نانوپوشش های شیشه

بیش ترین کاربرد نانوپوشش های شیشه، در صنایع ساختمان و صنایع خودرو سازی است. این نانوپوشش ها به وسیله ی لایه های بسیار نازک فلزی و اکسید فلزی که ضخامتی در حد نانومتر دارند و روی سطح شیشه لایه نشانی شده اند، تولید می شوند. لایه نشانی فلزات و اکسیدها یا نیتریدهای فلزی روی سطح شیشه، خواص مختلفی به شیشه می دهد که به عنوان مثال می تواند باعث ایجاد رنگ های مختلف روی شیشه ی ساده شود. هم چنین می توانیم شیشه های مختلفی با قابلیت انعکاس نور متفاوت در طول موج های مختلف ایجاد کنیم که با این کار می توان از عبور طول موج های مضر نور مانند اشعه ی ماورابنفش که باعث آسیب رسیدن به پوست بدن یا اشیاء می شود، جلوگیری کرد. هم چنین می توانیم لایه های بسیار نازکی با ضخامت میکروسکپی و بدون رنگ ایجاد کنیم که به شیشه خواص خود تمیزشوندگی یا ضدبخار دهد.

شیشه های خود تمیزشونده

شیشه ماده ای است که به دلیل شفاف بودن می تواند نور خورشید را از خود عبور دهد و به همین دلیل در پنجره های ساختمان ها از این ماده استفاده می شود. شیشه ها بسته به نوع، رنگ و ضخامتی که دارند مقداری از نور تایید شده را از خود عبور می دهند، بخشی از آن را منعکس و بخش اندکی از آن را هم جذب می کنند. شیشه ها عایق های خوبی در برابر حرارت نیستند و آلودگی هوا را نیز به سرعت به خود جذب می کنند. اگر به شیشه دست بزنید و یا هنگام بارندگی، اثر دست و قطره های باران به خوبی روی آن دیده می شود. در گذشته که خانه ها از چند طبقه بلندتر نبود، این مشکل چندان اهمیتی نداشت، ولی امروزه که ساختمان های صدطبقه ساخته می شود، تمیز کردن شیشه ها که بخشی از نمای ساختمان هستند، به صورت مشکلی جدی درآمده است، زیرا تمیز کردن آن ها به روش سابق هم هزینه بر است و هم خطرناک.

برای حل این مشکل نیز می توان از فناوری نانو استفاده کرد. به وسیله ی فناوری نانو شیشه هایی طراحی شده اند که به شیشه های خود تمیزشونده معروف هستند. این شیشه ها، آلودگی ها را به مقدار بسیار کم جذب می کنند یا با تابش آفتاب کاملاً تمیز می شوند. شیشه های خود تمیز شونده به دو روش سطح خود را از آلودگی پاک می کنند. این شیشه ها به دو دسته ی ((آب دوست)) و ((آب گریز)) تقسیم می شوند.

برای توضیح نحوه ی عملکرد این شیشه ها، ابتدا آب دوستی و سپس آب گریزی را توضیح می دهیم. اگر قطره ای آب را به وسیله ی قطره چکانی روی صفحه ای شیشه ای بچکانیم، قطره ی آب بعد از جدا شدن از قطره چکان، تا زمانی که به صفحه ی شیشه ای برسد، به صورت قطره باقی می ماند به سطح شیشه حالت قطره ای خود را از دست می دهد و روی سطح شیشه پخش می شود. آن چه باعث قطره ای ماندن آب در هوا می شود، نوعی نیروی ربایش بین مولکول های آب است که نیروی چسبندگی نام دارد و آن چه باعث پخش شدن آب روی شیشه می شود، نوعی نیروی ربایش بین مولکول های آب و شیشه است، که به آن نیروی چسبندگی سطحی گفته می شود. حال اگر همین شیشه را به مقداری روغن آغشته کنید، قطرات آب به شکل کروی بر روی شیشه قرار می گیرند و پخش نمی شود. در واقع روغن نیروی ربایش بین مولکول های آب شیشه را کم میکند. در این حالت می گوییم که سطح شیشه در حالت اول، آب دوست و سطح شیشه آغشته به روغن، آب گریز است.

برای این که به صورت علمی سطح آب دوست و آب گریز را تشخیص دهیم، باید زاویه ی برخورد قطره ای آب با سطح را محاسبه کنیم. سطح آب دوست دارای زاویه ی تماس کمتر از 30 درجه است، حال اگر زاویه ی تماس مساوی و بیش تر از 90 درجه باشد، سطح آب گریز است. البته اگر زاویه از 150 درجه بیش تر باشد، این سطح اَبَر آب گریز (بسیار آب گریز) است.

حالا که به مفهوم آب دوستی و آب گریزی پی بردیم، به بررسی ساز و کار (مکانیزم) شیشه های خود تمیزشونده ی آب گریز می پردازیم. جالب است بدانید که دانشمندان ایده ی ساخت این شیشه ها را از برگ نیلوفر آبی گرفته اند. دانشمندان مدت های طولانی بررسی کردند تا توانستند راز پاکیزگی برگ های نیلوفر آبی را که نوعی گیاه آبزی است و در آب گل آلود می روید، کشف کنند.

دانشمندان به مشاهده ی سطح برگ به وسیله ی میکروسکپ های الکترونی پرداختند و به این نتیجه رسیدند که سطح برگ نیلوفر پوشیده از برآمدگی های میکرومتری است. این برآمدگی ها سطح تماس قطره ی آب با برگ را کاهش می دهند و در نتیجه قطره نمی تواند به راحتی بر روی سطح پخش شود. در واقع وجود برآمدگی های میکرومتری، سطح برگ را آب گریز می کند. اما در عمل، برگ نیلوفر از خود خاصیت اَبَر آب گریزی نشان می دهد، یعنی زاویه ی تماس بین قطره ی آب و سطح برگ بیش از 150 درجه است. علت این مسئله برآمدگی های نانومتری است که بر روی برآمدگی های میکرومتری قرار دارند. با وجود این برآمدگی، سطح تماس آب و برگ کمتر می شود.

این دو نوع برآمدگی در مجموع سطح بسیار زبر و ناصافی را برای برگ نیلوفر به وجود می آورند که سبب آب گریزی شدید آن می شوند. به این رفتار خود تمیزشوندگی نیلوفر آبی که ناشی از ساختار میکرومتری نانومتری آن است، ((اثر لوتوس)) می گوییم.

دسته ی اول شیشه های خود تمیز شونده با الگوبرداری از ((اثر لوتوس)) ساخته شده اند، در این نوع شیشه ها پوشش نازکی بر سطح شیشه قرار می گیرد که ناصافی های میکرومتری و نانومتری آن، نیروی چسبندگی سطحی میان قطره های آب و سطح شیشه را کاهش می دهد. به عبارت دیگر در این نوع شیشه ها قابلیت خود تمیزشوندگی، با افزایش خاصیت آب گریزی ایجاد می شود.

شیشه های خود تمیز شونده آب دوست نوع دیگری از شیشه های خود تمیزشونده هستند که عملکردشان نسبت به شیشه های خود تمیزشونده ی آب گریز متفاوت است.

در تولید این شیشه ها از مواد فوتوکاتالیست استفاده می شود. فوتوکاتالیست ها موادی هستند که اگر در معرض تابش نور قرار گیرند، می توانند سرعت انجام یک واکنش خاص را بدون دخالت در آن افزایش دهند. یکی از این مواد دی اکسید تیتانیوم است. هنگامی که دی اکسید تیتانیوم در معرض تابش اشعه ی ماورای بنفش که جزیی از نور خورشید است، قرار می گیرد، تغییراتی در ساختار آن به وجود می آید که آن را به ماده ای بسیار فعال و بسیار آب دوست تبدیل می کند. اگر ذرات دی اکسید تیتانیوم تا حد چند نانومتر کوچک باشد، این ماده آن قدر فعال می شود که می تواند به طور کامل با آلودگی ها و لکه های چربی روی شیشه واکنش داده و آن ها را به آب و دی اکسید کربن تبدیل کند. این واکنش، چسبندگی ذرات آلودگی را به سطح کاهش می دهد. از سوی دیگر، روی هر سطح بسیار آب دوست، آب به طور کامل و به صورت یک لایه پخش می شود. این لایه ی یکنواخت می تواند ذرات و آلودگی هایی را که به طور ضعیفی به سطح چسبیده اند، از جا کنده و با خود پایین آورد.

شیشه های محافظ در برابر آتش

یکی از کاربردهای فناوری نانو، تولید شیشه های مقاوم در برابر آتش است. این نوع شیشه با قرار دادن لایه ی شفافی حاوی نانوذرات سیلیس (SiO2) میان دو صفحه ی شیشه ای معمولی ساخته می شود. این امر باعث می شود هنگام آتش سوزی یا هنگامی که شیشه گرم می شود، لایه ی شفاف حاوی نانو ذرات سیلیس به محافظی سخت، تیره و مقاوم در برابر حرارت تبدیل گردد.

شیشه های کنترل کننده ی انرژی

شیشه های کنترل کننده ی انرژی، از نظر رنگ و سایر ویژگی ها دارای تنوع زیادی هستند. این شیشه ها قادرند با کاهش شدید عبور امواج ماورای بنفش و مادون قرمز و کنترل میزان عبور نور مرئی، در زمستان تا 85 درصد و در تابستان تا 80 درصد مانع از هدر رفتن انرژی داخل ساختمان شوند. از آن جا که همه ی ما به دنبال روش های جلوگیری از هدر رفتن انرژی هستیم، شاید یکی از مهم ترین کاربردهای فناوری نانو، همین شیشه های کنترل کننده ی انرژی هستند.

در واقع این شیشه ها با عبور دادن نور مرئی خورشید از خود، بدون تغییر رنگ، باعث کاهش مصرف لامپ های روشنایی می شوند که این موضوع موجب صرفه جویی در مصرف انرژی می شود. هم چنین درصد زیادی از اشعه ی مادون قرمز (طول موج nm3000-780) را بازمی تابانند و تقریباً تمام نور مادون قرمز با طول موج بیش تر از 3000 نانومتر را حذف می کنند که در نتیجه از عبور حرارت و گرما از طریق پنجره ها جلوگیری می شود. این عمل در تابستان ها و مناطق گرمسیر مانع از عبور گرمای نور خورشید و هوای گرم خارج ساختمان به داخل آن می شود که در نتیجه، استفاده از وسایل خنک کننده کاهش می یابد.

منابع


دنیای نو در ابعاد نانو (فناوری نانو)/ نویسنده: نگار زاده ختمی مآب و رضا ایجادی؛ انتشارات کانون پرورش فکری کودکان و نوجوانان، تهران