شیمی دافع

محققان با ایجاد سطوح جدیدی که مایعات را دفع می‌کنند، به مقابله با مشکلات زیادی می‌پردازند.

دوشنبه، 4 آذر 1398

تخمین زمان مطالعه:

پدیدآورنده: علی رضایی میر قائد

موارد بیشتر برای شما

شرح تصویر: سطوح مومی برگ‌های لوتوس و برجستگی‌های ریز و نزدیک هم، به طور طبیعی آب را دفع می‌کنند.

روغن و آب مخلوط نمی‌شوند

احتمالاً این گفته قدیمی را شنیده‌اید. با این حال، این فقط خرد عامه نیست، این شیمی است. یک عبارت معمول دیگر - مانند آبی که از پشت اردک دفع می‌شود - همان اصل اساسی را نشان می‌دهد. روغنِ روی پرهای اردک آب را دفع می‌کند و از خیس شدن پرنده در باران جلوگیری می‌کند. به طور طبیعی پرهای روغنی به خشک شدن پرنده نیز کمک می‌کند.

شیمی فقط یک راه برای دفع آب در طبیعت است. ساختار یا شکل چیزها راه دیگری برای انجام این کار است. برای برتری در دفع آب، برگ لوتوس به هر دو متکی است.

لوتوس برخلاف نیلوفرهای آبی، برگ‌ها و گل‌های خود را بالای سطح حوضچه نگه می‌دارد. با این وجود، هر قطعه لوتوس آماده است تا خیس شدگی را دفع کند. سطح مومی برگ‌ها به دفع شیمیایی آب کمک می‌کند. اما برآمدگی‌های سطحی بسیار ریز نیز محافظت فیزیکی هر برگ را از خیس شدگی به عهده دارند. برجستگی‌های به هم پکیده بسیار کوچک‌تر از عرض اکثر قطرات ریز آب هستند. این دست اندازها در کنار هم، قطرات آب را بالای سطح برگ نگه می دارند، به طوری که قطرات باران درست بر بالای آنها به صورت دانه‌ای در می‌آیند. شما ممکن است این را شبیه خوابیدن فردی روی بستری از میخ‌های کاملاٌ به هم پکیده تصور کنید.

انیش توتجا در دانشگاه میشیگان در آن آربور می‌گوید: "برگ لوتوس یکی از دافع‌ترین سطوح طبیعی برای آب است." و او می‌گوید: "چیزهای زیادی می‌توانیم از طبیعت بیاموزیم." او به عنوان یک دانشمند مواد، مطالعه می‌کند که چگونه ساختار، ترکیب و جنبه‌های دیگر ماده بر خواص آن تأثیر می‌گذارد.

او و دیگران با تقلید از فرآیندها و ساختارهایی که در طبیعت دیده می‌شوند، اما با استفاده از موادی که توسط مردم ایجاد شده‌اند، دنیای جدیدی از سطوح فوق العاده دافع را توسعه می‌دهند. دانشمندان چنین سطوحی را همه گریز (اُمنی فوبیک) می‌نامند. این اصطلاح کلمه لاتین را برای همه چیز (omni) با کلمه یونانی ترس (فوبیا) ترکیب می‌کند. اگر چیزی همه گریز باشد، "از همه چیز می‌ترسد"، و به خوبی سطحی را توصیف می‌کند که انواع مایعات از جمله آب و روغن را دفع می‌کند.

روغن یک چالش ویژه است. هیچ سطحی به طور طبیعی آن را دفع نمی‌کند. به همین دلیل نشت نفت می‌تواند برای اردک‌ها و سایر آبزیان پرخطر باشد. اگر پرهای اردک آغشته به نفت شوند، به سرعت در هم گیر می‌کنند. این امر توانایی پرنده در شنا و گرم نگه داشتن خود را محدود می‌کند.

محققان اکنون با ایجاد سطوح دافع روغن از طبیعت فراتر می‌روند. برخی نیز سطحی ایجاد کرده‌اند که روغن را دفع می‌کند اما آب را جذب می‌کند. مثال دوم برای جمع آوری نفت تشکیل دهنده لکه‌های روی سطح اقیانوس پس از نشت نفت می‌تواند مفید باشد.

توتجا انواع مختلفی از سطوح همه گریز ایجاد کرده است. به تازگی، او و همکارانش با یک توری کوچک که از سیم‌های نازک و استیل ضد زنگ ساخته شده است، شروع به کار کردند. شبیه صفحه‌ای بود که برای محافظت از درها و پنجره ها استفاده می‌شد اما بسیار محکم‌تر بافته می‌شد. برای تصور ابعاد سوراخ‌های توری فرض کنید قطعه‌ای از آن به اندازه ناخن شصت یک فردِ بالغ، 1200 دهانه مربع کوچک داشته باشد.

دانشمندان میشیگان سپس پوششی از فیبرهای ریز و دفع کننده مواد از طریق شیمیایی را روی توری اسپری کردند. این پوشش بسته‌های هوا را غربال می‌کرد (و از خود عبور می‌داد) زیرا فیبرها به سفتی به هم پکیده نمی‌شوند (که مانع عبور هوا شوند). هر مایعی که این سطح فرآوری شده را لمس می‌کرد، به سختی هر جامدی را تر می‌کرد و به آن می‌چسبید. محققان اکنون با ایجاد سطوح دافع روغن از طبیعت فراتر می‌روند. به این ترتیب، دقیقاً مانند برگ لوتوس بود. با ترکیب هر دو محافظ شیمیایی و فیزیکی برای توری، اکنون می‌توانید ده‌ها مایع از قهوه گرفته تا اسید سولفوریک را دفع کنید.

تقریباً هر مایعی را روی توری بریزید نه آن را می‌شکند و نه پخش می‌کند. قطره‌ها به راحتی پس می‌جهند.

چنین پارچه‌ی بسیار دافعی می‌تواند لباس‌هایی بدون لکه را ایجاد کند که افراد را نه تنها تمیز بلکه ایمن نگه می‌دارد. شیمی‌دان‌ها یا پزشکان می‌توانند هنگام کار با اسیدها، خون یا مایعات خطرناک دیگر، از پوشش‌های آزمایشگاهی ساخته شده از این توری استفاده کنند. در صورت ریختن مایعات، مایع به جای خیسانده شدن درون آن، از پارچه به بیرون پس می‌جهد.

توضیح تصویر: محققان سطحی را چنان دافع کرده‌اند که قطرات مایعات به هم نمی‌چسبند - درعوض از سطح پس می‌جهند.

محققان میشیگان همچنین اخیراً پارچه‌ای ساخته‌اند که به جدا کردن روغن از آب کمک می‌کند. این ممکن است در از بین بردن نفت یا روغن ریخته شده در دریاچه‌ها، رودخانه‌ها یا اقیانوس‌ها کمک کند. کارشناسان دوباره با همان نوع تور استیل شروع به کار کردند. سپس آنها از یک پوشش شیمیایی ویژه استفاده کردند که نه تنها روغن را دفع می‌کند بلکه باعث جذب آب نیز می‌شود.

این نوع فیلتر جدید نیازی به پمپ برای کارندارد، و فقط از گرانش استفاده می‌کند. توتجا توضیح می‌دهد که روغن و آب را روی توری بریزید و فقط آب از آن عبور می‌کند. هر روغنی به سادگی روی سطح آن دانه‌ای می‌شود، که از آن می توان آن را دفع کرد. در آزمایشگاه، چنین پارچه ای بیش از 99 درصد روغن را از یک نمونه آب فاضلاب خارج کرد.

توضیح تصویر: محققان می‌توانند سطحی را ایجاد کنند که هم قطرات محلول‌های مبتنی بر آب (آبی رنگ شده) و هم آنهایی که دارای روغن هستند (ماده‌ای شیمیایی به نام هگزادکان، قرمز رنگ) را دفع می‌کند. آنها این کار را با اضافه کردن یک پوشش از مواد شیمیایی بسیار دافع به ساختارهای ریز که مانند بستری از میخ‌ها عمل می‌کنند، انجام می‌دهند.

مایکل روبنر می‌گوید، مکان‌هایی که ترکیبی از رفتارها را نشان می‌دهند، می‌توانند اهداف بسیاری را ارائه دهند. یکی از مزایای چنین سطحی که اکثر مردم از آن استقبال خواهند کرد آینه‌ها یا سایر سطوح شیشه‌ای است که در برابر رفع مه گرفتگی مقاومت می‌کنند. مه آلود شدن هنگامی رخ می‌دهد که هوای گرم و مرطوب به لنز دوربین، آینه یا سطح سرد دیگر برخورد کند. آب به سرعت از هوا و روی سطح متراکم می‌شود. این کار قطراتی را تشکیل می‌دهد که نور را پراکنده می‌کند و یک کدورت مه ‌آلود ایجاد می‌نماید.

منبع: سید پرکینز - ScienceNewsForStudents

روغن و آب مخلوط نمی‌شوند

مقالات مرتبط

مقالات مرتبط

تازه های مقالات

بیشترین بازدید هفته