1. پوشش چيست؟
مقدمه
بشر همواره بلندپرواز بوده است. هميشه رؤياهاي بزرگي در سرها بوده‌اند که بايد بيرون مي‌آمدند و عينيت مي‌يافتند. اما طي اين مسير ــ يعني بيرون کشيدن رؤياهاي دور و دراز از ذهن‌ها ــ با دشواري‌هاي بسيار همراه است. گرچه بسياري از اين رؤياهاي پيشينيان در زمان‌هاي بعد و به‌ويژه زمان ما به حقيقت پيوستند، اما بسياري از صاحبان آرزو بسيار بسيار پيش از اين چشم از جهان فرو بستند. براي تحقق اين آرزوها بايد مسيري بلند در زمان به‌تدريج پيموده مي‌شد. کشف آتش، کشف مواد مقاوم مثل آهن (که اول‌بار از شهاب‌سنگ‌هايي که از فضا به زمين برخورد کرده بودند استخراج شد)، کشف چرخ، برق، موتور بخار و... بايد روي مي‌داد تا مثلاً اختراع اتومبيل و هواپيما واقعيت يابد.
يکي از مهمترين عوامل محدودکنندة انسان در تمام قرون براي رسيدن به آرزوهايش، پيدا نکردن مواد مناسبي بوده است که خواص مورد نظر را داشته باشند. مثلاً بشر پس از ساخت آسانسور و استفاده از آن در ساختمان‌هاي مرتفع، به اين فکر مي‌کرد که چگونه آسانسوري بسازد که با آن به فضا برود! اما يکي از مشکلات ــ به‌جز توليد طنابي به اين درازي و موتوري پرقدرت براي کشيدن محفظة آسانسور بين دو سياره ــ اين بود که تمام مواد مکشوفه تا آن زمان، قدرت تحمل وزن خود را در فاصلة بين دو سياره نداشتند. اما امروزه با استفاده از فناوري‌هاي پيشرفته مواد جديدي توليد يا مواد موجود تقويت شده‌اند که مي‌توانند وزن خود را در فاصلة بين دو سياره تحمل کنند!
خوب، اينکه در بالا گفتيم يعني چه؟ بشر براي ساخت آسانسورهاي فضايي به‌تازگي نانولوله‌هاي کربني‌اي را ساخته است که مقاومت زيادي در برابر کشيده شدن و پاره شدن دارند (حدود 7 برابر فولاد) و اين در حالي است که بسيار سبکتر از مواد محکم فعلي هستند.
براي درک مفهوم دوم (بهبود يا تقويت خواص مواد موجود) به مثال زير توجه کنيد:
تصور کنيد يک روز صبح که از خواب بيدار مي‌شويد يک نفر پوست صورتتان را کنده باشد! براي اطمينان، احتمالاً تشريف مي‌بريد جلو آينه، و... آن صحنة دلخراش را به چشم خود مي‌بينيد! فکر نمي‌کنم ديگر ادامة زندگي با آن وضع برايتان ممکن باشد. شما به يک لولوي تمام‌عيار تبديل شده‌ايد که علاوه بر بچه‌هاي کوچک، خودتان هم از وحشت جيغ مي‌کشيد. براي رفع مشکل چه مي‌کنيد؟ خوب، اولين کار اين است که فرياد بکشيد و با يک وسيله مثل باند تمام بدنتان را بپوشانيد. اين‌طوري لااقل ميکروب‌ها و عوامل عفونت‌زا کمتر به بدنتان نفود مي‌کنند. چون پوست به عنوان پوششي براي بافت‌هاي داخلي بدن در مقابل محيط بيرون عمل مي‌کند (شکل 1). اما اين کافي نيست. شما نمي‌توانيد به خوبيِ گذشته از عهدة کارهاي روزمره‌تان برآييد. چون باند پوشش مناسبي براي صورت شما نيست و تنها مي‌تواند به عنوان يک پوشش موقت به کار رود تا اينکه سراغ يک جراح پلاستيک ماهر برويد و يک فکر اساسي بکنيد. (البته ديگر کار از کار گذشته!)
شکل 1 ـ تصويري از يک پوشش چندلاية باند زخم که جايگزين پوست بدن شده است.
تمام مواد و محصولات مورد استفادة ما هم نياز به پوشش دارند، چون نبايد در طي مراحل توليد، بستهبندي، ورود به بازار و مهمتر از همه در موقع مصرف، خواص و ويژگي‌هاي خود را از دست بدهند. البته گاهي هم براي بهبود خواص فيزيکي، شيميايي و مکانيکي از فناوري پوشش‌دهي استفاده مي‌کنيم.
پوشش چيست؟
به طور کلي «پوشش» لايهاي است با ضخامت کمتر از مادة پايه، که پوشش روي آن نشانده مي‌شود. با تغيير اين ضخامت و نحوة نشاندن پوشش روي مادة پايه، انواع پوشش‌هاي مورد نياز براي کاربردهاي خاص را به وجود مي‌آوريم.
2. چگونه يک لايه پوشش روي يک سطح نشانده مي‌شود؟ روش اول:
مي‌خواهيم سطح مادهاي را با يک ماده با خواص بهتر بپوشانيم. مهمترين عامل براي چسبيدن يک لايه پوشش به مادة پايه سطح تماس بين اين دو است. بايد سطح تماس بين اين دو را بيشتر کنيم تا پوشش‌دهي بهتر انجام شود. اما چگونه؟ براي اين کار از ذره‌هاي تشکيل‌دهندة آن ماده استفاده مي‌کنيم. همان‌طور که در مقالة نانوپودرها خوانديد، وقتي ما جسمي را خرد مي‌کنيم، ذره‌هاي تشکيل‌دهندة آن با جمع شدن در کنار هم، همان جسم اوليه را تشکيل مي‌دهند، با اين تفاوت که سطح تماس بيروني مجموع ذرات در مقايسه با قطعة اوليه افزايش پيدا کرده است. با توجه به اين خاصيت، محيطي را فراهم مي‌کنيم که سطح بيروني ذرات را به همديگر و به مادة پايه بچسباند.
اين يک روش توليد پوشش بود .
روش دوم:
يک راه ديگر براي براي پوشش‌دهي اين است که به جاي ذره‌ذره کردن پوشش، آن را اتم‌به‌اتم درست کنيم. براي اين کار کافي است که اتم‌هاي مادة اول را بکَنيم و به اتم‌هاي مادة دوم بچسبانيم. مي‌دانيد که هر اتم از يک هسته (پروتون + نوترون) با بار مثبت تشکيل شده است که الکترون‌ها با بار منفي به دور آن مي‌چرخند. هميشه تعداد الکترون‌ها و پروتون‌ها با هم برابرند. در نتيجه بار کل اتم خنثي است. حالا اگر اتمي الکترون از دست بدهد به يون مثبت و اگر الکترون بگيرد به يون منفي تبديل مي‌شود. الکترون‌ها در ترازهايي به صورت يک ابر الکتروني به دور هسته مي‌چرخند. (شکل 2)
شکل2- شماتيکي از ساختار يک اتم
ولي چگونه يک اتم مي‌تواند الکترون بگيرد يا از دست بدهد؟
بين ذرات همنام و غيرهمنامي که در ساختار اتم وجود دارند، نيروهاي دافعه و جاذبه‌اي هستند که نيروي برآيند حاصل از آنها الکترون را در فاصله‌اي معين از پروتون نگه مي‌دارد. با اعمال نيروي معادل آن مي‌توان الکترون را از پروتون جدا کرد. با اين کار ذره بار مثبت مي‌گيرد، چون يک الکترون از دست داده است. با اعمال يک ولتاژ قوي اين نيرو تأمين مي‌شود. به اين ترتيب، شرايطي فراهم مي‌شود که اتم‌هاي مادهاي که مي‌خواهند پوشش داده شوند الکترون از دست بدهند و اتم‌هاي مادة پايه الکترون بگيرند. در نتيجه يون‌ها مانند دو قطب مثبت و منفي آهنربا همديگر را جذب مي کنند.
و اما روش سوم :
به ياد داريد که در دورة راهنمايي با خواص محلول‌ها آشنا شديم. يکي از اين محلول‌ها، «محلول فراسيرشده» بود. براي حل کردن يک حل‌شونده در حلال حدّ معيني وجود دارد. اگر از آن حد بگذرد، محلول فراسيرشده به وجود مي‌آيد. حال اگر يک محلول فراسيرشده داشته باشيم و آرام‌آرام آن را سرد کنيم، با يک ضربه ذرات اضافي رسوب مي‌کنند. لابد مي‌پرسيد اين کارها چه ربطي به پوشش دارد؟ اگر کاري کنيم که اين ذارت روي سطح رسوب کنند و بعد از رسوب دادن اين ذرات بتوانيم آنها را به سطح بچسبانبم، در حقيقت با استفاده از محلول، سطح مورد نظر را پوشش داده‌ايم.
چرا بايد مادهاي را با مادة ديگر بپوشانيم؟
انسان به مرور زمان ياد گرفته است که از خواص مواد براي برطرف کردن نيازهاي خود استفاده کند. با استفاده از خواص مواد مختلف، مي‌توان قابليت‌هاي جديدي به محصول افزود و از آن به‌خوبي استفاده کرد. در صنعت پوشش‌دهي، توجه به خواص از اهميت زيادي برخوردار است. همه با آلومينيوم آشناييم. آلومينيوم فلزي است سبک و نرم. به خاطر همين سبکي در صنعت کاربردهاي زيادي دارد (مثلاً در هواپيماسازي)، ولي حتي با ناخن هم مي‌توان روي آن خط ايجاد کرد؛ آلومينيوم سختيِ کمي دارد.
مادة سخت و سختي ماده:
به مادهاي که در برابر يک شيء نوک تيزِ فروروندة خارجي مقاومت کند، مادة سخت مي‌گويند و به مقاومت در برابر عامل فروروندة خارجي سختي.
با پوشش مناسبي که سختي لازم را داشته باشد، مي‌توان سختي را زياد کرد و در عين حال بر وزن آن نيفزود. با استفاده از خواص مکانيکي مي‌توان کاربردهاي جديدي براي مواد کشف کرد. خواص فيزيکي و شيميايي، مانند چگالي، مقاومت الکتريکي و... هم در اين طبقه‌بندي قرار مي‌گيرند.
3. چرا مواد را مي‌پوشانيم؟
همان‌طور که قبلاً هم اشاره شد، براي بهبود خواص و حفظ ويژگي‌ها و خواص ماده.
اگر مواد خورنده مثل اسيدها به مادة پايه نفوذ کنند، با مادة پايه واکنش مي‌دهند و در خواص آن تغيير به وجود مي‌آورند. اين فرآيند در صنعت بسيار خطرناک است. بدنة کشتي‌اي که از آهن باشد، در اثر خوردگي با گذشت زمان با چه فاجعه‌اي در دل يا قعر دريا مواجه خواهد شد! حدستان درست است: آهن زنگ مي‌زند (خورده مي‌شود)، بدنه ترک برمي‌دارد و در نهايت کشتي غرق مي‌شود و مسافران بيچاره مي‌ميرند. به همين سادگي!
ولي اگر از يک پوشش ضد زنگ استفاده کنيم، هم امنيت جاني مسافران را تأمين کرده‌ايم و هم ــ اين هم مهمتر است ــ بر عمر کشتي افزوده‌ايم. به علاوه، افزايش هزينة انجام اين کار خيلي کمتر از هزينه‌اي است که در اثر آسيب ديدن بدنة کشتي ممکن است به وجود بيايد. (شکل 3)
در تعريف پوشش‌ها گفتيم که آنها لايه‌هايي هستند با ضخامت کمتر از مادهاي که روي آن مي‌نشينند. فکر مي‌کنيد وقتي پيشوند «نانو» را به «پوشش» اضافه کنيم چه تغييري در تعريف آن ايجاد مي‌شود؟
در نگاه اول ممکن است با قرار دادن «نانو» در کنار «پوشش» به اين نتيجه برسيد که اين لايه ضخامتي در حد چند نانو خواهد داشت ــ که البته درست است ــ ولي هميشه اين‌گونه نيست. وضعيتي را در نظر بگيريد که در آن براي توليد پوشش، از مواد نانومتري و نانوذرات استفاده شود. در اين صورت، اجزاء تشکيل‌دهندة اين پوشش‌ها نانومتري هستند، ولي خود پوششِ ضخامتي بيش از 100 نانو ضخامت خواهد داشت. (شکل 4)
شکل 4 ـ نمونه‌هايي از نانومواد (نانوکريستال‌ها)
5. انواع نانوپوشش‌ها
با توجه به تعريف بالا، مي‌توان نانوپوشش‌ها را به صورت زيرتقسيم‌بندي کرد:
1. يکي از مشکلات خوردن پفک، چسبيدن ذرات پفک به دست است که باعث مي‌شود انگشتاني نارنجي داشته باشيم. (اما البته به سختي‌اش مي‌ارزد!) چگونگي چسبيدن ذرات پفک مثل توليد پوشش با استفاده از ذرات ريز است. ذرات پفک به خاطر رطوبت به دست مي‌چسبند (عامل چسباننده) و پوششي از ذرات پفک را ايجاد مي‌کنند.
همان‌طور که مي‌دانيد نانولوله‌ها، نانوپودرها، نانوسيم‌ها و... موادي نانومتري هستند. هر کدام از اين مواد خصوصيات فوق‌العاده اي دارند. مثلاً نانولوله‌ها از خواص الکتريکي، استحکام مکانيکي و چند خاصيت ويژة ديگر برخوردارند. اگر ما با استفاده از عوامل چسباننده، نانوذرات را کنار هم روي سطح بچسبانيم، پوششي ايجاد خواهد شد که خواص آن مشابه خواص نانوذرات خواهد بود. البته مهمترين عامل در اين حالت، سطح آزاد (سطح بيروني ماده که در تماس با محيط است) بالاي اين نانوذرات است که باعث مي‌شود به نحو بسيار مناسبي به همديگر بچسبند.
براي درک اين موضوع تصور کنيد که چگونه ذرات نمک درون يک نمکدان به علت رطوبت موجود در هوا به همديگر مي چسبند و کلوخه اي مي شوند. رطوبت عاملي است که سطح بيروني ذرات ريز نمک را خيس مي کند و باعث مي شود سطح بيروني دو ذره به همديگر بچسبند. حتماً با مطالعة مقالة چرا نانو پودرها به اين موضوع واقف شده‌ايد که يک کلوخه وقتي خرد مي‌شود، سطح آزاد آن به چند برابر مي‌رسد. از طرف ديگر، اين سطح آزاد مکاني خواهد بود که در آن ذرات به سطح زيرين مي چسبند.
2. چيدمان اتم‌هاي مواد درون سلول‌هايي به نام دانه در مواد بلوري (که اتم‌هايشان به صورت منظم کنار هم چيده شده اند)، راه ديگري براي توليد نانوپوشش‌هاست. مواد بلوري موادي هستند که اتم‌هاي تشکيل‌دهندة آنها به صورت منظم در جهت هايي خاص درون حوزه هايي مثل سلول هاي روي پوست دست قرار گرفته اند. براي توليد نانوپوشش با اين خصوصيت، بايد اندازة دانه هاي اين پوشش‌ها را به حد 1 تا 100 نانومتر درآورد، يعني بايد دانه‌ها را ــ که داخل هر کدام از آنها اتم‌ها در جهت خاصي چيده شده‌اند) ريز کرد. استفاده از دانه‌هايي با اندازة 1 تا 100 نانومتر، پوشش توليدي را به عنوان پوشش نانوساختار مطرح مي کند. (شکل 5)
شکل 5 ـ شمايي از يک پوشش نانوساختار
3. اصطلاح «لاية نازک» يا «فيلم نازک» را شايد شنيده باشيد، ولي آيا مي‌دانيد منظور از لاية نازک چيست؟ چرا مي‌گوييم نازک؟ و نازکي اين لايه‌ها در چه حدي است؟ (شکل 6)
شکل6: تصويري از يک لايه نازک اکسيد آلومينيوم که روي يک زمينه سيليکوني نشانده شده است.
همان‌طور که حدس زده‌ايد، لاية نازک، ضخامت خيلي کمي دارد، اما لايه‌هاي نازکي نانوپوشش به شمار مي‌روند که ضخامت آنها در محدودة 1 تا 100 نانومتر باشد. چنين لايه‌هايي کاربردهاي فراواني دارند. مثلاً مي‌خواهيم آينه‌اي داشته باشيم که فقط طول موج 620 نانومتر يعني قرمز را منعکس کند و بقية امواج را از خود عبور دهد. (شکل 7)
شکل7 ـ تصويري از آينه اي که با لاية نازک پوشش دهي شده است.
چنين کاري با نشاندن يک لاية نازک مناسب که داراي اين خاصيت باشد امکان‌پذير است. در اين فرآيند معمولاً از دو ماده استفاده مي‌کنيم: اولي زيرلايه و دومي پوشش است که با روش‌هايي مثل تبخير و رسوب‌دهي «لايه‌نشاني» مي شوند. تعداد لايه‌هاي نشانده‌شده بستگي دارد به اينکه بخواهيم آينه چه ضريبي از موج را منعکس کند. هر چه تعداد لايه‌ها بيشتر باشد، امواج بيشتري منعکس مي‌شوند، ولي اگر اين تعداد از مقدار معيني بيشتر شود، لايه‌ها ديگر به هم نمي‌چسبند.
ما در طبيعت هم مثال‌هايي از لاية نازک داريم. اگر گفتيد کجا؟ با کمي فکر کردن حتماً متوجه خواهيد شد. (راهنمايي: يادي از نفتکش‌ها کنيد!) وقتي نفت در دريا نشت مي‌کند سريع‌ترين کاري که بايد انجام شود، پاک‌سازي درياست. ولي از کجا متوجه مي‌شوند که نفت در کدام قسمت سطح دريا پراکنده شده است؟ رنگ آن قسمت از دريا تغيير مي‌کند. در حقيقت، به رنگ سبز درميآيد. يک لايه از نفت روي سطح دريا مثل يک لاية نازک عمل مي‌کند. اين لاية نازک فقط طول موج 530 نانومتر (سبز) را باز مي‌تاباند. مثال ديگر حباب صابون است. حباب صابون لايهاي نازک از آب و مواد شوينده است که داخل آن را هوا پر کرده است. (سخن يک آدم بزرگ: انسان هيچ‌وقت چيزي را از خودش ابداع نمي‌کند، بلکه هميشه از طبيعت الهام مي‌گيرد.)
پس ديديم كه نانوپوشش‌ها به سه دستة اصلي تقسيم مي‌شوند:
گفتيم براي توليد پوشش‌هاي نانوساختار بايد بلورها يا دانه‌ها را روي سطح قرار دهيم، ولي نگفتيم چگونه. «جوانه‌زني» عملي است که توضيح آن در زير مي‌آيد.
جوانه‌زني
جوانه‌زني ــ همان‌گونه که از نام آن پيداست ــ به معني جوانه زدن بلورهاي پوشش است که به آن رشد بلوري نيز مي‌گويند. ما به شکل‌هاي مختلف مي‌توانيم بلورها را شکل دهيم: مربعي، هرمي، ستوني، دايره‌اي و... که هر کدام از اين اشکال به شکل بلور وابسته‌اند (شکل 8). بلورهاي رشد‌داده‌شده بايد اندازه‌اي بين 1 تا 100 نانومتر داشته باشند و براي کنترل رشد و اندازة دانة اين پوشش‌ها از موادي به نام کنترل‌کننده هاي رشد استفاده مي شود. اين مواد رسوبات ريزي هستند که با قفل کردن مرزهاي يک دانه، مانع از حرکت و در نتيجه رشد آن مي‌شوند.
گفتيم که يکي از مهمترين عواملي که باعث شد بشر اقدام به پوشش برخي از مواد به وسيلة مواد ديگر کند، نياز به بهبود خواص مهندسي اين مواد بود. در اين قسمت، ابتدا خواص مهندسي مواد را در سه دستة خواص شيميايي، خواص مکانيکي و خواص فيزيکي توضيح مي‌دهيم و سپس خواص مهندسي پوشش‌هاي معمولي و نانوپوشش‌ها را مقايسه مي‌کنيم.
اختلاف نانوپوشش‌ها با پوشش‌هاي معمولي در ساختار و خواصشان است. پس با شناختن خواص و ساختار نانوپوشش‌ها مي‌توان متوجه اين اختلاف‌ها شد. خاصيت هر ماده مربوط به ذرات سازندة آن است. خواص پوشش، به دانه¬ و ذرات تشکيل‌دهندة آن بستگي دارد. خواص شيميايي، فيزيکي و مکانيکيِ نانوپوشش‌ها خواصي هستند از قبيل: مقاومت الکتريکي، نفوذپذيري، مقاومت نسبت به خوردگي، سايش، خاصيت مغناطيسي و... . اين خواص تابع ساختار و اندازة دانة پوشش‌ها هستند. روشن است که استفاده از اين خواص کاربردهاي زيادي فراهم مي‌کند. يکي از تفاوت‌هاي عمده ميان نانوپوشش‌ها و پوشش‌هاي معمولي، مقاومت بالاي نانوپوشش‌ها نسبت به خوردگي است.خواص خوردگی
اتم‌ها در حوزه‌هايي به صورت منظم چيده شده‌اند. به اين حوزه‌هاي منظم «دانه» مي‌گويند. (مقالة «چه چيزي خواص مواد را مشخص مي كند؟» را ببينيد.) اگر سه دانه با هم برخورد کنند، به آن نقطه، «نقطة سه‌گانه» مي‌گويند. اين به آن مي‌ماند که سه دايره با هم برخورد کنند. به خاطر شکل هندسي دايره، فضاي خالي‌اي در محل اتصال ايجاد مي‌شود که به آن «مرز دانه» مي‌گويند. شكل زير را بينيد. (شکل 9)
اتم‌هايي که در مرز قرار دارند، متعلق به هيچ دانه‌اي نيستند. در نتيجه با اتم‌هاي کناري خود تعداد پيوند کمتري برقرار مي‌کنند. وقتي مادة خورنده در پوشش نفوذ مي‌کند، با اتم‌هاي مرزِ دانه پيوند تشکيل مي‌دهد و مواد جديدي درست مي¬کند. مثلاً وقتي آب در آهن نفوذ مي‌کند، زنگ آهن درست مي‌کند که از نظر ترکيب، هم با آب و هم با آهن فرق دارد. به اين ترتيب، باعث خوردگي مي¬شود.
با اين حساب، نانوپوشش‌ها بايد بيشتر در معرض خوردگي باشند. پس چرا مقاومترند؟ در نانوپوشش‌ها مساحت مرزِ دانه زياد است و اين موجب خوردگي بيش از اندازه مي‌شود. ولي اين خوردگي در مرز اتفاق مي‌افتد نه درون دانه. اما چون اين نقاط پراکندگي يکنواختي دارند، بنابراين خوردگي يکنواخت‌تر است و خوردگي موضعي که ترک و شکست ايجاد مي‌کند در کار نخواهد بود.خواص مکانيکی
پوشش‌دهي و نانوپوشش‌ها خواص مناسب ديگري هم دارند که موجب استفادة فراوان از آنها شده است. تصور کنيد که مادة نرمي داشته باشيد و براي شما مهم است اين ماده نرم باشد تا در برابر ضربه و ديگر بارها و نيروهاي مکانيکي که به صورت ناگهاني اعمال مي‌شوند نشکند. اما از طرفي اين ماده همواره در تماس با يک مادة زبر است و بين اين دو قطعه اصطکاک به وجود مي‌آيد. خوب واضح است که روي سطح مادة نرم شما همواره خش و خط مي‌افتد و قطعة شما از بين خواهد رفت. براي حل اين مشکل يک لايه از يک مادة سخت را روي سطح مادة اول مي‌نشانند تا در برابر نيروهايي که در سطح ماده اعمال مي‌شوند، مثل اصطکاک، مقاوم شود. از طرف ديگر، مغز قطعه هنوز نرم و انعطاف‌پذير است. بنابراين، قطعه در برابر نيروهاي ناگهاني مثل ضربه هم مقاوم خواهد بود. پس ديديد که چگونه خواص مکانيکي يک ماده ــ مثل سختي ــ را با پوشش‌دهي مي‌توان بهبود بخشيد.
حال توجه کنيد که ميزان سختي ــ يا همان مقاومت در برابر جسم فروروندة خارجي ــ به چند عامل بستگي دارد:
1. يکي از اين عوامل، نيروهاي بين اتميِ موادند. اين نيروها خاصيت ذاتي ماده‌اند. مثلاً نيروي بين اتم‌هاي آهن، به علت پيوند فلزي بين اتم‌هاي آهن خيلي بيشتر از نيروهاي اتمي بين اتم‌هاي گاز هليم‌اند که با پيوند واندروالسي به هم متصل مي‌شوند. اين امر در عمل هم قابل تصور است، چرا که اتم‌هاي گاز به‌راحتي، حتي با يک فوت، از هم جدا مي‌شوند. اين در حالي است که براي شکافت اتم‌هاي آهن بايد نيروي بسيار بسيار زيادي صرف کرد. 2. دومين عامل بسيار مؤثر در مقاومت مواد در برابر سختي، ساختار سطح مواد است. واضح است که اگر سطح مواد متخلخل و پر از ترک باشد، مقاومت مواد در برابر يک عامل فروروندة خارجي بسيار کمتر خواهد بود. با اين تصور، با استفاده از فناوري نانو مي‌توان ساختارهايي را توليد کرد که يا ترک‌هاي کمتري داشته باشند يا اندازة دانة آنها آن‌قدر کوچک باشند که وقتي عامل فروروندة خارجي به سطح ماده برخورد مي‌کند، عملاً به مرزهاي اين دانه‌ها برخورد کند و چون مرزها محل بي‌نظمي اتم‌ها هستند و انرژي پيوندها با پيوندهاي داخل دانه فرق دارند (به طوري که از خود مقاومت بيشتري در برابر مادة فروروندة خارجي نشان مي‌دهند)، پس مادة ريز دانة ما که دانه‌هايي در حد نانومتري دارد، مقاومت بيشتري در برابر سختي نشان مي‌دهد.
البته چنين پوشش‌هايي ساير خواص مکانيکي مثل خستگي را هم بهبود مي‌بخشند، که به‌اختصار به آنها مي‌پردازيم.
خستگی
براي درک خستگي، يک سيم را تصور کنيد. براي پاره کردن آن چه مي‌کنيد؟ آيا آن را مي‌کشيد؟ البته اگر سيم پلاستيک يا نايلوني باشد شايد بتوان به اين طريق سيم را پاره کرد، اما براي پاره کردن سيم فلزي بايد چند بار آن را بالا و پايين کرد. در واقع، بايد جهت نيرو را عوض کرد. نيروهايي که به اين صورت با تغيير جهت وارد مي‌شوند، در واقع مواد را خسته مي‌کنند. يکي از مهمترين ويژگي‌هاي مواد که مقاومت آنها را در برابر خستگي مشخص مي‌کند، ويژگي‌هاي سطحي آنهاست که با نانوساختار کردن سطح و ريزدانه کردن و البته کم کردن نقايص سطحي، مثل ترک، مي‌توان اين خواص را بهبود بخشيد.خواص فيزيکی
يکي از مهمترين مزيت‌هاي پوشش‌دهي، بهبود خواص فيزيکي مثل هدايت الکتريکي است. همان‌طور که مي‌دانيد هدايت بارهاي الکتريکي به وسيلة ارتعاش اتم‌ها و برخورد آنها با هم انجام مي‌شود .(براي تصور درست از اين قضيه بازي «دستِش دِه» را به ياد آوريد.)
وقتي يک بارِ الکتريکي وارد مجموعه‌اي از اتم‌ها مي‌شود، اتم‌ها سر جاي خود مي‌لرزند و ارتعاش مي‌کنند. اين ارتعاش باعث مي‌شود بارهاي الکتريکي در داخل يک مجموعة اتمي انتقال پيدا کنند. واضح است که اگر در اين مجموعه جاي يک اتم خالي باشد در آن منطقه هدايت به‌خوبي انجام نمي‌شود. بنابراين، مادة هادي خوبي نخواهد بود و هر چه ماده منظم‌تر باشد اين هدايت راحت‌تر انجام مي‌شود. از طرف ديگر، بايد بدانيد که هر چه ماده بزرگتر مي‌شود، احتمال اينکه اتم‌ها سر جاي خودشان قرار گرفته باشند کاهش مي‌يابد و در واقع تعداد نقص‌هاي نقطه‌اي (وقتي در يک مجموعة منظم اتمي يک اتم نباشد، در واقع جاي خالي يا اتم اضافي)، يا نقص‌هاي خطي (وقتي در يک مجموعة منظم اتمي يک رديف اتم نباشد)، يا نقص‌هاي صفحه‌اي (وقتي در يک مجموعة منظم اتمي يک صفحة اتم نباشد) بيشتر مي‌شود و هر چقدر تعداد اين نواقص بيشتر باشد، خواص فيزيکي بيشتر افت مي‌کنند. از اين رو، در برخي از کاربردها مثل حسگرها (که در آنها يک انرژي به نوعي ديگر تبديل مي‌شود تا بتوان آن را آشکارسازي کرد) با نشاندن لايه‌هاي نازک، خواص الکتريکي ــ مثل هدايت ــ بهبود مي‌يابند.
در قسمت‌هاي پيشين در مورد پوشش‌ها، علل استفاده از آنها، خواص پوشش‌ها و نانوپوشش‌ها صحبت کرديم. در اين مقاله مي‌خواهيم راجع به نحوة توليد نانوپوشش‌ها صحبت کنيم. در ابتدا بايد خاطرنشان کرد که روشهاي تشکيل نانوپوشش‌ها بر اساس همان سه روش تشکيل پوشش‌هاست که در بخش دوم ذکر شد. در ادامه، روشهاي مختلف پوشش‌دهي مورد بحث قرار مي‌گيرد. روش پاشش حرارتی هنگامي که قصد داريد دو قطعة پلاستيکي را به هم بچسبانيد، چه کار مي‌کنيد؟ آسان‌ترين راه (بدون استفاده از وسايل جانبي مانند چسب) ذوب کردن يک قطعه و فشردن آن روي قطعة ديگر است. (شکل 10)
شکل 10 - شماتيکي از روش پاشش حرارتي
براي توليد پوشش هم مي‌توانيم همين عمل را با کمي تغيير انجام دهيم. در اين حالت از پودر براي توليد پوشش استفاده مي‌شود. به اين صورت که پودر را با قدرت به سمت قطعة مورد نظر مي‌پاشيم و در مسير پاشش، پرتو ليزر را قرار مي‌دهيم. پرتو ليزر با سرعت و قدرت زياد محيط را گرم مي‌کند و باعث مي‌شود پودر در مسير به صورت مذاب درآيد. وقتي پودر با سطح تماس پيدا مي‌کند، به علت اختلاف دما، پس از برخورد سريعاً سرد مي‌شود و پوشش نانوساختار را شکل مي‌دهد. پس ديديم که در توليد پوشش از اين طريق از سازوکارهاي دوم و سوم استفاده شد.روش رسوب‌دهي شيميايي بخار (CVD)
فرآيند CVD در فاز گازي انجام مي‌شود. يعني مواد واکنش‌زا گاز هستند و فرايندهاي شيميايي بين گازها صورت مي‌گيرد. در شکل زير گازها از يک دريچه وارد مي‌شوند و بعد از رسوب بر روي يک زيرلايه، به صورت شيميايي واکنش مي‌دهند (شکل 11).
CVD شکل 11 - شماتيکي از روش
اين روش لايه‌نشاني ممکن است از طريق چند نوع واکنش شيميايي انجام شود: 1) پيروليز که در آن از دماي زياد براي تجزية ماده استفاده مي‌شود؛ 2) فوتوليز که در آن از نور فرابنفش يا فروسرخ براي تجزية ترکيب‌هاي گازي استفاده مي‌شود. به خاطر دماي بالاي فرآيند، لايه به سطح ماده نفوذ مي‌کند و تشکيل يک لاية نازک آلياژي مي‌دهد. به عنوان مثال، مبناي اين روش را مي‌توان به صورت ذيل شرح داد: مادة مورد نظر با يک گاز يا بخار مخلوط مي‌شود تا ترکيب فرّاري ايجاد شود. اين مادة فرّار به سطح زيرلايه منتقل و به خاطر گرماي زياد روي زيرلايه نشانده مي‌شود و پس از سرد شدن تشکيل يک لاية جامد نازک را مي دهد.
اين روش نيز مثل پاشش حرارتي از هر دو سازوکار شماره‌هاي 2 و 3 براي پوشاندن سطوح استفاده مي‌کند. لايه‌نشاني الکتروليتي کاتد
براي توليد پوشش‌هاي مقاوم به خوردگي، استفاده از اکسيدِ همان فلز ساده‌ترين نوع پوشش است.
اکسايش کاتد عموماً در تهية لايه‌هاي اکسيدهاي فلزهاي معيني مثل آلومينيوم به کار مي‌رود. قطعه‌اي که مي‌خواهد پوشش داده شود، به قطب کاتد وصل مي‌شود و در محلول الکتروليت قرار مي‌گيرد. در اين حالت اکسيژن‌هاي موجود در الکتروليت را جذب مي‌کند. يون‌ها از ميان لايهاي که اکسيده شده است به وسيلة يک ميدان الکتريکي تقويت و با اتم‌هاي قطعة فلزي ترکيب مي‌شود و مولکول‌هاي اکسيد را روي سطح تشکيل مي‌دهد. معمولاً از نمک‌هاي مذاب مختلف، يا در برخي موارد از اسيدها، به عنوان الکتروليت استفاده مي‌شود.
از نکاتي که بايد مورد توجه قرار گيرد، مادة الکتروليت است. بعضي از الکتروليت‌ها فوراً اکسيد تشکيل‌شده را در خود حل مي‌کنند و در لاية ايجادشده تخلخل ايجاد مي‌نمايند. نمونه‌اي از اين روش، اکسيده شدن آلومينيوم در اسيدسولفوريک يا سيترات آمونيوم است. اين محلول‌ها روي اکسيد هيچ اثر حلاليتي ندارند. بنابراين، با رسيدن به يک ضخامت مشخص (با ولتاژ ثابت) اکسايش متوقف مي‌شود.
در سطح فلزهايي مانند آلومينيوم، ضخامت لاية نازک حدود سه چهار نانومتر است. مشخصاً در اين روش از سازوکار دوم براي پوشاندن سطوح استفاده مي‌شود.روش نيتروراسيون
مي‌دانيم که اتم نيتروژن کوچک است و به همين علت به‌راحتي مي‌تواند به درون سطح اکثر مواد نفوذ کند. حال اگر اتم نيتروژن بتواند چند نانومتر داخل سطح نفوذ کند، يک نانوپوشش توليد کرده است.
ترکيب نيتروژن با موادي مانند فولاد، يک مادة سخت توليد مي‌کند. فولادهايي که با نيتروژن پوشش مي‌شوند، عموماً کربن کمتري دارند، چون کربن کم باعث نرمي مي‌شود. در واقع، هر چه سختي كمتر شود، نرمي بيشتر مي‌شود. در عين حال، اگر کربنِ فولاد زياد باشد، نيتروژن با کربن ترکيب مي‌شود و اين ترکيب براي افزايش سختي مناسب نيست. پس ديديم که در اين روش نيز به صورت غيرمستقيم از سازوکار سوم براي نفوذ اتم‌ها و ايجاد پوشش استفاده شد. روش رسوب‌دهي فيزيکي بخار
واضح است که در اثر گرم کردن ماده (جامد يا مايع) اتم‌ها يا مولکول‌ها از روي سطح آزاد مي‌شوند. براي آنکه مولکولي بتواند سطح خود را ترک کند، بايد مؤلفة عموديِ نيرو که نتيجة حرارت است بزرگتر از نيروي جاذبة بين مولکولي باشد. پس با افزايش دما تعداد ذره‌هايي که از سطح کنده مي‌شوند افزايش مي‌يابد. وقتي اتم‌هاي کنده‌شده از سطح به مقدار معيني رسيدند، واکنش‌هاي شيميايي در حالت بخار صورت مي‌گيرند. بعد از آن بخار سرد مي‌شود و يک لاية نازک روي سطح ايجاد مي‌گردد.
در روشهاي رسوب‌نشاني، به علت وجود انواع روشهاي تبخير، روشهاي مختلفي براي پوشش‌دهي داريم. اما براي اغلب مواد فقط يک روش تبخير بهينه وجود دارد. تبخير بهينه به روش تبخير، دماي تبخير و سرعت تبخير مربوط مي‌شود و درجة خلوص لايه نيز وابسته به سيستم تبخير است.
روشهاي مختلف تبخير عبارت‌اند از: گرم کردن مقاومتي مستقيم، گرم کردن به وسيلة باريکة الکتروني، روش جرقه‌اي و... .
در رسوب‌دهيِ فيزيکي بخار هم از سازوکارهاي دوم و سوم استفاده شده است.
روش سل ـ ژل
در اين روش در واقع از اصل محلول‌سازي و رسوب‌دهي جامدات در مايعات با استفاده از تغيير پارامترهايي مثل دما استفاده مي‌کنيم و محصولاتي مثل پوشش و پودر را به دست مي‌آوريم. براي اين کار، ابتدا از مادهاي که مي‌خواهيم پوشش دهيم يک محلول تهيه مي‌کنيم و بعد با حرارت دادن اين محلول آن را تبديل به يک مادة ژلاتيني مي‌نماييم. با ادامة حرارت دادن، مواد معلق در محلول را روي مادة پذيرندة پوشش رسوب مي‌دهيم. حال اين رسوب مي‌تواند به صورت يک لاية پيوسته باشد که در آن صورت يک لاية نانومتري تشکيل مي‌شود. يا اگر ضخامت اين لايه از 100 نانومتر بيشتر باشد، به علت اينکه از ذرات نانومتري تشکيل شده است، يک لاية نانوساختار است. اما بايد دقت کرد که دما و سرعت حرارت‌دهي و... ممکن است باعث شود که به جاي يک لاية پيوسته، مجموعه‌اي از ذرات تشکيل‌دهندة لايه به صورت پودر تشکيل شوند. البته بايد يادآور شد که پوشش‌هايي که از اين روش توليد مي‌شوند داراي تخلخل‌هايي هستند که خواص آنها را ضعيف مي‌كند. کاملاً واضح است که در اين روش از سازوکار سوم استفاده شده است. در شکل12 نمايي از توليد محصولات به روش سل ـ ژل را مشاهده مي‌کنيد.
اين‌همه تلاش براي چيست؟ استفاده از فناوري هاي نوين براي دستيابي به محصولات بهتر و کارايي بالاتر، مهمترين و تنها عامل اختراعات و اکتشافات است. نانوپوشش‌ها هم ويژگي‌هاي محصولات را از جنبه‌هاي مختلف افزايش داده‌اند. در فعاليت‌هاي صنعتي مي‌توان به پوشش‌دهي نانومتريِ ضد سايش، ضد خش و مقاوم در برابر خوردگي اشاره کرد. پوشش‌هاي اپتيکي هم به‌سرعت در حال پيشرفت هستند. کاربردهاي پزشکي و بهداشتي هم بيشترين تأثير را روي سلامتي و زندگي ما دارند. براي مثال پوشش‌هاي نانوکامپوزيتي در صنايع بستهبندي سبب نازکتر شدن بستهبندي و سبکي و طولاني‌تر شدن عمر مواد غذايي مي‌شوند. (شکل 13)
شکل 13 ـ بستهبندي مواد غذايي با پوشش‌هاي نانوکامپوزيتي
دستة ديگر، کاربردهاي الکتريکي و الکترونيکي‌اند که موجب کوچکتر شدن قطعات الکترونيکي، افزايش ذخيره‌سازي اطلاعات، ساخت پوشش‌ها با رسانايي بالا و... مي‌شوند. در ادامه، برخي از مهمترين محصولات و کاربردهاي حاصل از پوشش‌دهي نانومتري را توضيح مي‌دهيم.نانو*****ها
ما از ***** چه انتظاري داريم؟ *****هاي معمولي چه ميزان از نياز ما را برطرف مي‌کنند؟ براي افزايش دقت چه تدبيري بايد انديشيد؟
وقتي سرما مي‌خوريد يا در معرض هواي آلوده هستيد، براي جلوگيري از ورود ميکروب، ويروس يا مواد سمي مثل سرب، چه کاري انجام مي‌دهيد؟ اکثراً از يک ماسک سفيد استفاده مي‌کنند. (البته بعضي‌ها حاضرند سرب بخورند، ولي از اين ماسک‌ها استفاده نکنند!)
ماسک‌هاي متداول مي‌توانند جلو ورود باکتري‌ها را بگيرند، ولي باکتري‌ها را از بين نمي‌برند. به اين صورت که آنها را روي خود جذب مي‌کنند. بعد از مدتي باکتري‌ها و ذرات، روي پوشش جمع مي‌شوند و لايهاي از مواد مضر را تشکيل مي‌دهند و چون ماسک با سيستم تنفسي در ارتباط است، استفاده از آن خطرناک است و در نتيجه نياز به تعويض دارد. اين مشکل را پوشش‌هاي نانوذرات نقره حل کرده‌اند. ويژگي اين پوشش از بين بردن ميکروب‌هاست. در نتيجه اين ماسک‌ها طول عمر بيشتر و کيفيت بهتري نسبت به ماسک‌هاي معمولي دارند. (شکل 14)
شکل 14ـ ماسک ساخته‌شده با کمک نانوذرات نقره
شرکت Argonide Nanomaterials سازندة نانوذرات و محصولات نانو*****اسيون است. اين *****ها از الياف نانومتري آلومينا ساخته شده‌اند. اين الياف ذرات نانومتري را به خود جذب مي‌کند و نگاه مي‌دارد. از اين ***** مي‌توان براي تصفية آب استفاده کرد، چون 9/99 درصد ويروس‌ها را در جريان آب با سرعتي بيشتر از نمونه‌هاي فعلي حذف مي‌کند. در بيشتر نواحي جهان، به‌خصوص جهان سوم، مردم دسترسي کمي به آب آشاميدني دارند و استفاده از اين محصول براي اين گروه از انسان‌ها بسيار مفيد خواهد بود.پوشش‌هاي ضدّ سايش
خيلي از ابزار مثل ابزارآلات برش، متّه و... به علت کاربردشان بيشتر در معرض اصطکاک قرار مي‌گيرند و زودتر ساييده مي‌شوند. شرکتNanodyne اين مشکل را با ساخت پوششي کامپوزيتي حل کرده است. اين پودر کامپوزيتي ترکيبي از کاربيد تنگستن و کُبالت است که اندازة دانه‌هاي آن از 15 نانومتر بيشتر نمي‌شود و بر اثر پخت به مادهاي سخت‌تر از الماس تبديل مي‌گردد و پوشش بسيار مناسبي براي ابزار آلات توليد مي‌کند. (شکل 15)
شکل15ـ ابزارآلات پوشش‌داده‌شده با مواد سخت و مقاوم در برابر سايش
OLED
يکي از محصولات مهم فناوري نانو، ساخت صفحات نمايشگر بلور مايع با استفاده از لايه‌هاي پليمري فولرين است که به OLED مشهورند. به طور خلاصه، فولرين‌ها به خاطر خواص نوراني‌شان مي‌توانند وضوح بيشتري به مانيتور بدهند. بنابراين OLED ها نسبت به LCD ها قابليت تفکيک و وضوح بالاتري دارند. (شکل 16)
شکل 16ـ نمونه‌اي از ساخت صفحات نمايشگر بلور مايع با استفاده از لايه‌هاي پليمري فولرين OLED
پوشش‌هاي فوتوکاتاليستي با خاصيت خودپاککنندگي
اين کاربرد نانوپوشش‌ها بيشتر مورد علاقة دانش‌آموزاني است که وقتي از مدرسه به خانه باز مي‌گردند بايد جواب مادرشان را بدهند که چرا لباس‌هايشان خاکي و گچي است! در چنين شرايطي لباس‌هايمان را مي‌شوييم، ولي در مقياس‌هاي بزرگ مثل ديوار، کف اتاق، قطعات و... تميز کردن، هم پرهزينه است و هم وقت‌گير. (شکل 17)
شکل 17ـ تميز کردن سطوح، وقت‌گير و هزينه‌بر است.
بنابراين بهترين راه حل اين است که اصلا کثيف نشوند که بخواهيم تميزشان کنيم . ( قابل توجه افراد تنبل ! )
امروزه قطعاتي طراحي شده‌اند که هيچ‌گاه کثيف نمي شوند و علاوه بر اين، قابليت تميزکنندگي و تصفيه را نيز دارند. پوشش‌هاي فوتوکاتاليستي جزو اين گروه هستند. اين پوشش‌ها از بلورهايي تشکيل شده‌اند که در مقابل نور خاصيت خودپاککنندگي پيدا مي‌کنند. اين پوشش مي‌تواند با اسپري کردن روي انواع سطوح قرار بگيرد و با تجزية مواد آلوده‌کنندة هوا آن را هم تصفيه کند. لباس‌هاي ضدّ لک هم خاصيت خودتميزشوندگی دارند، ولي سازوكارشان با پوشش‌هاي فوتوکاتاليستي متفاوت است. خبرنامة شمارة دو را بينيد.
اگر برگ نيلوفر آبي را تا حالا ديده باشيد (اگر تا حالا دقت نکرده‌ايد، به عکس نگاه کنيد)، هميشه قطره‌هاي آب روي آن و در مرکز برگ جمع مي‌شوند، ولي هيچ‌گاه برگ خيس نمي‌شود. (شکل 18)
شکل18ـ برگ نيلوفر آبي هيچ‌گاه خيس نمي‌شود.
دستتان را با کرِم چرب کنيد و بعد آن را توي آب فرو ببريد. اين تجربه‌اي است که احتمالاً پيش از اين داشته‌ايد. در اين حالت آب قطره قطره روي دستتان قرار مي‌گيرد و به سمت پايين سرازير مي‌شود.
شيشه‌هاي ضد بخار هم با همين روش عمل مي‌کنند. در اين حالت لايهاي را روي سطح شيشه مي‌نشانند که با آب خيس نمي‌شود (مثل بال‌هاي اردک در آب در شکل 19).
شکل 19ـ پرهاي مرغابي چرب‌اند و براي همين خيس نمي‌شوند.
يعني وقتي بخار روي سطح شيشه مي‌نشيند، نمي‌تواند مثل يک لاية نازک روي آن جا خوش کند، بلکه به صورت قطره قطره درميآيد و از روي آن سُر مي‌خورد.
استفاده از لايه‌هاي ضد نورUV
يکي از نعمت‌هاي خوب خدا که به آن كم توجه مي‌كنيم، لاية اُزُن است. اين لايه مقدار زيادي از پرتو UV (Ultra Violet: ماوراي بنفش) را جذب مي‌کند. با وجود اين، مقداري از آن نيز به سطح زمين مي‌رسد كه گرچه اندك است، اما با سوراخ شدن لاية اُزُن (نمونه‌اي از شاهکارهاي بشر!) مقدار آن بيشتر شده و خطر خراب شدن لايه‌هاي پوست افزايش زيادي پيدا كرده است. محققان با دو روش از اين تخريب جلوگيري مي‌کنند. روش اول كه در ادامه توضيح داده مي‌شود، با استقبال خوب صنايع آرايشي مواجه شده است. اين صنايع در کرم‌هاي ضد آفتاب از روش اول استفاده کرده‌اند و چون ما آدم‌ها به زيبايي و سلامت خود اهميت زيادي مي‌دهيم، از اين راه پول خوبي به جيب زده‌اند.
حالت اول اين است که اجازة نفوذUV را به سطح مورد نظر نمي‌دهند. فکر مي‌کنيد براي اين کار، با توجه به توضيحاتي که قبلاً داده‌ايم، بهترين نوع پوشش چيست؟ درست است، لاية نازک بسيار مناسب است. ولي به جز آن از نانوذارات هم مي‌توان استفاده کرد. (شکل 20)
شکل 20 ـ لاية نشانده‌شده بر روي اين عينک آفتابي نور فرابنفش را منعکس مي‌کند.
در حالت دوم UV جذب مي‌شود. براي اين كار از نانوذرات اکسيد روي استفاده مي‌کنند. يکي از علل مرغوبيت کرم‌هاي آفتاب ساخته‌شده با نانوذرات اکسيد روي، شفافيت اين نانوذرات است. در گذشته هم موادي را به کرم‌هاي آفتاب اضافه مي‌کردند، ولي اين مواد موجب کدر شدن کرم مي‌شد. ولي نانوذرات به علت ريز بودن تغييري در رنگ کرم ايجاد نمي‌کنند. پوشش‌هاي هوشمند
هنوز تحقيقات در اين زمينه ادامه دارد، ولي اثرات آن به اين‌گونه خواهد بود:
روزي را تصور کنيد که براي عوض کردن رنگ ناخن‌هايتان به ناخنتان دستور شفاهي بدهيد! شما از مايعي شفاف استفاده خواهيد کرد که با تغيير جاي اتم‌هايش دستور شما را عملي مي‌کند. اين مواد هوشمند از روش شکست نور استفاده خواهند کرد، درست مثل بال پروانه. ولي خدا آن روز را نياورد! همين‌طوري هم مدل ناخن‌ها عجيب و غريب است، چه رسد به اينکه دست‌هاي هر کس مثل يك جعبه مدادرنگي بشود! (شکل 21)
شکل21: دستي با ناخن‌هاي رنگارنگ با استفاده از پوشش‌هاي هوشمند
نتيجه‌گيري و مرور کلي
در اين گزارش با تعاريف پوشش، روشهاي توليد، خواص و کاربردهاي آنها آشنا شديم و هر يک از مباحث فوق را در مورد نانوپوشش‌ها بررسي کرديم. درک مفهوم نانوپوشش‌ها مستلزم بيان پيش‌زمينه‌اي دربارة پوشش‌هاست. به طور کلي نانوپوشش دربرگيرندة مفهوم لايه‌هاي نانومتري و روکش‌هاي نانوساختار است. در کل، نانوپوشش‌ها داراي خواص بهتري نسبت به پوشش‌هاي معمولي هستند و از نظر کاربردي مي‌توان آنها را در مصارف حساس به کار برد. اگر‌چه به طور كلي روشهاي توليد اين نوع از پوشش‌ها با روشهاي توليد پوشش‌هاي متداول تفاوت چنداني ندارد، اما مي‌توان با دقت در پارامترها و شرايط توليد، چنين پوشش‌هايي را هم توليد نمود. کاربردهاي نانوپوشش‌ها با توجه به ساختار ويژة آنها و خواص ناشي از اين ساختار تعيين مي‌شود.
1- مقدمه
بارها این جمله را شنیده یا خوانده‌ایم که «وقتی ما راجع به ابعاد نانو صحبت می‌کنیم، در واقع؛ از تعداد انگشت‌شماری از اتم‌ها یا مولکول‌ها سخن میگوییم.» همین دسترسی به تک تک اتم‌ها و مولکول‌ها است که موجب بهبود خواص مواد و یا شکل‌گیری خواص جدید در مواد می‌شود. یک پرسش اساسی در این باره این است که: آیا در واقعیت دسترسی به مقیاس اتم‌ها و مولکول‌ها امکان‌پذیر است؟ آیا برای این منظور ما حتماً به وسایل و ابزار خاصی نیاز داریم؟ و آیا می‌توان با انجام آزمایش‌های ساده هم، به چنین مقیاسی دست یافت؟
ما در این مقاله به دنبال آن هستیم تا با انجام دو آزمایش ساده، پوششی به ضخامت چند نانومتر از روغن، ابتدا بر روی یک سطح مایع و سپس بر روی یک سطح جامد تولید کنیم.
2- آزمایش اول: نانوپوشش بر روی سطح مایع مواد و وسایل مورد نیاز
1. یک عدد سینی فلزی ترجیحاً بزرگ
(هر چه بزرگتر باشد، آزمایش بهتر انجام می‌شود)
2. مقداری آب
3. مقدار کمی روغن مایع
4. مقدار کمی زردچوبه
5. یک قاشق غذاخوری
6. قطره‌چکان
7. خط‌کش
8. ماشین‌حساب
9. ترازوی آشپزخانه
شرح آزمایش
سینی را بر روی یک سطح صاف قرار دهید و مقداری آب، تقریباً به عمق 2 سانتی‌متر، درون آن بریزید. اندکی صبر کنید تا سطح آب کاملاً ساکن شود. با استفاده از قطره‌چکان یک قطره روغن مایع را از ارتفاع نزدیک به سطح آب، بر روی سطح آب بچکانید. برای آن که قطره روغن بتواند تا حداکثر جای ممکن بر روی سطح آب پخش شود، بهتر است آن را در نقطه‌ای در وسط سطح آب رها کنید. قطره‌ی روغن به سرعت بر روی آب پخش می‌شود، اما چون رنگ آن تمایز چندانی با آب ندارد، مرز لایه‌ی روغن روی سطح آب مشخص نیست. برای آن که ببینیم روغن تا چه اندازه‌ای روی سطح آب گسترده شده است، از زردچوبه استفاده می‌کنیم. مقدار کمی زردچوبه را به آرامی و با استفاده از یک قاشق غذاخوری در محلی که قطره‌ی روغن را رها کرده‌اید، بریزید. با گسترش این کار به اطراف، مرز لایه‌ی روغن بر روی سطح آب کاملاً مشخص خواهد شد.
اکنون برای آن که ضخامت لایه‌ی روغن را بر روی سطح آب برآورد کنید، ابتدا باید مساحت لایه‌ی روغن را بر روی سطح آب برآورد کنید. برای این کار می‌توانید از خط‌کش و روابط محاسبه‌ی مساحت در ریاضی استفاده کنید. سپس با دانستن چگالی روغن و جرم قطره‌ی روغن، حجم آن را نیز تعیین کنید. از حاصل تقسیم حجم روغن بر مساحت لایه‌ی روغن، ضخامت قطره‌ی روغن محاسبه می‌شود.
برای محاسبه‌ی جرم قطره‌ی روغن می‌توانید جرم تعداد مشخصی قطره‌ی روغن را با استفاده از ترازوی آشپزخانه اندازه‌گیری کنید و سپس با تقسیم کل جرم بر تعداد قطره‌ها، جرم تقریبی یک قطره را برآورد کنید. جرم یک قطره روغن را بر چگالی روغن تقسیم کنید تا حجم آن به دست آید. چگالی روغن مایع را تقریبا 0/9 گرم بر سانتی‌مترمکعب در نظر بگیرید.
پرسش‌های آزمایش
1. ضخامت لایه‌ی روغن بر روی سطح آب تقریباً چند نانومتر است؟
2. اگر سطح سینی بسیار بزرگ باشد و روغن بدون هیچ محدودیتی بتواند روی سطح آب گسترش یابد، ضخامت لایه‌ی روغن تقریباً به اندازه‌ی قطر یک مولکول روغن می‌شود. قطر مولکول روغن را چند نانومتر برآورد می‌کنید؟
3. چند مایع دیگر نام ببرید که بتوان قطر مولکول آنها را به این روش محاسبه کرد؟ 3- آزمایش دوم: نانوپوشش بر روی سطح جامد
با توجه به این آزمایش ملاحظه کردیم که با انجام آزمایش‌های ساده هم می‌توان به مقیاس اتم‌ها و مولکول‌ها دسترسی پیدا کرد. ما در این آزمایش با انجام چند کار ساده توانستیم یک لایه‌ی چند نانومتری از روغن را بر روی سطح آب تشکیل دهیم.
اکنون می‌خواهیم یک لایه‌ی چند نانومتری از روغن را روی یک سطح جامد مثلاً یک فلز تشکیل دهیم. چه روشی پیشنهاد می‌کنید؟ ابتدا اندکی فکر کنید و سپس آزمایش زیر را انجام دهید.مواد و وسایل مورد نیاز
مواد و وسایل آزمایش قبلی به علاوه‌ی یک هیتر (گرم‌کن الکتریکی)
شرح آزمایش
سینی آزمایش قبلی را که حاوی یک لایه‌ی روغن بر روی سطح آب است به آرامی بر روی یک گرم‌کن الکتریکی قرار دهید. صبر کنید تا آب درون سینی کاملاً تبخیر شود. (هر چه آب درون سینی کمتر باشد، آب سریع‌تر تبخیر می‌شود.) پس از تبخیر آب، یک لایه‌ی چند نانومتری روغن بر روی سطح سینی تشکیل می‌شود.
پوشش دادن یک سطح توسط ماده‌ی دیگر، از کارهایی است که در فناوری نانو بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد. این کار موجب تغییر بعضی خواص سطوح می‌شود. به عنوان مثال، در صنعت نساجی پوشش دادن پارچه‌ها و لباس‌ها توسط نانوذرات نقره (nanosilver) موجب می‌شود تا پارچه‌ها و لباس‌ها خواص ضد عفونی کننده (آنتی باکتریال) پیدا کنند. و یا پوشش دادن پارچه‌ها و لباس‌ها توسط نانوذرات اکسید تیتانیوم (TiO2)که موجب می‌شود پارچه‌ها و لباس‌ها خواص آب‌گریزی پیدا کنند و آب و بسیاری مایعات دیگر موجب تر شدن و بنابراین، لک شدن آنها نشوند. یا مثلاً در صنعت خودروسازی، پوشش دادن بدنه‌ی خودروها با برخی نانوذرات موجب افزایش سختی آنها می‌شود. بنابراین، بدنه‌ی این خودروها در برابر خَش و خوردگی مقاوم می‌شوند. و یا در صنعت لوازم بهداشتی، پوشش دادن سرامیک‌ها و رنگ‌های بیمارستانی با استفاده از نانوذرات نقره موجب ایجاد خواص ضدعفونی‌کننده (آنتی‌باکتریال) در دیوارها و کف بیمارستان‌ها و آزمایش‌گاه‌ها می‌شود و هم‌چنین بسیاری موارد دیگر.
پوشش دادن سطح یک ماده توسط ماده‌ی دیگر را اصطلاحا پوشش دادن یا کُت کردن (coat) میگوییم.
پرسش‌های آزمایش
1. علاوه بر آن چه بیان شد، چند مثال واقعی دیگر از کاربرد پوشش دادن سطح توسط یک ماده‌ی دیگر بیان کنید. در هر مورد بگویید که این کار چه خواص جدیدی را برای آن سطح ایجاد می‌کند.
2. یک آزمایش ساده طراحی کنید که بتوان سطح یک فلز را با یک لایه‌ی چند نانومتری از نمک طعام پوشش دهیم. سعی کنید این آزمایش را انجام دهید.با کليک کردن روی تصوير زير می‌توانید فيلم کوتاهی را از غلتیدن قطرات آب بر روی يک نانوپوشش واقعی (ساخت شرکت زایویر) ببینید.
