الأسطح ذاتية التنظيف
الأسطح ذاتية التنظيف(*) Self-cleaning surfaces
إن القدرة الرائعة التي يمتلكها نبات اللوتس على صد الأوساخ قادت إلى استلهام عدد من تقانات التنظيف الذاتي والتقانات المضادة للبكتيرات(1)، وقد تقود أيضا إلى التحكم في النبائط الميكرومائعية(2) من النوع «مختبر في شيپة».
| "
مفاهيم مفتاحية تُحوِّل النتوءات الميكروسكوبية الموجودة على ورقة اللوتس سطحها الشمعي إلى مادة تصد الماء بقوة، أي فائقة الكره للماء. تتدحرج نقاط المطر بسهولة فوق مثل هذا السطح، مزيلة بطريقها جميع الأوساخ أو الغبار. طَوَّر الباحثون مواد اصطناعية ذاتية التنظيف، يعتمد بعضها على «تأثير اللوتس»، في حين يعتمد بعضها الآخر على خاصية معاكسة تماما تدعى ـ المحبة الفائقة للماء ـ وعلى تفاعلات كيميائية حفزية. قد تجمع المنتجات المستقبلية خاصتي الأُلفة للماء أو تستخدم مواد يمكنها أن تتحول جيئة وذهابا بين خاصتين فتتحكم في تدفق السوائل في مكونات ميكرومائعية. محررو ساينتفيك أمريكان " |
يحلم <و. بارثلوت> [من جامعة بون في ألمانيا] وهو مكتشف ومطور «تأثير اللوتس» lotus effect، بجعل مانهاتن ذاتية التنظيف، حيث يغسل القليل من المطر نوافذ وجدران ناطحات السحاب فتبدو نظيفة كنبات اللوتس البهي. ويرى في كل مكان انتشار استعمال أقمشة جديدة، في صنع الخيام وأسقف السرادقات والقناطر المظللة أمام مداخل الفنادق، عصية على الاتساخ والتبقع دون الحاجة إلى تدخل التنظيف البشري. ولا يعد <بارثلوت> الوحيد الذي يسلط الأضواء على مستقبل تكثر فيه الأشياء التي نادرا ما تتطلب التنظيف، هذا إذا ما تطلبته حقا. ويطور التقانيون في اليابان سطوحا ذاتية التعقيم وقادرة على التخلص من الروائح الكريهة لاستعمالها في الحمامات والمشافي. ويتصور <M. رُبنر> و<R. كوهين> [من معهد ماساشوستس للتقانة] تقانات مشابهة تمنع الضباب من التراكم على مرايا الحمامات والتحكم في النبائط الميكْرومائعية من النوع «مختبر في شيپة» (حيث تتحرك الموائع في ممرات ميكروسكوبية (مجهرية) microscopic). ويتوافر لدينا حاليا قمصان وبلوزات وتنانير وبناطل يمكن بنفضها التخلص مما تلوثت به من كاتشاب (عصير البندورة) أو خردل أو نبيذ أحمر أو قهوة. وهكذا تقترب منا ثورة في عالم السطوح الذاتية التنظيف.
وتبدأ قصة المواد الذاتية التنظيف في الطبيعة باللوتس المقدس (نيلومبونوسيفيرا) Nelumbo nucifera، وهو نبات بهي مائي معمر متألق أدى دورا كبيرا في أديان وثقافات الهند ومينمار والصين واليابان. وقد جرى تبجيله بسبب نقائه الاستثنائي. ينمو اللوتس في الماء الطيني، ولكن عندما تنبثق أوراقه، تقف مبتعدة عدة أمتار عن سطح الماء ولا يظهر عليها الاتساخ أبدا. وتبدي قطيرات الماء على ورق اللوتس تألقا سماويا، ويغسل ماء المطر الأوساخ عن تلك الأوراق بسهولة أكبر من أوراق أي نبات آخر.
وتلك الخاصية الأخيرة هي التي لفتت انتباه العالم <بارثلوت>. وقد استثارته في السبعينات الإمكانات التي وفرها المجهر الإلكتروني الماسح scanning electron microscope الذي توافر تجاريا في عام 1965 وسمح بالحصول على صور شديدة الوضوح تقع أبعادها في نطاق النانومتر. ويمكن في هذا النطاق من التكبير لأي ذرة من الغبار أن تفسد الصورة، ولذلك يجب تنظيف العينات تنظيفا تاما. وتبين لـ<بارثلوت> أن بعض النباتات لا تتطلب التنظيف وكان اللوتس أميرها دون منازع.
وقد أدرك <بارثلوت> أن هذه الخاصية تعود إلى اتصاف أوراق اللوتس بصفتين مجتمعتين هما: الشمعية waxiness والنتوءات الميكروية (حجمها بضعة ميكْرونات) التي تغطي كامل سطح الورقة. وكان يعرف من الفيزياء الأساسية أن صفة الشمعية وحدها قادرة على جعل الأوراق كارهة للماء hydrophobic، أي لا تحب الماء وتصده. وتتموضع نقاط الماء على سطوح مثل هذه المواد مرتفعة، بحيث تجعل منطقة تماسها مع المادة أصغر ما يمكن [انظر المؤطر السفلي في الصفحة 50]، في حين ينتشر الماء على السطوح المحبة للماء hydrophilic جاعلا منطقة التماس أكبر ما يمكن. وتكون زاوية التماس (عند تلاقي سطح النُقيطة(3) مع سطح المادة) في السطوح المحبة للماء أقل من 30 درجة، في حين يكون في السطح الكاره للماء زاوية تماس تزيد على 90 درجة.
وإضافة إلى ذلك، أدرك أن العدد غير المحدود من النتوءات يدفع الأمور خطوة إلى الأمام فتجعل سطح اللوتس فائق الكره للماء ـ فتزيد زاوية التماس على 150 درجة، ويشكل الماء عليه نقيطات كروية الشكل تقريبا ذات سطح تماس صغير جدا تتدحرج عليه بالسهولة نفسها التي تتدحرج فيها كرة في مَحْمِل الكريات ball bearings (وهو القطعة من الآلة تدور فيها أجزاؤها المتحركة دورانا سلسا على كرات معدنية مرنة، ويدعى باللغة الدارجة رولمان). يتموضع الماء على سطح النتوء كالشخص المستلقي على فراش من المسامير. ويزيد الهواء المحتجز بين الماء وسطح الورقة المؤلف من الفراغات المحيطة بالنتوءات زاوية التماس، وهو أثر عبّرت عنه معادلة كيسي-باكستر، وسميت المعادلة بهذا الاسم تكريما للعالمين <د.ب.ا. كيسي> و <إس. باكستر> اللذين أوجداها في الأربعينات.
وتبين لـ<بارثلوت> أن الأوساخ كما الماء تلامس قمم نتوءات ورقة اللوتس فقط، وتبلل قطرات ماء المطر الأوساخ بسهولة فتتدحرج معها بعيدا عن الورقة. ويعد اكتشاف تعزيز النتوءات الميكروسكوبية لعملية التنظيف تناقضا ظاهريا رائعا. لقد تعلمت من والدتي أن الشقوق والتجاعيد في المئزر تؤوي الأوساخ ـ وهذا يتفق والحكمة التقليدية الشعبية التي تقول إذا أردت أن تبقي الأشياء نظيفة فاجعلها ملساء. ولكن النظر إلى نبات اللوتس يبين أن تلك المقولة ليست صحيحة تماما.
ولما كان <بارثلوت> عالم نبات في المقام الأول، فإنه لم يستطع بداية أن يتبين الإمكانيات التجارية لاكتشافه كيف تُبْقي النتوءات الصغيرة جدا أوراق نبات اللوتس نظيفة. ولكنه أدرك في الثمانينات أنه إذا ما أمكن اصطناع سطوح خشنة وشمعية، فقد يكون لتأثير اللوتس الاصطناعي تطبيقات عديدة. فقام لاحقا بتسجيل براءة اختراع لمسألة بناء سطوح ذات مناطق ميكروسكوبية الارتفاع لجعلها ذاتية التنظيف، وَسجَّل «تأثير اللوتس» علامة تجارية.
إن هندسة(4) بناء سطح فائق الكره للماء باستخدام تأثير اللوتس ليست سهلة على الإطلاق ـ إذ تكون المادة الكارهة للماء ذات طبيعة قائمة على الصد. ولكن تلك المادة التي تصد كل شيء، يجب أن تلتصق بالسطح المستهدف الذي نود جعله كارها للماء. وعلى الرغم من ذلك، أوجد <بارثلوت> في أوائل التسعينات «ملعقة العسل»، وهي ملعقة ذات سطح من السيليكون ميكروسكوبي الخشونة، محلي الصنع، يسمح للعسل بالانسياب بأكمله دون أن يترك أي مقدار منه في الملعقة. وقد أقنع هذا المنتج بعض الشركات الكيميائية الكبيرة بقيمة تلك التقانة، وسرعان ما توجهت قدراتها البحثية نحو إيجاد تطبيقات أكثر لاستغلال هذا التأثير. ويُعدُّ التطبيق الأكثر أهمية حتى اليوم هو دهان واجهات المباني المسمى ستولوتُسان StoLotusan الذي طرحته في الأسواق الشركة المتعددة الجنسيات Sto AG أول مرة في عام 1999 ولاقى نجاحا هائلا. ويعد «تأثير اللوتس» في ألمانيا اليوم اسما منزليا شائعا، صنفته مجلة Wirtschaftswoche في الشهر 10/2007 واحدا من أهم 50 اختراعا ألمانيا في الزمن الحاضر.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
لا كوارث في المطاعم بعد اليوم(**)
عندما يُذكر التنظيف الذاتي يتبادر إلى ذهن الناس فورا كلمة «ثياب»؛ إذ إننا لا ننظف بيوتنا من الخارج كثيرا جدا، في حين ننشغل دائما بتنظيف ملابسنا. واليوم انتشرت الأقمشة الذاتية التنظيف في كل مكان بعد بداية مترددة، وكانت البداية فيما سمي العناية النانوية Nano-Care.
والعناية النانوية هي معالجة finish للأقمشة، طورها المخترع والمستثمر <D. سون>. وتصنع هذه الأقمشة اليوم في شركته نانو-تِكْس. تأمَّل الزّغَب fuzz الموجود على ثمرة الدراق، وضع الثمرة تحت صنبور الماء، لترى عندئذ التأثير المسمى «العناية-النانوية». يتألف «الزّغَب» المسبب للعناية النانوية من شعيرات صغيرة جدا يجري لصقها على خيوط القطن. وتبلغ هذه الشعيرات درجة من الصغر ـ ارتفاعها أقل من واحد بالألف من ارتفاع نتوءات اللوتس ـ بحيث تبدو خيوط القطن مثل جذوع أشجار ضخمة مقارنة بها.
وتنافس شركة نانو-تكس الشركة السويسرية Schoeller Textil AG، التي تطلق على تقانتها اسم الكرة النانوية Nano-Sphere. وتتألف المنظومة من جسيمات particles من السيليكا أو من الپوليمر تلصق على الخيوط التي تصنع منها الملابس، وتوفر هذه الدقائق خشونة مشابهة لخشونة نتوءات اللوتس.
وبسبب إطلاق العديد من الادعاءات غير المختبرة لدعم منتجات التقانة النانوية، بدأت مؤسسات المعايير (المواصفات)(5) بوضع اختبارات صارمة للثياب الذاتية التنظيف التي أوجدتها الاختراعات الجديدة. وفي الشهر 10/2005 أعلنت مؤسسة أبحاث هوهنشتاين الألمانية، التي تُجري الاختبارات وتمنح الشهادات للصناعة والتجارة العالميتين، أن أقمشة تقانة الكرة النانوية كانت الأولى التي اجتازت جميع الاختبارات الموضوعة للأقمشة الذاتية التنظيف، بما في ذلك الاختبارات التي تفحص صَدَّ الماء وقدرة القماش على المحافظة على أدائه بعد تعرضه لعدة عمليات غسيل عادية ولعملية الاهتراء بسبب الاستعمال. وبينت تجارب قمت بها بنفسي أن عينات من قماش تقانة الكرة النانوية أظهرت قدرة متميزة على التخلص من أسوأ ما قد يتوقعه المرء من بقع مرق البندورة (الطماطم) والقهوة والنبيذ.
وأصبحت الثياب السهلة التنظيف متوافرة على نطاق واسع، ولكن من المتوقع أن يكون مشترو أقمشة مظلات مداخل الفنادق والمحلات التجارية ومظلات النوافذ والأشرعة، الشريحةَ التي ستؤلف السوق الأكبر (بدلالة ما يصرف من مال) لأقمشة تأثير اللوتس. ويُردُّ ذلك إلى عدم رغبة أي كان بغسل تلك التركيبات الخارجية الضخمة.
ابتلال فائق(*****)
وقد بدأ استكشاف تأثير اللوتس بمحاولة فهم القدرة على التنظيف الذاتي التي تمتلكها بعض أنواع السطوح ـ الشمعية ذات البنى الميكروسكوبية أو النانوسكوبية. وتوسع هذا البحث اليوم ليشكل علما جديدا كليا يهتم بالابتلال والتنظيف الذاتي وإبادة البكتيرات (التطهير). وأيقن الباحثون أنه قد تتوافر عدة طرائق لصنع سطوح فائقة الكره للماء وأن الكراهية الفائقة هي عكس المحبة الفائقة ـ التي قد تكون أيضا مهمة. وكان العامل القيادي في مسألة المحبة الفائقة معدن ثنائي أكسيد التيتانيوم أو التيتانيا titania.
بدأت رحلة التيتانيا نحو النجومية منذ ما يزيد على أربعة عقود، ولم يكن لذلك أي علاقة بموضوع الابتلال. ففي عام 1967، اكتشف <A. فوجيشيما> [وكان في ذلك الوقت طالبا يدرس للدكتوراه في جامعة طوكيو] أن التيتانيا تستطيع عند تعريضها للأشعة فوق البنفسجية فصم الماء إلى أكسجين وهيدروجين. يعد فصم الماء بواسطة الضوء، أو ما يسمى التحلل الضوئي photolysis، مسألة قدسية؛ لأنها إذا ما جعلت قادرة على العمل بكفاءة عالية لأمكن توليد الهيدروجين بكلفة زهيدة تجعله بديلا ثمينا كوقود لا يطلق الكربون، كما هو الحال في الوقود الأحفوري. وتابع <فوجيشيما> وباحثون آخرون هذه الغاية باجتهاد وشغف ولكنهم، في نهاية المطاف، أيقنوا أن الوصول إلى مردود تجاري غاية بعيدة المنال.
لكن الدراسات بينت أن الأغشية الرقيقة من التيتانيا (مجال الثخانة ما بين النانومترات والميكرونات) أكثر فعالية من الجسيمات الكبيرة. وعندما انضم <فوجيشيما> في عام 1990 إلى <K. هاشيموتو> [من جامعة طوكيو] و <T. واتانابي> [من مصانع إنتاج الأدوات الصحية (توتو TOTO)]، اكتشف هؤلاء جميعا أن الأغشية التي رِقَّتُها من القياس النانوي والمنشطة بفعل الأشعة فوق البنفسجية لها تأثير حفزي ضوئي photocatalytic effect يؤدي إلى تفكيك المُرَكبات العضوية ـ بما فيها المُرَكبات الموجودة في جدران خلايا البكتيرات ـ وتحولها إلى ثنائي أكسيد الكربون وماء.
وتعود صفة الحفزية الضوئية في التيتانيا إلى أنها من أشباه الموصلات semi-conductor، ويعني ذلك أنه لا يلزم سوى كمية معتدلة من الطاقة لرفع إلكترون من ما يسمى العصابة التكافئية valence band من مستويات طاقة ممتلئة في المعدن عبر ما يعرف باسم فجوة أو فرجة عصابية band gap (مؤلفة من مستويات طاقية محظورة) إلى «عصابة النقل»conduction band ، حيث يمكن أن تتحرك الإلكترونات وتنقل التيار. ويستطيع، في حالة التيتانيا، أن يقوم فوتون من الضوء فوق البنفسجي طول موجته نحو 388 نانومترا بالمهمة. وفي سياق العملية تنتج شحنتان حُرّتان: الإلكترون الذي رفع إلى عصابة النقل والثقب الذي خلفه وراءه في عصابة التكافؤ والذي يسلك سلوكا مشابها تماما لجسيم ذي شحنة موجبة [انظر المؤطر في الصفحة 52]. وتستطيع هاتان الشحنتان طالما بقيتا حرتين، أن تتفاعلا مع الماء والأكسجين عند سطح التيتانيا، منتجتين أنيونات جذور أكسيد فائق(superoxide radical anions (-O2 وجذور هيدروكسيل (OH-) ـ وهي أنواع كيميائية شديدة الفعالية يمكنها تحويل المركبات العضوية إلى ثنائي أكسيد كربون وماء.
وفي منتصف التسعينات، توصل أولئك اليابانيون الثلاثة إلى اكتشاف مهم آخر يتعلق بالتيتانيا، عندما حضَّروا غشاء رقيقا من معلق مائي لجسيمات التيتانيا، ثم قاموا بإحمائه إلى الدرجة 500 سيلزية. وعندما عرّض هؤلاء العلماء الغشاء الشفاف الناتج إلى الأشعة فوق البنفسجية تبين أنه يتمتع بصفة استثنائية هي قابلية الابتلال التام ـ زاوية التماس تساوي صفر درجة ـ بالماء والزيت. لقد قام الضوء فوق البنفسجي بإزالة بعض ذرات الأكسجين من سطح التيتانيا محدثا عليه رقعا نانوية المقياس امتزت adsorbed فيها زمر الهيدروكسيل، مما يؤدي إلى ظهور صفة المحبة الفائقة للماء. وعدت المناطق التي تقع خارج هذه الرقع مسؤولة عن الألفة الشديدة للزيت. ويستمر هذا التأثير عدة أيام بعد انتهاء التعريض للضوء فوق البنفسجي، ولكن التيتانيا تعود ببطء إلى حالتها الأصلية طالما أبقيت في الظلام.
| "علاقات حب ـ كره
بعض السطوح، من المحبة للماء إلى الكارهة له، وزوايا تماسها التقريبية:
" |
وعلى الرغم من أن ذلك مخالف تماما لصفة صد الماء التي تتميز بها أوراق اللوتس، فقد تبين أن محبة التيتانيا الفائقة للماء مفيدة في عمليات التنظيف الذاتي؛ فالماء يميل إلى الانتشار على كامل السطح مشكلا ملاءة تستطيع جرف الأوساخ في جريانها على السطح. وكذلك يقاوم السطح الضبابية، لأن الماء المتكاثف يسيل عليه بدلا من أن يتحول إلى آلاف النقيطات الصغيرة المؤلفة للضباب. وتكتسب الأغراض المطلية بالتيتانيا صفة إزالة الروائح وإبادة البكتيرات، إضافة إلى صفة التنظيف الذاتي بسبب ما تمتلكه من قدرة على تخريب العضويات وقتل البكتيرات بسبب خاصية التأثير الحفزي الضوئي للتيتانيا.
وتزدهر اليوم صناعة التغليف والطلي بالتيتانيا. فمثلا، تنتج مصانع TOTO طيفا واسعا من المنتجات الذاتية التنظيف والمحفزة ضوئيا، مثل بلاط السيراميك للاستعمال الخارجي، وقد قامت بترخيص هذه التقانة في جميع أرجاء العالم.
وبالنظر إلى أن الأغلفة النانوية للتيتانيا شفافة، لذلك تطورت صناعة زجاج النوافذ المعالج بها. ففي عام 2001، طُرِح ـ أول مرة ـ في الأسواق الزجاج الفعال Active Glass الذي طورته شركة پيلكينجتون التي تعد كبرى شركات إنتاج الزجاج في المملكة المتحدة. يجري تشكيل الزجاج عموما، في نحو الدرجة1600 سيلزية على سرير من الرصاص الذائب. ويمرر في عملية تصنيع الزجاج الفعال بخار رباعي كلوريد التيتانيوم فوق سطح الزجاج في إحدى مراحل التبريد اللاحقة، فتتوضع بذلك طبقة من التيتانيا ثخانتها أقل من 20 نانومترا. وسرعان ما أصبح الزجاج الفعال هو الاختيار الأمثل في إنشاءات مثل أسقف المستنبتات والمراصد ومرايا السيارات الجانبية في المملكة المتحدة.
ولكن لسوء الحظ، زجاج النوافذ العادي يحجز أطوال الموجات فوق البنفسجية التي تُفعِّل التأثير الحفزي الضوئي للتيتانيا. ولذلك فإن الطبقات النانوية للتيتانيا أقل فائدة في داخل المنزل مما هي عليه خارجه. ولحل هذه المسألة يُلجأ إلى تطعيم doping التيتانيا بمواد أخرى، كما يطعم السيليكون وأشباه الموصلات الأخرى في صناعة الإلكترونيات. يُنقص التطعيم فجوة عصابة المادة، مما يعني أن الموجات الأكثر طولا للإضاءة المنزلية الداخلية يمكنها تفعيل الحفز الضوئي. وفي عام 1985، اكتشف <س. ساتو> [من جامعة هوكادو اليابانية]، عن طريق الحدس، فائدة تطعيم التيتانيا بالنيتروجين. كما يمكن استعمال الفضة في تطعيم التيتانيا. ولكن لم تثمر تلك المقاربات في العمليات التجارية إلا في السنوات الأخيرة. ويتوقع أن تلاقي خواص إزالة الروائح وإبادة البكتيرات التي تتصف بها التيتانيا المطعمة تطبيقات واسعة في المطابخ والحمامات. وكذلك تستعمل التيتانيا في المنسوجات الذاتية التنظيف وتتصف بميزة إزالة الروائح. وقد صممت تقانات متنوعة لربطها بخيوط النسيج بما في ذلك تقانة الارتباط الكيميائي المباشر.
[مقاربة معاكسة]
تيتانيا ذاتية التنظيف(********)
تمتلك الأغشية الرقيقة من التيتانيا خاصية معاكسة تماما للوتس ـ محبة فائقة للماء ـ ومع ذلك فإن الأوساخ تنفض عنها، وهي كذلك مضادة للبكتيرات.
ماذا يفعل الماء
يشكل الماء على مادة فائقة المحبة للماء ملاءة تغطي سطحها، ومن ثم يقوم بتحريك الأوساخ بسهولة عند جريانه. وتمنع المحبة الفائقة للماء أيضا تشكل الضباب على السطح، لأن الماء ينتشر عليه بدلا من تشكيل عدد لا يحصى من النقيطات المسببة للضباب.
الكيمياء
تثير الأشعة فوق البنفسجية (وهي موجودة في أشعة الشمس) الإلكترونات والثقوب (ذات الشحنة الموجبة بسبب فقدان الإلكترونات) في التيتانيا (1). تتحد الإلكترونات مع جزيئات الأكسجين فتشكل أنيونات من جذور فائق الأكسيد المشحونة سلبا (2a)، وتتحد الثقوب مع أنيونات الهيدروكسيد من الماء لتشكل جذور هيدروكسيد متعادلة (2b). تقتل تلك الأنواع الشديدة الفعالية الجراثيم وتفكك المواد العضوية على السطح (3). وتغير الأشعة فوق البنفسجية أيضا بنية غشاء التيتانيا فتجعله فائق المحبة للماء (4)، مما يسمح للماء بجرف الأوساخ (5).
تقارب الأضداد(*********)
تبدو المواد المستلهمة من اللوتس والأغشية الرقيقة القائمة على التيتانيا كنقيضين قلما نصادفهما في حياتنا اليومية، حيث ينطبق قول الشاعر الإنكليزي <ف. لاركين> «لا شيء يصبح بعد استخدامه جديدا ولا شيء يجعله الغسل تام النظافة.» لقد بقيت التقانات لزمن طويل مختلفة كليا عن المواد، وكانت دراسة تأثير الكره الفائق للماء ودراسة تأثير المحبة الفائقة للماء ذات الحفز الضوئي منفصلتين كليا. وحديثا حصل تقارب كبير في هاتين الدراستين، عندما قام الباحثون بالعمل على جمع التأثيرين ووضعهما في المادة نفسها. ويحاول الباحثون كذلك اكتشاف طرائق تمكنهم من جعل البنية ذاتها تتحول من الكره الفائق للماء إلى المحبة الفائقة للماء وبالعكس.
لقد بدت أول ملامح التقارب في عام 2000 في عمل لرواد التيتانيا الأوائل: <فوجيشيما> و <واتانابي> و <هاشيموتو>، إذ أرادوا استخدام التيتانيا في إطالة حياة السطوح ذات «التأثير اللوتسي». وبدا للوهلة الأولى أن هذه المقاربة آيلة إلى الفشل؛ إذ يتوقع أن تهاجم الفعالية الحفزية الضوئية للتيتانيا الأغلفة الشمعية الكارهة للماء للسطوح اللوتسية وتخرب التأثير. وبالفعل يحدث مثل ذلك الهجوم في تراكيز عالية من التيتانيا. ولكن مجموعة العمل وجدت أن إضافة كمية صغيرة من التيتانيا يمكن أن تطيل بشكل كبير فعالية «تأثير اللوتس» دون أن تغير كثيرا من قيمة زاوية التماس العالية اللازمة لحدوث الصد القوي.
اكتشف مختبر روبنر وكوهين في معهد ماساشوستس للتقانة في عام 2003 كيف يمكن لتغيير صغير في البناء الحسم في مسألة الحصول على سطح محب للماء أو كاره له. ويقول <روبنر> : إنه أثناء زيارته للصين في ذلك العام «أثارت اهتمامي بعض البنى الفائقة الكره للماء التي ورد ذكرها في المؤتمر.» ولدى عودته، وجَّه بعض أعضاء مجموعته البحثية نحو محاولة صنع مثل تلك البنى. وطور مختبره تقانة طبقة ـ فوق ـ طبقة لصنع أغشية رقيقة من مجموعة من المركبات تُدعى الپولي إلكتروليتات polyelectrolytes. والإلكتروليتات العادية هي مواد تنفصم عندما تذوب في الماء إلى أيونات مشحونة بشحنة موجبة وأخرى مشحونة بشحنة سالبة، ومثالها ملح الطعام العادي وحمض الكبريت (السلفوريك). وتعد الپولي إلكتروليتات پوليمرات عضوية، أو مواد بلاستيكية، لكنها بخلاف معظم الپوليمرات تحمل شحنة إما موجبة أو سالبة. وقام <روبنر> و<كوهين> بمراكمة(6) طبقات متناوبة من هيدروكلوريد الپولي (أليل أمين) موجب الشحنة وجسيمات السيليكا سالبة الشحنة. (وكانا في عمل سابق قد استعملا التغليف في جسيمات السيليكا مقلدين سطح اللوتس الكاره للماء.)
وأضاف <روبنر> و <كوهين> إلى هذه الطبقات المتعددة غلافا نهائيا من السيليكون (مادة كارهة للماء)، ولاحظا أثناء العمل أمرا مثيرا للاهتمام؛ إذ قبل إضافة غلاف السيليكون كانت الكعكة ذات الطبقات فائقة المحبة للماء. لقد أنشأت طبقات السيليكا في تجاربهما منطقة واسعة مكتظة بثقوب نانوية مشكلة بذلك إسفنجة تمتص فورا أي ماء سطحي، وتدعى هذه الظاهرة ظاهرة الفتيلة النانوية nanowicking (الآلية نفسها التي تجعل الوقود يسيل في فتيلة مصباح يعمل على الزيت أو الكحول). ووجدا أن الطبقات المتعددة من السيليكون والپوليمر التي طوروها لا يمكن أن يغشاها الضباب حتى لو وضعت فوق الماء المتبخر، إذ عندما تشبع الثقوب يبدأ الماء بالجريان من الحافة. وعندما تتلاشى ظروف الابتلال يتبخر الماء في الفتائل النانوية ببطء حتى الجفاف.
ويُعَدُّ تطبيق تقانة الطبقات المتعددة على الزجاج مناسبا جدا؛ لأن الزجاج هو في معظمه مؤلف من السيليكا، ولا تكون فيه الأغلفة الفائقة المحبة للماء شفافة فحسب وإنما تكون أيضا مضادة للضباب ومضادة للانعكاس. ويعمل فريق روبنر حاليا مع شركاء في الصناعة على تحويل اكتشافهم إلى منتجات تجارية. وتتضمن التطبيقات المحتملة لهذا العمل مرايا الحمامات التي لا يغشاها الضباب إطلاقا والزجاج الأمامي للسيارات الذي لا يستلزم مطلقا تشغيل نافخة الهواء في صباح أيام الشتاء الباردة والمطيرة. وبخلاف التيتانيا، تعمل سطوح روبنر بالكفاءة نفسها في الضوء والظلام.
[تقانة تعدد الطبقات]
أغلفة مضادة للضباب(**********)
طور الباحثون في معهد مساتشوستس للتكنولوجيا أغلفة فائقة المحبة للماء متعددة الطبقات تتميز بأنها مضادة للضباب ومضادة للانعكاس.
تشكل طبقات متعاقبة من الپوليمر وجسيمات نانوية من السيليكا (ذات زمر من الهيدروكسيل مرتبطة على سطحها) غلافا فائق المحبة للماء يمكن استخدامه في معالجة الزجاج ومواد أخرى. يكون سطح الغلاف خشنا ومن قياس نانوي، ولكن زمر الهيدروكسيل تتميز بمحبة عالية للماء، مما يساعد الثقوب النانوية القياس ضمن الطبقات المتعددة على امتصاص الماء كالإسفنج، ومن ثم إبعاده فورا عن السطح وفق ظاهرة التشرب الفتيلي.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
خنافس ذكية(***********)
قبل ملايين السنين من بدء العلماء بالتفكير في التطبيقات التقانية لمسألتي التأثير اللوتسي والابتلال الفائق، كانت خنفساء صغيرة تعيش في صحراء ناميبيا في جنوب إفريقيا مشغولة بتطبيق هذين التأثيرين باتجاه آخر هو جمع الماء اللازم لاستمرار بقائها.
وتعرف الصحراء الناميبية بأنها مكان غير صالح للعيش إلى حدّ كبير، حيث تصل درجة الحرارة في النهار إلى نحو 50 درجة سيلزية والمطر نادر جدا. والمصدر الوحيد للرطوبة في تلك الأصقاع ضباب صباحي كثيف يسوقه نسيم قوي. وقد قامت الخنفساء من فصيلة ستينوكارا Stenocara sp. بتطوير طريقة لجني الماء من الضباب؛ فهي تقرفص متجهة برأسها نحو الأسفل وبظهرها نحو الأعلى بمواجهة الريح الضبابية. يتكثف الماء بهذه الطريقة فوق ظهرها ويسيل متجها نحو فمها. لقد استلهم العلماء، من الأساس العلمي الذي تقوم عليه تقانة خنفساء الستينوكارا، العديد من الأفكار الخاصة بتقانات جمع الماء في المناطق الجافة. يتوقع أن يكون لخواص التيتانيا المطعمة المضادة للبكتيرات والمزيلة للروائح تطبيقات واسعة في المطابخ والحمامات.
وكما يحدث غالبا، فإن الآلية التي تتبعها الخنفساء اكتشفها باحث كان يتقصى أمرا مختلفا تماما. فقد تصادف في عام 2001 أن شاهد العالم المختص بعلم الحيوان <آر.ب باركر> [وكان يعمل حينذاك في جامعة أكسفورد] صورة لخنافس تأكل جرادة في الصحراء الناميبية. ولا بد أن تكون الجرادة التي قذفتها رياح المنطقة القوية قد لاقت حتفها جراء الحرارة حالما اصطدمت بالرمال. ومع ذلك، فقد بدت الخنافس التي تأكل من تلك الوليمة الفاخرة التي ساقتها الرياح مرتاحة جدا، لذلك توقع <باركر> أن تمتلك تلك الخنافس سطوحا عاكسة للحرارة ومتطورة.
.
وتبين أن خنافس الستينوكارا تعكس الحرارة بالفعل. و بمجرد أن فحص <باركر> ظهورها توقع فورا وجود توظيف لتأثير اللوتس في عملية التجميع الصباحي للماء التي تقوم بها. إن معظم سطح خنفساء الستينوكارا ذو نتوءات وشمعي وفائق الكره للماء، مع أن قمم تلك النتوءات خالية من الشمع ومحبة للماء. تلتقط تلك البقع المحبة للماء الماء من الضباب مشكلة نقيطات مائية تنمو بسرعة إلى حجم لا تستطيع الثقالة الأرضية ولا المناطق الفائقة الكره للماء المحيطة تحمله فتسيل. ووجد <باركر> نتيجة تجارب قام بها في المختبر أن تلك الترتيبات المناطقية ذات كفاءة تعادل نحو ضعف كفاءة السطح الأملس الموحد، بصرف النظر عن كونه محبا للماء أو كارها له
وقام <باركر> بتسجيل براءة اختراع لتصميم يقلد عمل الخنفساء، ويقوم المتعهد في وزارة الدفاع البريطانية <كينيتي كيو> QinetiQ بتطوير التصميم المذكور لاستعماله في الحصول على الماء في المناطق الجافة. وهناك محاولات أخرى لتقليد الستينوكارا، فقد قام <روبنر> و<كوهين> وفريقهما في عام 2006 بإحداث بقع من السيليكا الفائقة المحبة للماء على الطبقات المتعددة الفائقة الكره للماء. وكان ذلك أكثر فعالية مما هو موجود لدى الخنافس التي بقعها محبة للماء فحسب.
ويتيح علم الابتلال الفائق الجديد الممثل بسطوح الستينوكارا الاصطناعية المجال للتحكم في تدفق الموائع وفق المقياسين الميكْروي والنانوي، والاستفادة من ذلك في التطبيقات التي ترمي إلى أهداف أبعد من إبقاء سطح ما نظيفا طول الوقت. ويقول <روبنر>: «عندما تدرك أنه يمكن جعل السطوح المصنعة إما فائقة الكره للماء أو فائقة المحبة له اعتمادا على كيمياء قمم السطح، فإن جميع الاحتمالات تصبح مفتوحة أمامك.» وعلى الأخص صنع سطوح متبدلة ـ سطوح يمكن عكس ابتلالها في مواقع محددة تماما.
ويمكن تحقيق هذا التناغم بعدد من الوسائل، مثل: الضوء فوق البنفسجي والكهرباء ودرجة الحرارة والمذيب والحموضة. وفي عام 2006 توصل فريق بقيادة <K. تشو> [من جامعة بوهانگ للعلوم والتقانة في كوريا الجنوبية] إلى التبدُّلية الكاملة بإضافة مركب مبني على جزيء آزوبنزين إلى سطح مُسَلْكَن siliconized (فائق الكره للماء) مؤلف من طبقات عديدة من السيليكا ـ پولي إلكتروليت. ويكون السطح الناتج الجديد فائق الكره للماء أيضا، ولكن عندما يغير مركب الآزوبنزين تشكيله configuration بفضل الضوء فوق البنفسجي يتحول السطح إلى فائق المحبة للماء
ويعكس الضوء المرئي التغير السابق. وقد يكون لمثل هذا النوع من التحكم تطبيقات كبيرة في حقل المائعية الميكْروية، مثل الصفائف الميكْروية microarrays التي تستعمل اليوم في فرز screening الأدوية وبعض الاختبارات البيوكيميائية الأخرى [انظر: «مختبر كبير على شيپة بالغة الصغر»، مجلة العلوم، العددان 2/1 (2008)، ص 60]؛ إذ يمكن مثلا إغلاق أو فتح الممرات المحبة للماء بتبديل أجزائها لتصبح كارهة للماء أو محبة له.
البقاء جافا تحت الماء(**************)
إن إحدى المفاجآت السارة التي حملها إلينا القرن الحادي والعشرون هي أن إشعاع اللوتس قد أنار مسألة شقوق المئزر وتجاعيده غير المعروفة سابقا، ليتجاوز بذلك تطبيقات التنظيف الذاتي.
و<بارثلوت> الذي أدرك الإمكانات التي تملكها نقطة من الماء على ورقة لوتس، يرى اليوم أفقا يكاد يكون غير محدود من التطبيقات. وقد حذّر أولئك الذين يرغبون في نقل ما يجري في الطبيعة إلى مجال التقانة من احتمال مواجهة الكثير من التشكيك كما حصل معه. ويقول ناصحا: «ثق بعينيك وليس بالكتب المرجعية، وإذا ما تأكدت مراقباتك وتكررت فانشرها، وتنفس بعمق متوقعا رفض نشر مقالتك.»
وليس من المستغرب أن يكون <بارثلوت> مؤيدا متحمسا لقضية التنوع الحيوي biodiversity وينبه باستمرار إلى وجود عدد كبير من النباتات والحيوانات الأخرى التي قد يكون لها خواصُّ مفيدة ـ ومن المحتمل أن تتضمن أنواعا غير معروفة للعلم ومهددة بالانقراض. ويتناول في أبحاثه الحالية موضوع الكراهية الفائقة للماء تحت الماء. وأوجد <بارثلوت>، بعد الانتهاء من دراسة عن كيفية قيام بعض النباتات، مثل خس الماء پيستيا Pistia والسرخس العائم سالفينيا Salvinia، باحتجاز الهواء على سطوح أوراقها، أقمشة بإمكانها البقاء جافة وهي مغمورة في الماء مدة أربعة أيام. ويتوقع أن يكون التطبيق المحتمل لذلك صناعة ألبسة سباحة غير قابلة للابتلال. ولكن الأهمية الكبرى ستكون في إنقاص قيمة المقاومة drag التي تتعرض لها أجسام السفن. وإذا كان اللوتس لا يجمع الأوساخ، إلاّ أنه يلهم بالتأكيد سلسلة من براءات الاختراع المثيرة للإعجاب
انظر أيضاً
- أثر اللوتس Lotus_effect
الهامش
مراجع للاستزادة
(**) No More Restaurant Disasters
(***) THE LOTUS EFFECT
(****) PHYSICS OF THE LOTUS
(*****) Superwettability
(******) ONE WAY TO STAY CLEAN
(*******) LOVE-HATE RELATIONSHIPS
(********) SELF-CLEANING TITANIA
(*********) Convergence of Opposites
(**********) ANTIFOGGING COATINGS
(***********) Smart Beetles
(************) SWITCHABLE SURFACES
(*************) WATER HARVESTING
(**************) Staying Dry Underwater
(***************) BIOMIMETICS
(1) جمع بكتيرة.
(2) microfluidic devices
(3) droplet
(4) engineering وليس geometry.
(5) standards institution
(6) stach up يُراكم أو يُكدّس.