چکيده:
نانوپوششهاي هوشمند، از جمله مهم ترين دستاوردهاي بهره
گيري از فناوري
نانو در عرصه
ساخت و توليد پوشش ها به شمار مي روند که علاوه بر کارکردهاي
گوناگون و چند منظوره، انتظارات مصرف کنند را در زمينه صرفه
جويي در هزينه و انرژي برآورده مي سازند. مواد نانو ساختار در
پوشش هاي هوشمند ضد خوردگي، ضد رادار، تصفيه کننده هوا، تميز
کننده سطوح و پوشش هاي زيست فعال(1) بکار مي روند. اين مواد با
بهره گيري از برخي عوامل محيطي از جمله نور، گرما و يا با
حساسيت به برخي تغييرات شيميايي همچون وقوع واکنش خوردگي، عکس
العمل مناسب و کارکردهاي مورد انتظار را بروز مي دهند. در اين
مقاله نقش نانوذرات در عملکرد هوشمندانه هر يک از پوشش هاي فوق
مورد بررسي قرار مي گيرد
1- مقدمه:
اگرچه فناوري نانو تاکنون توانسته است در
بسياري از زمينه هاي توليد و کاربرد پوشش هاي هوشمند نقش مؤثر
را ايفا نمايد، با اين حال لزوم بهره گيري بيشتر از خواص ويژه
و بي نظير مواد نانو ساختار در اين عرصه بسيار ضروري به نظر مي
رسد. نانو پوشش هاي هوشمند با بهره گيري از نانوذرات فعال و
گروه هاي عاملي مناسب در ساختار مَحمل(2)، قادرند تا در مقابل
محرک هاي محيطي عکس العمل هاي هوشمندانه محافظتي، ترميمي،
جذبي، دفعي و يا خنثي کننده نشان دهند. از کاربردي ترين
نانوپوشش هاي هوشمند در صنايع نظامي، هوافضا دريايي مي توان
به پوشش هاي هوشمند ضدخوردگي اشاره کرد که قادر به تشخيص
زودهنگام و جلوگيري از خوردگي تجهيزات فلزي هستند. همچنين از
نانوپوشش هاي زيست فعال نظير پوشش هاي ضدباکتري و ضدخزه، براي
جلوگيري از تخريب ناشي از تجمع ميکروارگانيسم ها بر روي سازه
هاي فلزي و پيشگيري از افزايش وزن تجهيزات دريايي استفاده مي
شود. بر روي نماي بيروني ساختمان ها و يا سطح جاده هاي پرتردد
در نقاط بسيار آلوده، انواعي از نانوپوشش هاي هوشمند با کارکرد
ضدآلودگي هوا اعمال مي شوند که آلودگي هايي نظير اکسيدهاي ازت
و مواد فرار آلي محيط را جذب و خنثي مي کنند. با استفاده از
نانو پوشش هاي آب گريز و يا آب دوست نيز مي توان در هزينه هاي
شستشو و تميزکاري برخي قطعات ساختماني نظير شيشه ها و يا نماي
خارجي ساختمان ها صرفه جويي کرد. نانوپوشش هاي هيبريدي آب گريز
حتي در جلوگيري از خوردگي سطوح فلزي، بسيار کارآمد عمل مي
کنند. در اين مقاله سعي مي شود تا با بررسي نحوه عملکرد و
کاربردهاي برخي از نانوپوشش هاي هوشمند، ضرورت بهره گيري از
فناوري نانو در ساخت و توليد پوشش هاي هوشمند آشکارتر گردد.
2- نانوپوشش هاي هوشمند ضدخوردگي
به کارگيري نانوذرات در ساخت پوشش هاي
ضدخوردگي، از جمله مهم ترين دستاوردهاي فناوري نانو است. از
کارکردهاي مهم نانوذرات در پوشش هاي حفاظتي مي توان به بهبود
خواص سدکنندگي، محافظت آندي، کاتدي و افزايش خواص چسبندگي
اشاره کرده. استفاده از نانوذرات به عنوان حامل بازدارنده هاي
خوردگي نيز از کارکردهاي غيرمستقيم حفاظتي نانوذرات در ساخت
پوشش هاي هوشمند است.
نانوذرات با توجه به برخورداري از ويژگي
هايي نظير سطح جانبي و واکنش پذيري شيميايي بالا قادرند درصد
بالايي از ذرات بازدارنده خوردگي را بر روي خود حمل کنند. اصل
مهم در استفاده از نانو
ذرات براي
پوشش هاي هوشمند، انتخاب نوعي از نانوذره است که بتواند گونه
اي از اتصالات موقت يا بازدارنده ها را ايجاد کند که به محض
آزاد شدن محصولات جانبي خوردگي، اين اتصالات شکسته شده و
آزادسازي بازدارنده در محيط ممکن گردد.
در دسته اي از نانوپوشش هاي هوشمند
ضدخوردگي، اتصالات ايجاد شده ميان نانوذره و بازدارنده نسبت به
يون هاي هيدروکسيد که از محصولات جانبي عمده در فرايندهاي
خوردگي فلزات هستند حساس بوده و به محض آزاد شدن آن در محيط،
اتصالات شکسته شده و بازدارنده به طرف محل آسيب ديده حرکت مي
کند. بازدارنده به طرف آسيب ديده حرکت مي کند. بازدارنده در
واکنش با عوامل خورنده احيا شده، اکسيدهاي نامحلولي ايجاد مي
کند که بر روي سطح فلز رسوب و از نفوذ الکتروليت به سطح فلز
جلوگيري مي کند و موجب غيرفعالي شدن آن مي گردند. (شکل 1)
از مهم ترين مزاياي اين دسته از پوشش ها
عدم بکارگيري برخي بازدارنده هاي شيميايي نظير کرومات هاست که
به شدت سرطان زا هستند. استفاده از بازدارنده هايي نظير
کرومات ها در پوشش هاي غيرهوشمند به دليل آزادسازي مداوم آنها
حتي هنگام ايجاد نشدن واکنش خوردگي، موجب مصرف مقادير بسيار
زياد و بي رويه مي شد که خطرات زيست محيطي بسياري را به دنبال
داشت.
در انتخاب نوع نانوذره، در نظر گرفتن
مساحت جانبي بالا، قيمت کم و ايجاد يک سطح قابل دسترس از طريق
پخش خوب نانوذره(4) بسيار حائز اهميت است. نانوپوشش هاي هوشمند
توليد شده با استفاده از درصد ناچيزي بازدارنده (کمتر از 5
درصد) قادرند با پوشش هاي حاوي مقادير بالايي از بازدارنده (40
– 30 درصد) به خوبي رقابت کنند و حتي مقاومت خوردگي بهتري را
نشان دهند. نانوپوشش هاي ضدخوردگي هوشمند به ويژه براي اعمال
بر داخل مخازن ذخيره سوخت هواپيماها - که دسترسي به سطح داخلي
آنها دشوار است – بسيار کاربردي هستند.
3- نانوپوشش هاي ضد رادار
يکي از راه هاي نامرئي کردن تجهيزات نظامي
مانند هواپيماها، کشتي ها و زيردريايي ها از ديد رادارها،
استفاده از پوشش هاي هوشمند است. اساس کار رادارها بر توليد و
انتشار امواج الکترومغناطيسي با يک فرستنده و دريافت پژواک(5)
احتمالي از طريق گيرنده است. در صورت وجود پژواک، صفحه نمايش
رادار آن را به صورت يک نقطه نوراني نشان مي دهد، همچنين
رادارها با محاسبه مدت رفت و برگشت امواج قادر به تشخيص فاصله
و سرعت هدف هستند. فلزات، امواج رادار را به خوبي منعکس مي
کنند؛ لذا بدنه فلزي يک هواپيما جسمي ايده آل براي انعکاس
سيگنال هاي منتشر شده از سوي يک رادار است. براي نامرئي کردن
اهداف نظامي مانند هواپيماها و کشتي ها دو روش به کار مي رود:
1- تغيير شکل بدنه اهداف نظامي: با
تغيير شکل بدنه اهداف نظامي مي توان انعکاس امواج انتشار يافته
از رادار را به سمتي غير از تجهيزات رادار هدايت کرد. بيشتر از
هواپيماهاي موجود شکلي منحني دارند. اين نوع طراحي در ضمن
اينکه آنها را آيروديناميک مي
کند، سبب مي شود امواج رادار با برخورد به هر جاي هواپيما، به
طرف تجهيزات رادار منعکس گردد، در حالي که با تغيير شکل سازه
از حالت منحني به سطوح با لبه هاي تيز مي توان موجب پخش امواج
رادار در جهاتي غير از جهات قابل تشخيص توسط رادار شد (شکل 2):
2- پوشش دادن اهداف نظامي با مواد
جذاب امواج الکترومغناطيسي: پوشش
هاي جاذب امواج رادار، حاوي موادي هستند که انرژي موج را به
طور متناوب جذب و در داخل خود به حرارت تبديل مي کند. اين
حرارت پس از انتقال به بدنه هواپيما دفع مي گردد (شکل 3). در
انواع پوشش هاي جاذب امواج رادار، از دو دسته مواد يکي ذرات
مغناطيسي فريت و ديگري ترکيبات کربن، نظير کربن سياه استفاده
مي شود .
استفاده از نانوذرات در ساخت پوشش هاي
هوشمند ضدرادار با اهدافي همچون دستيابي همزمان به پوششي با
خواص مکانيکي بي نظير مانند استحکام و چسبندگي بالا و کاهش وزن
پوشش تا حد امکان صورت مي گيرد. از مهمترين اشکالات پوشش هاي
ضدرادار سابق مي توان به اعمال وزن اضافي ناشي از پوشش بر روي
بدنه هواپيماها و ساير تجهيزات اشاره کرد که به ويژه در صنايع
هوايي از نقطه نظر مصرف سوخت و مشکلات نشست و برخاست هواپيما
بسيار حائز اهميت است.
مطالعات انجام شده نشان مي دهد که نانو
ذرات فريت نسبت به ذرات فريت ميکرو مقياس خواص مغناطيسي بيشتري
را از خود نشان مي دهند و استفاده از آنها حتي در مقادير کم
نتايج عالي در پي داشته است. در يک نمونه نانوپوشش ضدرادار از
نانوذرات فريت به ميزان 5 درصد در يک ماتريس پليمري اکريليک
استفاده شده است .
همچنين نانولوله ها و نانوذرات کربن سياه
با توجه به ايجاد خواص مکانيکي بهينه جايگزين خوبي براي ذرات
کربن معمولي محسوب مي شوند. در نوع ديگري ازاين دسته پوشش ها،
از نانوذرات کربن سياه در ماتريس پليمري به ميزان 5 درصد وزني
استفاده شده است .
روي سطوح داخلي و خارجي خطوط لوله هاي
انتقال نفت و گاز، تانک ها، مخازن و پوشش داخل مخازن ذخيره
سوخت هواپيماها - که دسترسي به سطح داخلي آنها دشوار است –
بسيار کاربردي هستند.
پانوشت:
1. Bioactive
2. Binder
3. منظور توانايي ايجاد سد و مانع در
برابر ورود عوامل خورنده نظير آب، يون ها و غيره است.
4. استفاده از خاصيت مساحت جانبي بالا به
عنوان مزيت اصلي نانوذرات در سات نانوپوشش ها زماني ميسر مي
گردد که سطح ذره کاملاً در اختيار محمل مورد نظر قرار گيرد؛
بدين معني که تا جاي ممکن ذرات بايد از حالت چسبيده يا اگلومره
خارج شوند.
5. Echo
منبع: مجله فضاي نانو
نقل از
تیبان
