مقاله فناوری نوین سطوح خود تمیز شونده و کاربردهای آن در معماری

بخشی از مقاله

چکیده

فوتوکاتالیز عبارت است از تسریع یک واکنش نوري در حضور یک کاتالیست، یک ماده کاتالیتیک در یک واکنش شرکت کرده و ترانس فورمیشن شیمیایی سوسبترا را تسریع میکند و در نهایت خودش در پایان یک سیکل کاتالیتیک بدون تغییر باقی میماند. نانوذرات دي اکسید تیتانیم نیز به عنوان فوتوکاتالیست میتوانند در پوشش دیوارهاي خود تمیز شونده بهکار روند و آلودگیهاي متعددي را در دماي اطاق از طریق اکسیدایون با استفاده از نور خورشید یا نور مصنوعی به عنوان یک منبع انرژي نابود کرده و حذف نمایند.

فوتوکاتالیست نانو ذرات دي اکسید تیتانیوم نه تنها سطح را از طریق واکنش فوتو شیمیایی به یک سظح خود تمیز شونده مبدل کرده بلکه استفاده از دي اکسید تیتانیوم در پوشش دیوارها باعث حذف آلایندههاي محیطی مظیر مواد آلی سمی و غیر قابل تجزیه در هوا وتخریب باکتري ها و ویروس ها و در کل باعث تصفیه هوا نیز میشود.

در نتیجه با استفاده از نانو ذرات دي اکسید تیتانیوم میتوان تا حد زیادي از آلودگیهاي محیطی کاست. در نتیجه عملکرد بالا و خصوصیات منحصر به فرد نانو ذرات دي اکسید تیتانیوم، ازران قیمت بودن و بازده بالاي نانو ذرات دي اسید تیتانیوم در این مقاله به بررسی سیکل واکنش نانو ذرات دي اکسید تیتانیوم در از بین بردن آلودگیها در پوشش دیوارهاي خود تمیز شونده و مزایاي ساخت دیوارهاي خود تمیز شونده و کاربرد دیوارهاي خود تمیز شونده در معماري و اماکن عمومی از قبیل خیابانها، بیمارستانها، مدارس و ادارات و همچنین میزان نانو ذرات در اکسید کربن تیتانیوم مود نیاز به صورت پودري یا امولسیسون براي کاربرد به صورت میکس در پوشش دیوارها پرداخته شده است.

-1  مقدمه

بسیاري از فناوريهایی که در جهان امروز وجود دارند از جمله فرایند خودتمیزشوندگی از طبیعت الهام گرفتهاند. در طبیعت اطراف ما بسیاري از سطوح، مثل بال پروانهها و برگ گیاهانی مانند نیلوفر آبی، داراي خاصیت خودتمیز شوندگی هستند. بهعلت کاربرد بسیار فراوان سطوح خودتمیزشونده در شیشه پنجرهها، صفحات خورشیدي، و صنعت نساجی، این فناوري در قرن بیست و یکم توجه زیادي را به خود جلب کرده است. فناوري خودتمیزشوندگی موجب کاهش هزینههاي مربوط به نگهداري و مدتزمان لازم براي تمیزنگهداشتن تجهیزات و همینطور سبب افزایش دوام آنها میشود. سطوح خودتمیزشونده بهطور کلی به دو دسته تقسیم میشوند:

-1 سطوح خودتمیزشونده آبدوست

-2 سطوح خودتمیزشونده آبگریز البته هر دو دسته به کمک آب خود را تمیز میکنند. در پوششهاي آبدوست آب در سطح گسترده میشود.

ورقه اي شدن آب؛ به این ترتیب، میتواند چرك و سایر آلودگیها را با خود حمل کند و از بین ببرد. در حالی که در سطوح آبگریز قطرات آب روي سطح سر میخورند و آن را تمیز میکنند. مزیتی که سطوح خودتمیزشونده آبدوست نسبت به سطوح آبگریز دارند این است که اگر از اکسیدهاي فلزي مناسب استفاده شود، بهکمک نور خورشید، سبب از بین رفتن ساختار شیمیایی آلودگیها میشوند

اما بهعلت در دسترسبودن فناوريهاي موجود، آنچه امروزه بهعنوان سطوح خودتمیزشونده کاربرد بیشتري دارد، سطوح آبگریز است.[2] در این تحقیق به بررسی فناوري سطوح خودتمیزشونده، سازوکار عملکرد آنها، پوششهاي خودتمیزشونده و کاربرد این سطوح در معماري میپردازیم.

-2  هدف و بیان مساله

فرآیند کثیف شدن و آلوده شدن نماهاي خارجی احتمالاً قدمتی به اندازه قدمت شهرها دارد. متاسفانه آلودگی صنعتی این مشکل را با تاثیر بر روي کیفیت محیط زیست شهري کاملاً تشدید کرده است. توسعه مواد جدید که می توانند به آسانی بر روي نماهاي خارجی بکار روندو داري ویژگیهاي آلودگی زدایی و خود تمیز کنندگی هستند یک گام بزرگ در جهت بهبود کیفیت زندگی شهري است. با شروع از اواخر 1960، ما در یک داستان آشکار کننده درگیر می شویم که شخصیت اصلی آن ماده شگفت انگیز دي اکسید تیتانیوم است.

ویلیام بارتلات - کاشفو توسعه دهندة اثر نیلوفر آبی - از دانشگاه بن آلمان، چشم اندازي از شهر منهتن خودتمیزشونده را مطرح نموده است که در آن یک باران کوچک، پنجرهها و دیوارهاي آسمان خراشها را همانند یک نیلوفر آبی کاملاً تمیز میکند. در جایی دیگر، وي چادرها و سایبانهایی را معرفی میکند که با استفاده از بافتهاي جدید و بدون مداخلهي انسان، تمیز و بدون لک باقی میمانند. البته او تنها شخصی نیست که چنین چشم اندازهایی را مبتنی بر به کارگیري اشیاي خودتمیزشونده - که به ندرت نیاز به شستشو دارند - در آینده مطرح میکند؛ در ژاپن فناوريهایی براي توسعه سطوح خودگندزدا و ضدعفونیکننده براي حمامها و بیمارستانها وجود دارد.

میخاییل رابنر و رابرت کوهن از مؤسسهي فناوري ماساچوست، فناوريهاي مشابهی را در ذهن خود مجسم میکنند که آینههاي حمامها را تمیز و بدون بخار نگه داشته، میتوانند آزمایشگاههاي روي یک تراشه میکروسیالی را کنترل کنند. در چنین سیستمهایی سیالات از خلال معبرهاي میکروسکوپی عبور میکنند. هم اکنون ما پیراهن ها، بلوزها، دامنها و شلوارهایی را در اختیار داریم که سس گوجه فرنگی، خردل و قهوه را از خود دور میکنند.

پدیده مواد خودتمیزشونده با الهام گیري از نیلوفر آبی مقدس1در طبیعت آغاز شده است؛ این نوع دائمی آبزي جذاب پرتلألؤ در مذاهب و فرهنگهاي هند، میانمار، چین و ژاپن جایگاه ویژهاي دارد. نیلوفر آبی به دلیل تمیزي و پاکی استثنایی خود مورد احترام است. این گیاه در آب گلآلود میروید؛ اما برگهاي آن، پس از بیرون آمدن چند متر بالاتر از سطح آب قرار میگیرد که این امر از کثیفی آن جلوگیري میکند. قطرات آبی که بر روي یک برگ نیلوفر آبی قرار میگیرند، تلألؤ عجیبی دارند و آب باران آلودگیها را به سادگی و راحتتر از هر گیاه دیگري از آنها میزداید.

سطوح خود تومیزشونده می توانند در عین حال که کاربردهاي بسیاري در صنعت دارند، در فناوري معماري نیز مورد بهره برداري قرار گیرند. بر همین اساس، تحقیق حاضر به بررسی کاربرها و مزایاي این فناوري پرداخته و به دنبال مطالعه در خصوص کاربردهاي سطوح خود تمیزشونده در فناوري معماري است.

-3  سوابق تجربی و پیشینه تحقیق

ویژگی تمیز شوندگی استثنایی این گیاه، توجه بارتلات را به خود جلب کرده است. در دههي هفتاد قابلیتهاي میکروسکوپ الکترونی روبشی، وي را مجذوب ساخت . این میکروسکوپ به صورت تجاري در سال 1965 عرضه گردید و عکسهاي واضحی را از محدودة پایینتر از نانومتر ارائه داد. در چنین درجهاي از بزرگنمایی، یک لکه از آلودگیها میتواند تصویر را خراب کند، لذا تمیز بودن نمونهها ضروري است؛ اما بارتلات متوجه شد که برخی از گیاهان ظاهراً هرگز نیاز به شستشو ندارند که سر دسته آنها نیلوفر آبی است.

به عقیده ي بارتلات این اثر از ترکیب دو خصوصیت در سطح برگ این گیاه - مومسانی این برگ و برامدگیهاي میکروسکوپی که سطح آن را پوشاندهاند و اندازة آنها چند میکرون است - ایجاد میشود. وي از فیزیک پایه دریافت که تنها ویژگی مومسانی این برگها باعث آبگریزبودن آنها میگردد. در چنین مادهاي قطرات آب به شکلی قرار میگیرند که کمترین سطح تماس را با سطح ماده داشته باشند. آب بر روي یک مادة آبدوستتر بر روي سطح ماده پخش میشود تا سطح تماس، بیشینه شود. براي یک سطح آبدوست، زاویهي تماس - زاویهاي که از برخورد سطح قطره با ماده ایجاد میشود - کوچکتر از 30 درجه است؛ در حالی که زاویهي تماس یک سطح آبگریز، بزرگتر از 90 درجه است 

علاوه بر این وي کشف کرد که برامدگیهاي بی شماري این مسئله را تشدید کرده، موجب شوندمی که سطح این نیلوفر اَبر آبگریز باشد - یعنی زاویهي تماس بیش از 150 درجه باشد - .قطرات آب بر روي چنین سطحی به صورت قطرات کوچک تقریبا کروي درمی آیند که سطح تماس بسیار کوچکی دارد و به سهولت یک بلبرینگ، بر روي سطح میغلتند. آب همانند شخصی که بر روي بستري از میخ دراز کشیده باشد، بر روي نوك برآمدگیها مینشیند. هواي گیر افتاده بین آب و سطح برگ در فضاهاي اطراف برآمدگیها، زاویهي تماسی را افزایش میدهد. این اثر به وسیلهي معادله کاسی - باکستر - ايبیدي کاسی و اس باکستر در دههي چهل براي نخستین بار این معادله را ابداع کردند - توجیه میشود.

بارتلات مشاهده کرد که آلودگی و چرك به شکل مشابهی و تنها به وسیلهي نوك برآمدگیهاي برگ گیاه مذکور در تماس است. قطرات باران به آسانی چرك را ترك کرده، آن را از برگ به پایین میغلتانند. کشف ارتقاي تمیز شوندگی به وسیلهي برآمدگیهاي میکروسکوپی، به شکل شگفت آوري پرتناقض است. او میگوید: »من دیده بودم که در برامدگیها و فرورفتگیهاي پیشبند مادرم، آلودگی و چرك جمع میشود و براي تمیز نگه داشتن اشیا باید این برامدگیهاي جذبکنندهي آلودگی را هموار کرد؛ اما بررسیهاي عمیق بر روي این نوع نیلوفر نشان داد که این مطلب کاملا درست نیست.«

ایجاد یک سطح ابر آبگریز بر روي یک شیء با استفاده از اثر نیلوفرآبی آسان نیست. خصوصیت یک مادهي آبگریز ذاتا دافعه است؛ اما باید این سطح را که دافع همه چیز است، بر روي این شیء چسباند و به آن متصل کرد. با این حال، در اوایل دههي نود، بارتلات »قاشق عسل« را ابداع نموده بود. این قاشق داراي یک سطح سیلیکونی زبر - داراي برآمدگیهاي میکروسکوپی - بود و به عسل اجازه میداد تا بدون اینکه چیزي در قاشق بماند، از آن جدا شود.

سرانجام این محصول برخی از شرکتهاي شیمیایی بزرگ را متقاعد کرد که این راهکار، ارزشمند به شمار میرود و توان تحقیقاتی آنها به زودي راههاي بیشتري را براي به کارگیري این اثر خواهد یافت. تاکنون مهمترین کاربرد این محصول، رنگنماي خارجی StoLotusan براي ساختمانهاست که شرکت چند ملیتی آلمانی استو ايجی در سال 1999 آن را معرفی کرد و یک موفقیت بزرگ بود. »اثر نیلوفر آبی« هم اکنون در آلمان در عرصهي ابزارهاي خانگی شناخته شده است. در اکتبر سال گذشته، نشریهي Wirtschaftswoche آن را به عنوان یکی از 50 اختراع برتر سالهاي اخیر در این کشور معرفی کرد.

-4  اثر خود تمیز شوندگی

پدیده خودتمیزشوندگی به زاویه تماس بستگی دارد. زاویه تماس در فصل مشترك سه فاز جامد و مایع و گاز در محل تماس قطره مایع با سطح جامد تشکیل میشود. بهطور کلی، اگر زاویه تماس کمتر از 90 درجه باشد، سطح را آبدوست میگویند، در حالی که اگر این زاویه بیشتر از 90 درجه باشد، سطح را آبگریز مینامند. سطوح با زاویه تماس نزدیک به صفر درجه ابرآبدوست و سطوح با زاویه تماس بیشتر از 150 درجه ابرآبگریز نام دارند. سطوح آبگریز داراي انرژي سطحی بسیار پایین هستند، در حالی که انرژي سطحی سطوح آبدوست بسیار بالاست؛ استفاده از فناوري نانو و بروز خواص متفاوت در ابعاد نانومتري دستیابی به سطوح ابر آبگریز و ابر آب-دوست را ممکن کرده است

-4-1  سطوح آبدوست و ابر آبدوست

برخلاف سطوح آبگریز و ابرآبگریز که فقط از سازوکار جریان قطرات آب براي اثر خودتمیزشوندگی استفاده میکنند، سطوح آبدوست ساختار شیمیایی آلودگیها را در مجاورت نور خورشید از بین میبرند. این فرایند فوتوکاتالیزنام1 دارد. این فناوري اساساً از فوتوسنتز برگ سبز درختان الهام گرفته شده است.