فناوری نانو بر روی پنجره

شيشه ماده‌ شفافی است که به خوبی آن‌را می‌شناسيم و درهر شرايطی که زندگی کنيم، برای تامين نورطبيعی ساختمان‌‌ها ازآن استفاده می‌کنيم ومی‌دانيم که يک جسم شيشه‌ای بسته به رنگ و ضخامتی که دارد ، در برابر نوررفتارمتفاوتی نشان می‌دهد. شيشه‌های معمولی بيشترِ نور تابيده شده را عبور می‌دهند، بخشی از آن‌ را هم منعکس می‌کنند و مقدارکمی را هم جذب می‌نمايند. اما معمولاعايق‌های حرارتی خوبی نيستند. آلودگی را هم به سرعت به خود جذب می‌کنند.

جذب آلودگی ها شايد برای شيشه‌های پنجره يک خانه مسکونی چند طبقه اهميت چندانی نداشته باشد، اما برای ساختمان‌های بلند مسئله قابل توجهی می‌شود.

فناوری نانو با پوشش‌ها و لايه‌های نازک نانومتری خود آماده است تا شيشه‌های جديدی با قابليت‌های جديد ايجاد نمايد.

ويژگی‌های  ظاهری  و توانمندی عبور دهی نور در شيشه‌هايي که با لايه‌های نازک نانومتری پوشانده می‌شوند،حفظ می‌گردد اما درکنارآن قابليت‌های جديدی پيدا می‌کنند که بر زندگی روزمره ما تاثير دارد.

انواع شيشه‌های خودتميزشونده

نام اين شيشه‌ها شايد تا حدودی عملکرد آنها را نشان دهد . شيشه‌هايي که آلودگی چندانی را به خود نمی‌گيرند وبا بارش باران ويا تابش آفتاب کاملا تميزمی‌شوند. شيشه‌های خود تميزشونده به دو روش سطح خود راازآلودگی پاک می‌کنند. برای اينکه بهتربتوانيم اين دودسته را ازهم تشخيص دهيم، آنها را به دو دسته آب‌دوست و آب‌گريز تقسيم ‌بندی می‌کنيم.

فرض کنيد که کنار يک شیر آب ايستاده‌ايد و شاهد چکيدن آرام آرام قطرات آب بر روی يک صفحه شيشه‌ای هستيد. قطره آب پس از جدا شدن از شير تا رسيدن به صفحه شيشه‌ای به‌ صورت قطره باقی می‌ماند.اما با برخورد به سطح شيشه حالت قطره‌ای خود را از دست داده و بر روی سطح پهن می شود.

می دانیم آنچه باعث قطره‌ای ماندن آب در هوا می‌شود، نوعی نيروي ربايش بين مولکول‌های آب است که نيروی چسبندگی ناميده می‌شود و آنچه سبب پخش شدن آب بر روی شيشه می‌شود ، نوعی نيروی ربايش بين مولکول‌های آب و شيشه

است که به آن نيروی چسبندگی سطحی گفته می‌شود.

در اين مثال نيروی ربايش بين مولکول‌های آب - آب کمتر از آب-شيشه است و

 اين باعث پخش شدن آب بر روی شيشه می‌شود .

حال اگر روی همين شيشه مقداری روغن بماليد ، قطرات آب به شکل‌ کروی‌ تری بر روی شيشه قرارمی‌گيرند وپخش نمی‌شوند. شما با ماليدن روغن برروی شيشه نيروی ربايش بين مولکول‌های آب - شيشه راکم کرده‌ايد و ناخود آگاه باعث شده‌ايد که نسبت نيروی بين مولکول‌های آب-آب به مولکول‌های آب - شيشه بيشتر شود .این امر سبب شده که آب به صورت قطره‌ای بر روی سطح قرار گيرد.دراين حالت می‌گوییم سطح شیشه اول،آب‌دوست وسطح شيشه روغنی دوم آب‌گريزاست.برای تشخيص آب‌دوستی يا آب‌گريزی يک سطح، می‌توانيم زاويه برخورد قطره آب با آن سطح رامحاسبه کنيم.

اگر زاويه تماس کمتر از 30 درجه باشد، سطح آب‌دوست و اگر زاويه تماس مساوی و بيش‌تر از 90 درجه باشد، سطح آب ‌گريز است. البته اگر زاويه تماس بيشتر از 150 درجه باشد، می‌گوییم سطح ابر آب‌گريز (بسيار آب‌گريز) است.

شيشه‌های خودتميزشونده آب‌گريز
  ايده طراحی اين نوع شيشه‌ها از برگ نيلوفر آبی گرفته شده است . نيلوفر آبی (لوتوس)نوعی گياه آبزی است که در آب گل‌آلود می‌رويد. برگ‌های نيلوفرآبی معمولا عاری ازهرگونه آلودگی هستند و اگر هم آلودگی بر روی سطح اين برگ‌ها بنشيند ، با بارش باران سريع تميزشده وازپاکيزگی می‌درخشند.ازاين‌روگفته می‌شود که برگ‌های نيلوفر آبی خودتميزشونده هستند.

آزمايش‌ها نشان می‌دهد که سطح برگ نيلوفر آبی، يک سطح بسيار آب‌گريز است. اين مسئله باعث می‌شودکه نيروی چسبندگی سطحی بين آب وآلودگی بيشتراز نيروی چسبندگی سطحی ميان آلودگی وسطح باشد.ازاين‌روهنگامی‌که يک قطره آب برروی سطح برگ می‌غلتد، آلودگی را همراه خودحمل کرده و ازسطح دور ‌می‌کند

ارتباط آب گریزی و نانو

 دانشمندان دريافته ‌اند که سطح برگ نيلوفر پوشيده از برآمدگی‌های ميکرومتری است. اين برآمدگی‌ها سطح تماس قطره آب با برگ را کاهش می‌دهند و در نتيجه قطره نمی‌تواند به راحتی بر روی سطح پخش شود. برای اينکه اين موضوع را بهتر متوجه شويم، فرض کنيم که سطح برگ مانند يک صفحه چوبی بزرگ است و من و شما مانند قطراتی هستيم که روی برگ قرار دارند. در حالت عادی ما می‌توانيم به آسانی روی اين صفحه چوبی دراز بکشيم ، اما اگرسطح صفحه را با تعداد زيادی ميخ بپوشانند ، آیا باز هم می‌توانيم به همان راحتی روی آن بخوابيم يا ترجيح می‌دهیم به سرعت از روی آن عبور کنيم!؟ در کدام حالت سطح تماس بدن ما با صفحه چوبی بيشتر است؟ وجود برآمدگی‌ها ميکرومتری سطح تماس ونيروی چسبندگی سطحی ميان قطره آب و برگ نيلوفر را کاهش می‌دهد.

    وجود برآمدگی‌های ميکرومتری سطح برگ را آب‌ گريز می‌کند ، اما در عمل  برگ نيلوفر از خود خاصيت ابرآب‌گريزی نشان می‌دهد. يعنی زاويه تماس بين قطره آب و سطح برگ بيش از 150 درجه است.علت اين مسئله برآمدگی‌های نانومتری است که بر برآمدگی‌های ميکرومتری قرار گرفته‌اند. با وجود اين برآمدگی‌ها، سطح تماس آب و برگ کاهش بيشتری می‌يابد. اين دو نوع برآمدگی در مجموع سطح بسيار زبر و ناصافی را برای برگ نيلوفر بوجود آورده‌اند ودرنتيجه سبب آب ‌گريزی شديد آن شده‌اند.به اين رفتار خودتميزشوندگی نيلوفر آبی که ناشی از ساختار ميکرومتری-نانومتری آن است،"اثر لوتوس" گفته می‌شود.
دسته‌ی اول شيشه‌های خود تميزشونده با الگوبرداری از"اثرلوتوس” ساخته شده‌اند. در اين نوع شيشه‌ها پوشش نازکی برسطح شيشه قرارمی‌گيردکه ناصافی‌های ميکرومتری و نانومتری آن،موجب کاهش نيروی چسبندگی سطحی ميان قطرات آب و سطح شيشه می‌شود.به عبارت ديگردراين نوع شيشه‌ها قابليت خودتميزشوندگی،با افزايش خاصيت آب‌گريزی ايجادمی‌شود.

شيشه‌های خودتميزشونده آب ‌دوست

شيشه‌های دسته دوم رفتار و عملکرد متفاوتی از شيشه‌های دسته اول دارند. برای فهم چگونگی کارکرد اين شيشه‌ها لازم است که با نوع خاصی از مواد شيميايي به نام فوتوکاتاليست‌ آشنا شويم.

فوتوکاتالیست ها موادی هستند که در حضور نور از خود خاصيت کاتاليستی نشان می‌دهند.يعنی اگر اين مواد درمعرض تابش نور قرار گيرند ، می‌توانند سرعت انجام يک واکنش خاص را بدون دخالت درآنافزايشدهند.

يکی از مهمترین فوتوکاتالیست ها تيتانيوم دی‌اکسيد می باشد.هنگامی‌که تيتانيوم دی‌اکسيد در معرض تابش اشعه ماورای بنفش قرار می‌گيرد تغييراتی در ساختارآن به وجود می‌آيد که آنرابه ماده‌ای بسيارفعال وبسيار آب‌ دوست تبديل می‌کند. اگر اندازه اين ذرات تا حد چند نانومتر کوچک باشد، اين ماده آن ‌قدر فعال می‌شود که می‌تواند به طورکامل با آلودگی‌ها، لکه‌های چربی ومواد آلی روی شيشه واکنش داده و آنها را به آب و دی اکسيد کربن تبديل کند.

اين واکنش ، چسبندگی ذرات آلودگی را به سطح کاهش می‌دهد. از سوی ديگر بر روی يک سطح بسيار آب‌ دوست، آب به طور کامل و به صورت يک لايه پخش می‌شود.اين لايه يکنواخت آبی می‌تواند ذرات وآلودگی‌هايي را که به ‌طور ضعيفی به سطح متصل شده‌اند،ازجا کنده وباخود پايين آورد.

مکانیزم اثر آب دوستی   TIO2

تيتانيا يك ماده نيمه هادي است كه باند ممنوعه نسبتاً وسيع (حدود 3/2 الکترون ولت) دارد. وقتی یک پرتو نور با انرژی مساوی یا بالاتر به آن بتابد الکترون از باند ظرفيت خارج شده و به باند هدايت می رود. بدين ترتيب يك حفره در باند ظرفيت و يك الكترون در باند هدايت ايجاد خواهد شد . درنتيجه اين عمل يك جفت الكترو– حفره بوجود مي آيد . يون هاي هيدروكسيل(OH) در داخل حفره مي افتد و منجر به تشكيل راديكال هاي هيدروكسيلي مي شوند كه عاملين اكسيداسيون بسيار قوي هستند.

وقتي كه تله ها براي الكترون ها گونه هاي اكسيژني باشند ، منجر به تشكيل گونه هاي سوپر اكسيدي   O2 می شوند که عوامل كاهنده قوي هستند . توليد اين عوامل كاهنده و اكسيد كننده قوي سبب مي شوند تا ماده آلي به CO2 یا H20 تبديل شود . بدين ترتيب قدرت چسبندگي ماده آلي روي سطح شيشه كم شده و محصولات توليد شده حاصل از واكنش چربي ها با پوشش در اثر وزش باد يا بارش آب باران از سطح جدا مي شوند

با نگاه به جدول عناصر کمتر عنصری را می توان یافت که از آن شیشه بدست نیاید.ولی سه ماده کربنات سدیم، سنگ آهک و سیلیس مواد اصلی تشکیل دهنده شیشه می باشد. در ساخت شيشه ، ليزرهاي فتوكاتاليتي روي نوارهاي شيشه اي داغ در دماي بالای  600 پاشيده مي شوند .اين فرآيند پوشش دهي پيروليزناميده

مي شود. اين روش شامل تجزیه فیزیکی بخار است که در یک محفظه خلا انجام می شود.

مزايا و ويژگي هاي شيشه هاي خود تميز شونده :

ü  پس زدن آب و روغن از روي سطوح .

ü   عدم چسبيدن آلودگي و كثافات بر روي سطوح .

ü  پاك شدن گل و لاي بوسيله آب باران .

ü   عدم رسوب گرفتن سطوح .

ü   ممانعت از خوردگي شيشه .

ü   بكاربردن اين شيشه ها درخودرو باعث مي شود سطح شيشه   اتوموبيل             50000 کيلومتر بدون برف پاک کن تميز بماند.

ü   افزايش استحكام و مقاومت شيشه در برابرخش افتادگي.

ü  جلوگيري از تشكيل اثر انگشت روي شيشه .

ü   تا 20 % شيشه روشن تر و شفاف تر مي شود .

ü   تا 30 % سطح شيشه يكنواخت تر مي شود .

ü   افزايش ديد از طريق شيشه در شرايط بد آب و هوايي .

ü  كاهش انتقال صدا تا 24 % در مقايسه با شيشه هاي معمولي .

ü   كاهش مقدار عبور اشعه   UV از شيشه بدين ترتيب از کدر سطوح کنترلی و      

     داشبورد جلوگيری می کند.