کاربرد نانوپوشش‌ ها

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- نانوپوشش ها به چه کار می آیند؟
1-1- نانوفیلترها
2-1- پوشش‌های ضد سایش
3-1- OLED
4-1-پوشش‌های فوتوکاتالیستی با خاصیت خودپاک‌کنندگی
5-1- استفاده از لایه‌های ضد نور UV
6-1-پوشش‌های هوشمند
2- نتیجه‌گیری و مرور کلی

این‌همه تلاش برای چیست؟ استفاده از فناوری‌های نوین برای دستیابی به محصولات بهتر و کارایی بالاتر، مهم‌ترین و تنها عامل اختراعات و اکتشافات است. نانوپوشش‌ها هم ویژگی‌های محصولات را از جنبه‌های مختلف افزایش داده‌اند. در فعالیت‌های صنعتی می‌توان به پوشش‌دهی نانومتریِ ضد سایش، ضد خش و مقاوم در برابر خوردگی اشاره کرد. پوشش‌های اپتیکی هم به‌سرعت در حال پیشرفت هستند. کاربردهای پزشکی و بهداشتی هم بیشترین تأثیر را روی سلامتی و زندگی ما دارند. برای مثال پوشش‌های نانوکامپوزیتی در صنایع بسته‌بندی سبب نازک‌تر شدن بسته‌بندی و سبکی و طولانی‌تر شدن عمر مواد غذایی می‌شوند. (شکل 1)

دستة دیگر، کاربردهای الکتریکی و الکترونیکی هستند که موجب کوچک‌تر شدن قطعات الکترونیکی، افزایش ذخیره‌سازی اطلاعات، ساخت پوشش‌ها با رسانایی بالا و غیره می‌شوند. در ادامه، برخی از مهم‌ترین محصولات و کاربردهای حاصل از پوشش‌دهی نانومتری را توضیح می‌دهیم.

ما از فیلتر چه انتظاری داریم؟ فیلترهای معمولی چه میزان از نیاز ما را برطرف می‌کنند؟ برای افزایش دقت چه تدبیری باید اندیشید؟
وقتی سرما می‌خورید یا در معرض هوای آلوده هستید، برای جلوگیری از ورود میکروب، ویروس یا مواد سمی مثل سرب، چه کاری انجام می‌دهید؟ اکثراً از یک ماسک سفید استفاده می‌کنند. (البته بعضی‌ها حاضرند سرب بخورند، ولی از این ماسک‌ها استفاده نکنند)
ماسک‌های متداول می‌توانند جلو ورود باکتری‌ها را بگیرند، ولی باکتری‌ها را از بین نمی‌برند. به این صورت که آنها را روی خود جذب می‌کنند. بعد از مدتی باکتری‌ها و ذرات، روی پوشش جمع می‌شوند و لایه‌ای از مواد مضر را تشکیل می‌دهند و چون ماسک با سیستم تنفسی در ارتباط است، استفاده از آن خطرناک است و در نتیجه نیاز به تعویض دارد. این مشکل را پوشش‌های نانوذرات نقره حل کرده‌اند. ویژگی این پوشش از بین بردن میکروب‌هاست. در نتیجه این ماسک‌ها طول عمر بیشتر و کیفیت بهتری نسبت به ماسک‌های معمولی دارند. (شکل 2)

شرکت Argonide Nanomaterials سازنده نانوذرات و محصولات نانوفیلتراسیون است. این فیلترها از الیاف نانومتری آلومینا ساخته شده‌اند. این الیاف ذرات نانومتری را به خود جذب می‌کند و نگاه می‌دارد. از این فیلتر می‌توان برای تصفیة آب استفاده کرد، چون 99/9 درصد ویروس‌ها را در جریان آب با سرعتی بیشتر از نمونه‌های فعلی حذف می‌کند. در بیشتر نواحی جهان، به‌خصوص جهان سوم، مردم دسترسی کمی به آب آشامیدنی دارند و استفاده از این محصول برای این گروه از انسان‌ها بسیار مفید خواهد بود.

خیلی از ابزار مثل ابزارآلات برش، مته و غیره، به علت کاربردشان بیشتر در معرض اصطکاک قرار می‌گیرند و زودتر ساییده می‌شوند. شرکتNanodyne این مشکل را با ساخت پوششی کامپوزیتی حل کرده است. این پودر کامپوزیتی ترکیبی از کاربید تنگستن و کُبالت است که اندازة دانه‌های آن از 15 نانومتر بیشتر نمی‌شود و بر اثر پخت به ماده‌ای سخت‌تر از الماس تبدیل می‌گردد و پوشش بسیار مناسبی برای ابزار آلات تولید می‌کند. (شکل 3)

یکی از محصولات مهم فناوری ‌نانو، ساخت صفحات نمایشگر بلور مایع با استفاده از لایه‌های پلیمری فولرین است که به OLED مشهورند. به طور خلاصه، فولرین‌ها به خاطر خواص نورانی‌شان می‌توانند وضوح بیشتری به مانیتور بدهند. بنابراینOLED ها نسبت به LCD ها قابلیت تفکیک و وضوح بالاتری دارند. (شکل 4)

این کاربرد نانوپوشش‌ها بیشتر مورد علاقة دانش‌آموزانی است که وقتی از مدرسه به خانه باز می‌گردند باید جواب مادرشان را بدهند که چرا لباس‌هایشان خاکی و گچی است! در چنین شرایطی لباس‌هایمان را می‌شوییم، ولی در مقیاس‌های بزرگ مثل دیوار، کف اتاق، قطعات و… تمیز کردن، هم پرهزینه است و هم وقت‌گیر. (شکل 5)

بنابراین بهترین راه حل این است که اصلا کثیف نشوند که بخواهیم تمیزشان کنیم.( قابل توجه افراد تنبل)
امروزه قطعاتی طراحی شده‌اند که هیچ‌گاه کثیف نمی‌شوند و علاوه بر این، قابلیت تمیزکنندگی و تصفیه را نیز دارند. پوشش‌های فوتوکاتالیستی جزو این گروه هستند. این پوشش‌ها از بلورهایی تشکیل شده‌اند که در مقابل نور خاصیت خود‌پاک‌کنندگی پیدا می‌کنند. این پوشش می‌تواند با اسپری کردن روی انواع سطوح قرار بگیرد و با تجزیة مواد آلوده‌کنندة هوا آن را هم تصفیه کند. لباس‌های ضد لک هم خاصیت خودتمیزشوندگی دارند، ولی سازوکارشان با پوشش‌های فوتوکاتالیستی متفاوت است.
اگر برگ نیلوفر آبی را تا حالا دیده باشید (اگر تا حالا دقت نکرده‌اید، به عکس نگاه کنید)، همیشه قطره‌های آب روی آن و در مرکز برگ جمع می‌شوند، ولی هیچ‌گاه برگ خیس نمی‌شود. (شکل 6)

دستتان را با کرِم چرب کنید و بعد آن را توی آب فرو ببرید. این تجربه‌ای است که احتمالاً پیش از این داشته‌اید. در این حالت آب قطره قطره روی دستتان قرار می‌گیرد و به سمت پایین سرازیر می‌شود. شیشه‌های ضد بخار هم با همین روش عمل می‌کنند. در این حالت لایه‌‌ای را روی سطح شیشه می‌نشانند که با آب خیس نمی‌شود (مثل پرهای مرغابی در آب در شکل 7)

یعنی وقتی بخار روی سطح شیشه می‌نشیند، نمی‌تواند مثل یک لایة نازک روی آن جا خوش کند، بلکه به صورت قطره قطره در‌می‌آید و از روی آن سُر می‌خورد.

یکی از نعمت‌های خوب خدا که به آن کم توجه می‌کنیم، لایة اُزُن است. این لایه مقدار زیادی از پرتو UV (Ultra Violet) یا ماورای بنفش را جذب می‌کند. با وجود این، مقداری از آن نیز به سطح زمین می‌رسد که گرچه اندک است، اما با سوراخ شدن لایة اُزُن (نمونه‌ای از شاهکارهای بشر!) مقدار آن بیشتر شده و خطر خراب شدن لایه‌های پوست افزایش زیادی پیدا کرده است. محققان با دو روش از این تخریب جلوگیری می‌کنند. روش اول که در ادامه توضیح داده می‌شود، با استقبال خوب صنایع آرایشی مواجه شده است. این صنایع در کرم‌های ضد آفتاب از روش اول استفاده کرده‌اند و چون ما آدم‌ها به زیبایی و سلامت خود اهمیت زیادی می‌دهیم، از این راه پول خوبی به جیب زده‌اند.
حالت اول این است که اجازة نفوذUV را به سطح مورد نظر نمی‌دهند. فکر می‌کنید برای این کار، با توجه به توضیحاتی که قبلاً داده‌ایم، بهترین نوع پوشش چیست؟ درست است، لایة نازک بسیار مناسب است. ولی به جز آن از نانوذارات هم می‌توان استفاده کرد. (شکل 8)

در حالت دوم UV جذب می‌شود. برای این کار از نانوذرات اکسید روی استفاده می‌کنند. یکی از علل مرغوبیت کرم‌های آفتاب ساخته‌شده با نانوذرات اکسید روی، شفافیت این نانوذرات است. در گذشته هم موادی را به کرم‌های آفتاب اضافه می‌کردند، ولی این مواد موجب کدر شدن کرم می‌شد. ولی نانوذرات به علت ریز بودن تغییری در رنگ کرم ایجاد نمی‌کنند.

هنوز تحقیقات در این زمینه ادامه دارد، ولی اثرات آن به این‌گونه خواهد بود:
روزی را تصور کنید که برای عوض کردن رنگ ناخن‌هایتان به ناخنتان دستور شفاهی بدهید! شما از مایعی شفاف استفاده خواهید کرد که با تغییر جای اتم‌هایش دستور شما را عملی می‌کند. این مواد هوشمند از روش شکست نور استفاده خواهند کرد، درست مثل بال پروانه. ولی خدا آن روز را نیاورد! همین‌طوری هم مدل ناخن‌ها عجیب و غریب است، چه رسد به اینکه دست‌های هر کس مثل یک جعبه مدادرنگی بشود!

در این گزارش با تعاریف پوشش، روش‌های تولید، خواص و کاربردهای آنها آشنا شدیم و هر یک از مباحث فوق را در مورد نانوپوشش‌ها بررسی کردیم. درک مفهوم نانوپوشش‌ها مستلزم بیان پیش‌زمینه‌ای دربارة پوشش‌هاست. به طور کلی نانوپوشش‌ دربرگیرندة مفهوم لایه‌های نانومتری و روکش‌های نانوساختار است. در کل، نانوپوشش‌ها دارای خواص بهتری نسبت به پوشش‌های معمولی هستند و از نظر کاربردی می‌توان آنها را در مصارف حساس به ‌کار برد. اگر‌چه به طور کلی روش‌های تولید این نوع از پوشش‌ها با روش‌های تولید پوشش‌های متداول تفاوت چندانی ندارد، اما می‌توان با دقت در پارامترها و شرایط تولید، چنین پوشش‌هایی را هم تولید نمود. کاربردهای نانوپوشش‌ها با توجه به ساختار ویژة آنها و خواص ناشی از این ساختار تعیین می‌شود.