بخشی از مقاله
چکیده
سطوح خود تمیز شونده که با الهام از برگ نیلوفر آبی ساخته شده اند، با یک زاویه تماس آب بزرگتر از160°و زاویه غلتشی کوچک توسط محققین به طور موفقیت آمیزی مطالعه شده اند. برگ نیلوفر آبی توسط برجستگی های زیادی پوشیده شده است. این برجستگی ها علاوه بر کاهش سطح تماس آلودگیها، باعث افزایش انرژی سطح وکروی شدن هر چه بیشتر قطرات واقع بر روی سطح می شود. به محض تماس قطرات آب با سطح آب گریز کثیف، دراثر حرکت قطرات کروی آب، ذرات گردو غبار - کثیفی - توسط قطرات از سطح جمع آوری می شود. پوششهای شفاف با خصوصیات خودتمیزی و ضدبخار توجه قابل ملاحظهای برای کاربردهای بالقوهشان به دست آوردهاند.
در این مقاله پوششهای سیلیکایی متخلخل فوق شفاف بر روی بسترهای شیشهای از طریق مونتاژ لایه به لایهی پلی استیرن سیلیکایی - - Ps@SiO2 شبیه تمشک که از رسوب در دمای بالا پیروی میکند ساخته شده و بررسی می شود. این پوششهای آماده شده ابتدا خاصیت آب دوستی از خود نشان دادند، در حالیکه خاصیت فوق آبگریزی بعد از رسوب بخار شیمیایی با مواد دارای انرژی سطح پایین، نمایان شد. بعد از دو سیکل مونتاژی، پوشش سیلیکایی متخلخل آبگریز دارای زاویهی تماس آب بیش از159°±2° و زاویهی لغزشی7°+1.5° و یک پراکنش - انتقال - 85 بود. ثابت شده است که تعداد سیکلهای مونتاژ انتقال و ترشوندگی، پوششهای سیلیکایی متخلخل را تحت تأثیر قرار داده است. به علاوه خاصیتهای ضدبخار سطوح آبدوست شفاف و سطوح فوق آبگریز بررسی شدند که در کلرفتار ضدبخار کاملاً متفاوتی را ارائه میکنند.
واژگان کلیدی: آب گریز، خودتمیزی، ضد بخار، ریزکرههای توخالی سیلیکا، آبدوست، شفاف
- 1 مقدمه
یکی از جذابترین خاصیتها ، خاصیت خود تمیزشوندگی است، یعنی اینکه سطوح می توانند مواد آلوده گر نظیر - ذرات جامد ، مایعات ارگانیک، مواد آلوده کننده بیولووژیکی - را بوسیله عمل غلتیدن قطرات آب دفع کنند. این نوع از سطوح خودتمیزشونده دو خاصیت آبگریزی و خودتمیزشوندگی دارند که برگهای لوتوس به عنوان یک نماینده این نوع سطوح مطرح می باشند و تحت عنوان اثر لوتوس شناخته می شوند. درطی چند دهه اخیرتعداد زیادی از تحقیقات به فهمیدن کامل عملکرد، ساختارو قوانین سطوح خود تمیزشونده پرداخته اند. خودتمیزی یکی از خصوصیتهای خیلی مطلوب برای تحقیقات در زمینه پوشش دادن 1]؛[4 بوده است.
نمونهای از پدیدهی خودتمیزی در طبیعت بر روی برگ نیلوفر آبی مشاهده شده است .[5] قطرهی آبی که بر روی برگ نیلوفر آبی میماند شکل کروی تقریباً کاملی را حفظ میکند و به آسانی به دور از ذرات گردوغبار روی سطح گردش کرده و آنها را میزداید. تقلید از شکل ساختار سطح برگ نیلوفر آبی اجازهی توسعهی سطوح فوق آبگریز مصنوعی متنوع را میدهد. ثابت شده است که وجود دو عامل زبری سطح و مواد با انرژی سطح پایین لازمهی رسیدن به سطح فوق آبگریز است 6]؛.[8 با این تعریف سطوح فوق آبگریز توسط مقادیر زاویهی تماسی آب بیشتر از 150 و مقدار زاویهی لغزشی کمتر از 10 مشخص شده اند .[9] به دلیل ویژگیهای خودتمیزی منحصربهفردشان سطوح فوق آبگریز کاربردهای بالقوه زیادی در زمینهی فناوریهای میان رشتهای دارند که شامل میکروالکترونیک، بیوسنسورها، مواد پوششدهندهی هوشمند و میکروسیالها میشود 10]؛.[13
تکنولوژیهای متفاوتی برای ساخت سطوح فوق آبگریز توسعه داده شدهاند. به عنوان نمونه روش پوشش با پلاسما [14]، قلمزنی شیمیایی [15]، رسوب بخار شیمیایی [16] - CVD - ، فرآیندهای سول-ژل 17]؛[19، پوششهای پینی [20]، مونتاژ - اجتماع - کلوئیدی 21]؛[22، الکتروریسی [23]، مونتاژ لایهبهلایه - [24] - LBL، پوشش عمیق و الی آخر. از میان آنها دو روش مونتاژ لایهبهلایه - LBL - و سول-ژل به دلیل سادگی زیاد، مقیاس پذیری، سرعت و سازگاری با انواع بسترها انتخاب خوبی برای تولید سطوح فوق آبگریز است. روش سول- ژل برای تغییر دادن خاصیت شیمیایی سطوح استفاده می شود و قبل از روش مونتاژ لایهبهلایه به دلیل تشابه ساختاری به طور مختصری این روش توضیح داده خواهد شد.
روش سول-ژل به شرایطی اسیدی یا الکلی اشاره می کند که تحت آن ماده شیمیایی ترکیبات هیدرولیز را فعال می کند و یک هیدروکسیل فعال درست می کند، سپس ژل از طریق واکنش تراکمی هیدرولیتیک فرم می یابد و در نهایت به ژل خشک تبدیل می شود بعد از تمرکز ، گذشت زمان وخشک کردن . بایستی یاد آور شود که بعد از برداشتن حلال بعضی ذرات نانو حبابی شکل ممکن است پدیدار شود که به بعضی مواد قابلیت آب گریزی بالا می دهد .
با توجه به کشش سطحی بالای قطرات آب که یک شکل گرد کامل دارند زمانی که به هوا پرتاپ می شوند شکل گرد آنها ثابت باقی می ماند حتی زمانی که بر روی سطح آب گریز فرود می آیند و سریعا از روی سطح سر می خورند. بر روی سطح آب گریز به دلیل کوچک شدن سطح تماس، زاویه ی تماس و زاویه ی لغزش برای قطرات آب در محدوده ی به ترتیب >160-150 و < 5-10 است. اینگونه دفع شدن بالای آب بر روی سطح آب گریز ناشی از ساختار زبر سطح و سطح پایین انرژی می باشد .ساختار شیار مانند سلسله وار در مقیاس دوگانه میکرو و نانو و سطح پایین انرژی بخاطر مواد موم ترشح کننده بر روی برگ نیلوفر آبی پیدا شده است. این پدیده دانشمندان علم مواد را تشویق به ساخت سطوح دافع قدرتمند آب مصنوعی کرده است.
کاربردهای صنعتی همچنین سطوحی، محدود به خود تمیزی نمی شوند بلکه شامل قابلیت جداسازی مایعات ، ضد خوردگی ، مه شکنی، ضد رسوب ، برنامه های کاربردی با درگ پایین و ... را نیز شامل می شود . از آلیاژ های Al2O3,SiO2,TiO2 بطور گسترده ای در تولید سطوح آب گریز به روش سول-ژل استفاده می شود . مینامی درمقاله [25] ورقهای نازک ژل آلومینا روی صفحات شیشه ای با استفاده از روش سول-ژل تهیه کرد . بعد از غوطه ور کردن این لایه ها درداخل آب جوش، ورقهای نازک آلومینیومی حبابی شبیه گل می توانند در طی 30 ثانیه بدست آیند . سپس یک لایه آب گریز و شفاف بوسیله تغییرفلوروآلکیل سیلان با زاویه تماس° 165 بدست می آید. ناهمواری لایه نازک موجود با افزایش دادن زمان غوطه وری زیاد می شود. با استفاده از روش ترکیبی - ترکیب حکاکی نوشته نانو سول-ژل و پردازش هیدروترمال - شکل. - 1 بعد از تغییرات انرژی سطح فلورو الکیل سیلان ، ورق خاصیت آب گریزی بالا و خود تمیز شوندگی برگ لوتوس را نشان می دهد .
فلورو الکیل سیلان - FAS - ها اغلب به عنوان موادی که انرژی سطحی پایینی دارند شناخته می شوند. قسمت انتهایی گروه مولکول FAS ،گروه فلورو آلکیل آب گریز است و لایه های یکنواخت FAS بر روی سطوح جامد که محور مولکولی آنها عمود بر سطح می باشد خود آرایی شده اند. معمولا لایه هایFAS به منظور کم کردن انرژی سطح سطوح جامد زبر، با انرژی سطح بالا به کار گرفته می شوند. ژی یو و همکاران[26] پوشش های سیلیکائی سول- ژل متخلخل و زبر را توسط زدودن مایع یوتکتیک از شبکه ی متخلخلی که در فرایند های مرحله ای سول-ژل استفاده می شد حاضر کردند. آنها پوشش سطوح با FAS را برای رسیدن به سطوح فوق آب گریز اصلاح کردند. لی و همکاران [27] لایه های یکنواخت کریستال کلوییدی را به کار بردند و با یک روش سول-ژل، سطح سیلیکائی متخلخل با یک سطح بزرگ را ستنز کردند که سطح بعد از اصلاح شیمیایی با FAS آب گریز شد.
FAS ها اغلب به عنوان یکی از پیشرو ها در فرایند سول-ژل به منظور رسیدن به پوشش های آب گریز استفاده می شوند.زیرا خاصیت خودتمیزشوندگی برگ لوتوس برپایه ترکیب دو خاصیت ناهمواری سطح و انرژی پایین سطح بنا گذاشته شده است و بر این اساس روش کار ابتدا، ساختن ترکیب میکرو-نانو ساختار سلسله وار روی سطح آب گریز اولیه ، و دوم تغییر دادن سطوح با انرژی کم روی ساختار اولیه خواهد بود. در سالهای گذشته مطالعات فشردهای بر روی ساخت پوششهای فوق آبگریز بسیار شفاف نوری برای استفاده در زمینههای کاربردی به محصولات مبتنی بر شیشه وجود داشته است. برای نمونه پنلهای خورشیدی خود تمیز شونده، عینکهای ضدبخار و پنجرههای دافع قطرات باران. با این حال رسیدن به دو عامل فوق آبگریزی و شفافیت بالا بر روی یک سطح یکسان یک چالش است، زیراسطح باید به قدر کافی زبر باشد تا زاویهی تماس بالا و زاویهی لغزشی پایین حاصل شود. اما خصوصیت زبری با ابعاد بالا عبور نور را به علت پراکندگی کاهش خواهد داد. پراکندگی نور تابعی از اندازهی سطح و ضریب شکست مواد است.
بنابراین برگشت دقیق به زبری سطح و کنترل ضریب شکست مواد پوششدهنده برای جلوگیری از پراکندگی نور و هم برای ساخت سطوح دارای شفافیت بالا و فوق آبگریز مهم هستند. نانوذرات توخالی با ضریب شکستگی کمتر از نانوذرات جامد - توپر - برای آمادهسازی پوششهای شفاف مناسب هستند .[28] به عبارت دیگر نانوذرات تمشک مانند، گزینههای مناسبی برای ساخت سطوح فوق آبگریز به خاطر ساختار سلسلهوارشان [29] هستند. بنابراین ساختارهای سطحی طراحی شدهی منطقی با استفاده از ذرات سیلیکایی توخالی شبیه تمشک، مانند بلوکهای ساختمانی انتظار میرود که برای تولید سطوح با هر دو خاصیت شفافیت بالا و فوق آبگریزی بر روی شیشه بکار روند. ساخت سطوح سیلیکایی متخلخل آبدوست با شفافیت بالا بر روی بسترهای شیشهای توسط مونتاژ لایهبهلایه - LBL - نانوذرات کامپوزیتی پلی استیرن سیلیکایی شبیه تمشک، تحقق بخشیده شد. البته پس از بازپخت حرارتی، و اصلاح با مواد دارای انرژی سطحی کم، پوشش سیلیکایی متخلخل خاصیت فوق آبگریزی عالی را نشان داد. علاوه بر این خاصیت ضدبخار سطوح آبدوست و آبگریز پوششهای سیلیکایی متخلخل برای کشف پتانسیل ضدبخار بودنشان مطالعه شد.
