصال باکتری ها به این سطوح، سطوح با نانوپوشش و گروه های عاملی خاص و یا توپولوژی های مختلف، مورد بررسی قرار گرفته اند. سطوح ضد رشوب نیز برای استفاده در کاربردهای پزشکی و ابزارهای مورد استفاده در کاربردهای خانگی مورد بررسی قرار گرفته اند. یک نانوماده که بتواند در این کاربردها، به خوبی استفاده شود، عبارتست از نانوذرات نقره.
نقره یک فلز با سابقه ی استفاده ی طولانی است. این مسئله به خاطر خاصیت آنتی باکتریایی این ماده می باشند. حتی رومی ها نیز از این ماده در پارچه های مورد استفاده برای بستن زخم، استفاده می کردند. این خاصیت توصیف می کند که چرا نقره برای تولید ظروف و وسایل خاص، استفاده می شود. در پزشکی، نیترات نقره ی 1 % در گذشته به عنوان محلول تمیزکننده ی چشم، استفاده می شده است و تا زمانی که هنوز آنتی بیوتیکی کشف نشده بود، این ماده ضدعفونی کننده به علف کش ها و ضد قارچ ها، اضافه می شد.
خواص ضد باکتریایی نقره به دلیل وجود یون های نقره است که در زمان اکسید شدن فلز بالک، از آن آزاد می شوند. در حقیقت، ظروف نقره ای فعالیت آنتی باکتریایی دارند اگر و تنها اگر گونه های اکسید شده بر روی سطح آنها وجود داشته باشد. یون های نقره موجب القای تنش های اکسیدی به باکتری ها می شود که در حقیقت بر روی قابلیت باکتری ها در بقا در محیط، اثرگذار است. یون های نقره موجب ممانعت از رشد باکتری می شوند و مکانیزم تنفس و متابولیسم آنها را با مشکل مواجه می کنند. این مسئله موجب مرگ سلولی می شود. سمیت نقره همچنین برای بسیاری از باکتری ها و قارچ ها، به اثبات رسیده است.
نقره برای قلب و عروق، سیستم اعصاب و سیستم تولید مثل انسان، سمی نیست. در برخی افراد، برخورد نقره منجر به آرگیریا (آرگیروز) می شود. این مسئله به دلیل یک فرایند متوالی یون های نقره در شکلی بی ضرر است که بازگشت پذیر است و منجر به رنگی شدن و یا بی رنگ شدن پوست می شود. مواد اندکی وجود دارد که مرگ به دلیل مسمومیت نقره بوجود آید. در حقیقت این مسئله نیز در غلظت های بسیار بالای نقره رخ می دهد.
در سال های اخیر، نانوذرات نقره (نانوسیلور) به محصولات مصرفی زیادی اضافه می شود تا بدین صورت خواص آنتی میکروبی در آنها ایجاد شود. به دلیل اثربخشی ضد باکتریایی و سمیت پایین این ماده برای سلول های پستانداران، نانوذرات نقره یکی از متداول ترین نانومواد مورد استفاده در محصولات مصرفی می باشند. گستره ی محصولات کاملاً وسیع است و شامل ظروف آشپزخانه، لباس های شخصی (جوراب، آسترهای کفش و لباس زیر)، لباس، لباس ورزشی، تخت خواب، لوازم خانگی (مانند یخچال، ماشین لباس شویی، فیلترهای هوا، کیبورد کامپیوتر)، اسپری های ضد عفونی کننده و محصولات بهداشتی و آرایشی می باشد. نانوسیلور در داخل این مواد مختلف و با روش های مختلف ایجاد می شود.

سایر پوشش ها

یک تعداد از محصولات در بازار یافت می شود که می تواند بر روی سطح، ویژگی های خاص ایجاد کنند. برخی از این مواد حاوی نانوذرات (مثلا نانوذرات سیلیس) یا سایر نانومواد هستند. مثال هایی از پوششهای مقاوم در برابر خط کشیدن (anti-graffiti coatings)، پوشش های مقاومت در برابر مه گرفتگی، پوشش های مقاوم در برابر اثر انگشت و ... می باشند.

کودها و محصولات عمل آوری چوب

یکی دیگر از زمینه هایی که نانوتکنولوژی مشارکت می کند، توسعه ی کودها و محصولات فرآوری چوبی است که پایدارتر باشند و خطراک کمتری برای محیط زیست داشته باشند. برای مثال، محققین در دانشگاه ایالتی میشیگان، از زیست کش ها برای فرآوری چوب استفاده کرده اند. اندازه ی کوچک نانوذرات اجاز همی دهد تا این مواد به سادگی در داخل ساختار شبکه ای چوب، نفوذ کنند و در داخل نانوحفرات به دام افتند.

برداشت آب بیومیمیکی

در مقاله های قبلی، نشان داده شد که نانومواد طبیعی برای تولید مواد پیشرفته، مورد استفاده قرار می گیرند. یک مثال از این مواد، مواد با قابلیت برداشت آب بیومیمیکی می باشند. برخی از گیاهان و حشرات قابلیت جمع آوری آب از مه را دارند. برای مثال، بیابان های نامبیا مسکن سوسکی به نام Stenocara می باشد که دارای قابلیت پمپ در روی باله های خود هستند. در واقع باله های این حشره دارای ساختار ابر آبگریزی است که از این خاصیت استفاده می کند. در واقع پیک های مربوط به پمپ ها، آب دوست هستند، در حالی که بخش های شیب دار مربوط به پمپ ها و نواحی میان آنها از یک واکنش آب گریز، پوشیده شده است. به عنوان نتیجه ای از این ساختار ریز، وقتی قطره وارد این ساختار می شود، بر روی کانال های واکسی می لغزد و به دهان سوسک، هدایت می شود. یک شرکت انگلیسی به نام QinetiQ Ltd صفحاتی برای جمع آوری بخار آب از برج های خنک کننده و کندانسورهای صنعتی توسعه داده است. این بخش ها دارای ساختارهای نانومتری مانند باله های سوسک گفته شده در بالا می باشد. این مواد می توانند 10 برابر بیشتر از تکنولوژی موجود، آب جذب کنند.

نانوکاتالیست ها

یک کاتالیست در حقیقت ماده ای است که نرخ واکنش شیمیایی را بدون مصرف شدن، افزایش می دهد. کاتالیست های متداول در واقع از فلزات نادری مانند پالادیم و پلاتین، تولید می شود. این مواد بسیار گران قیمت هستند. یکی از ویژگی های مهم مربوط به یک کاتالیست، سطح فعال آن است که در واقع واکنش شیمیایی در آن رخ می دهد. سطح فعال وقتی افزایش می یابد که اندازه ی کاتالیست، کاهش یابد (شکل 3). فعالیت سطحی بالاتر در سطح کاتالیست در مواقع موجب افزایش بازده واکنش می شود. محققین نشان داده اند که بخش های فعال موجود در یک کاتالیست، همچنین بسیار مهم می باشد. هر دو خاصیت (اندازه ی نانوذرات و توزیع و ساختار مولکولی)، می تواند با استفاده از نانوتکنولوژی، کنترل شود. از این رو، یکی از زمینه های فعال در علم نانو، توسعه ی سطوح کاتالیستی نانوساختار می باشد. در محیط زیست، نانوکاتالیست ها مورد بررسی قرار گرفته اند. برای مثال، در گوگرد گیری از سوخت. این مواد موجب تمیز شدن سوخت از وجود محصولات گوگردی می شوند. توسعه های اخیر در iNANO به شرکت دانمارکی Haldor Topsøe A/S کمک کرده است تا بدین صورت نسل جدیدی از کاتالیست های گوگردگیری توسعه دهند. این کاتالیست برای گوگرد گیری از سوخت های فصیلی و در کل جهان، مورد استفاده قرار می گیرد. واکنش کاتالیستی گوگرد گیری (HDS) یک واکنش کاهشی هیدروژنی سوخت است که منجر به تمیزکاری ترکیبات گوگرد دار می شود. در حقیقت این کار از ورود چند تن گوگرد به محیط در طی هر روز، جلوگیری می کند.
یک مثال دیگر سوخت Oxonica’s Envirox است که در آن از اکسید سریم نانوسایز به عنوان کاتالیست و به منظور بهبود بازده احتراق سوخت، استفاده می شود. این سوخت در سال 2003 تا 2004 در 1000 اتوبوس در حال کار در انگلیس مورد بررسی قرار گرفت و این فهمید شد که اتوبوس های مورد بررسی حداقل 5 % کمتر سوخت مصرف می کنند و استفاده از آنها مقرون به صرفه است.
کاتالیست های نانومتری همچنین یک ماده ی مهم در بهبود کیفیت هوا و آلودگی های موجود در آب می باشد.

طلای کاتالیستی

به عنوان یک ماده ی بالک، طلا بسیار خنثی است و با بسیاری از مواد شیمیایی واکنش نمی دهد. به هر حال، وقتی این ماده به صورت نانوسایز در می آید، طلا بسیار واکنش پذیر شده و این مسئله موجب می شود تا راهی برای تولید کاتالیست از این ماده باز شود. مواد متداولی که در کاتالیست ها استفاده می شوند، مواد تولیدی از خاک های نادر هستند (مانند پالادیم و پلاتین) که در حقیقت مواد گران بهایی هستند. نیاز روزافزونی به استفاده از کاتالیست در جهان وجود دارد و نیازمند این هستیم که جایگزینی برای این ماده پیدا کنیم. نانوطلا دارای اثر کاتالیستی خوبی در کنترل بسیاری از آلاینده ها، می باشد. برای مثال، این شنان داده شده است که این ماده قابلیت حذف کربن مونوکسید از هوای اتاق را در شرایط عادی و از گاز تغذیه ی هیدروژن موجود در پیل سوختی، دارد. یکی دیگر از مطالعه ها، نشان داده است که کاتالیست طلا- پلاتین قادر است تا تری کلرواتیلن (TCE) را 100 برابر سریع تر از کاتالیست های متداول، بشکند. اخیرا شرکت Nanostellar Inc اعلام کرده است که کاتالیست های اکسیداسیون نانوطلایی تولید کرده است که می تواند امولسیون های هیدروکربنی دیزل را تا میزان 40 % بیشتر از کاتالیست های متداول، بشکند. در نظر گرفتن این مسئله که در دنیا، 14 میلیون خودروی دیزلی وجود دارد و همچنین 2 میلیون وسیله ی نقلیه ی نظامی در دنیا یافت می شود، اهمیت استفاده از نانوتکنولوژی را دو چندان می کند.

بازیافت مواد کاتالیستی

یکی از مشکلات مربوط به کاتالیست ها، استفاده از مواد حاوی خاک های نادر مانند پالادیم است. منابع طبیعی پالادیم محدود هستند و از این رو، نیاز به بازیافت این ماده وجود دارد. بازیافت پالادیم نیازمند کاهش پالادیم دو ظرفیتی و تولید پالادیم فلزی است. به عنوان یک راه جایگزین فرایند بازیافت شیمیایی، iNANO در حال بررسی استفاده از باکتری ها در کاهش پالادیم می باشد. آنزیم هیدروژناز (enzyme hydrogenase) که در واقع در غشای بسیاری از باکتری ها یافت می شود، دارای پتانسیل انتقال الکترون از یک ماده ی آلی به پالادیم (II) را دارا می باشد. در حضور برخی از باکتری ها، پالادیم به صورت نانوذره تولید می شود و بر روی سطح سلولی تشکیل می شود. شکل 4
نشاندهنده ی یک مثال از این ماده می باشد. خواص کاتالیستی مربوط به پالادیم تولیدی با این روش که به آن بیو- پالادیم می گویند، مشابه نانوذرات پالادیم موجود در بازار می باشد. امید اس تا استفاده از باکتری برای بازیافت این مواد کاربردی شود و بتوان پالادیم را برای فرایندهای کاتالیستی دیگر نیز استفاده کرد.

منبع مقاله :
Nano-Surface chemistry / Morton Rosoff