1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Innovation Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

خواص ابرآب گریزی و ابرروغن گریزی در طبیعت

افراد مقاله : ‌ مترجم - حسن سلیمی

موضوع : علم و پژوهش کلمات کلیدی : آبگریز (ضد آب) تاریخ مقاله : 1394/12/21 تعداد بازدید : 5423

این مقاله مروری است بر خواص ابرآب گریزی و ابرروغن گریزی که در طبیعت یافت شده است. پیش بینی می شود که موضوع ابرآب گریزی و ابرروغن گریزی می تواند در کاربردهای احتمالی در آینده مورد بهره برداری قرار گیرد. نسخه برداری از طبیعت ساده ترین راه برای بازتولید چنین خواصی است؛ زیرا طبیعت هزاران سال است که گیاهان، حشرات و حیواناتی دارد که می توانند آب را به خوبی مایعاتی مانند روغن که کشش سطحی کمی دارند، دفع کنند. بارزترین نمونه برگ نیلوفر آبی است، اما مواردی مشابه را می توان در حشراتی که می توانند روی دیواره یا آب راه بروند، در حشراتی با بال های ساختار ریزی شده رنگی(رنگ های ساختاری) یا حشراتی که چشم های ضد مه و ضد انعکاس دارند هم ملاحظه کرد. در بیشتر اوقات طبیعت واکس نانوساختاری تولید می کند که خواص ابرآب گریزی ایجاد می کند. برای مثال در این اواخر دافعه روغن در پوست کنه ها گزارش شده است. هر چند در بسیاری از مقالات ساخت سطوح ابر روغن گریز با استفاده از هندسه بازگشتی گزارش شده است، اما در همه آن ها ترکیبات فلوئوردار استفاده شده که خواص آب گریزی بالایی دارند و در مقایسه با ساختارهای هیدروکربن مشابه حتی وقتی ذاتاً روغن دوست هستند، خواص روغن گریزی بالایی نشان می دهند. با این حال طبیعت نمی تواند ساختارهای فلوئوردار در سطح را ایجاد کند. در مورد کنه ها ساختارهای سطحی شامل طرح های منظم با ناهمواری های تورفته است. ترکیب شیمیایی کیوتیکل شامل سه لایه مختلف است: یک لایه کیوتیکل داخلی که از اسکلت کیتین لایه-لایه که از حفره‌های متعدد کانال مانند ساخته شده و یک ساختار اپیکیوتیکلار که از پروتئین های ساختاری مانند گلیسین (بیش از 50 درصد)، تیروزین و سرین در بالاترین لایه شامل روغن هایی مانند اسیدها و استرهای هیدروکربن، αاستروئیدها و ترپن ها تشکیل شده است. این کشف به جامعه علمی کمک خواهد کرد تا مواد ابرآب گریز را بدون استفاده از ترکیبات فلوئور دار ایجاد کند.

 

1-   مقدمه

زاویه تماس ظاهری آب نسبت به سطوح صاف ، که با رابطه یانگ[4] شرح داده شده است، به «کشش سطحی» جامد-بخار، جامد-مایع و مایع –گاز ارتباط دارد. شیمی سطح هر چیزی که باشد، این زاویه برای سطوح صاف، از محدوده 125 تا 130 درجه فراتر نخواهد رفت. با این حال بسیاری از سطوح در طبیعت خواص ابرآب­گریزی دارند. چنین خواصی با زاویه ظاهری تماس آب  و چسبندگی­های متنوع آب به سطوح معین که با تست­های زاویه تماس دینامیک (هیسترزیس H و زاویه سر خوردن α) تعیین می­شود، شناسایی شده است. تحلیل­های سطحی دقیق در مقیاس میکرو و نانو داشتن ساختارهای سطحی را نشان داده است. خواص آب­گریزی به شدت وابسته به مورفولوژی(ریخت) و توپوگرافی سطوح هستند؛ این امر را رابطه­های ونزل[5] و کاسی-باکستر[6] شرح داده­اند. در واقع در حالت ونزل (cosθ = r cos )، قطره آب در تماس کامل با سطح است و  با مولفه ناهمواری(r) تشدید می­شود. (شکل 1-الف). خواص ابرآب­گریزی تنها وقتی حاصل می­شود که >  (مواد ذاتاً آب­گریز)، اما فقط زمانی که به واسطه افزایش سطوح جامد-مایع H و α بالا باشند.

رابطه کاسی- باکستر(  -1(cosθ =  با  و (1- ) که به ترتیب نسبت جامد و نسبت هوا هستند) نیز قابل استفاده است (شکل 1-ب). در این مورد آخر قطره آب روی یک حد واسط ترکیبی متشکل از جامد و هوا بین قطره و سطح معلق شده است. رابطه کاسی-باکستر می­تواند خواص ابرآب­گریزی را پیش بینی کند، اما با توجه به افزایش حد واسط جامد- بخار تنها وقتی که H و α کم هستند. این رابطه همچنین می­تواند احتمال رسیدن به خواص ابرآب­گریزی از مواد ذاتاً آبدوست (   ) و ابرروغن­گریزی از مواد ذاتاً روغن دوست را پیش بینی نماید(    ).

 

موادی با خواص ابرآب­گریز یا ابرروغن­گریز درکاربردهای مختلفی همچون پوشش­های ضدخوردگی، پوشش­های ضد یخ زدگی، منسوجات دافع مایعات، جداسازی روغن از آب، چینش نانوذرات، ابزارهای میکروسیالی، تکنیک­های چاپ، ابزارهای نوری، سنسورهای حساسیت بالا یا باتری­ها به شدت مورد نیاز هستند.

در بسیاری از این کاربردها حضور لایه هوای حبس شده بین ناصافی­های سطح می­تواند نفوذ مایع (جداسازی آب و روغن، ضدمه)، نفوذ یونی(ضد خوردگی، شیرین­سازی آب، باتری­ها)، و انتقال حرارت(ضدیخ) را تقلیل دهد و در عین حال این ناصافی سطح می­تواند خواص ذاتی مواد (مانند خواص نوری، الکتریکی و کاتالیستی) را بهبود دهد. این نکته بسیار مهم است که پوشش ابرآب­گریز از پایداری بالایی برخوردار است، به این معنا که مواد می­توانند حتی بعد از فشارهای بالا خواص خود را حفظ کنند.

یک راه آسان­تر برای ایجاد چنین خواصی تقلید از طبیعت است. از این رو اینجا  مروری اجمالی داریم بر سطوح ابرآب­گریز و ابرروغن­گریزی که در طبیعت یافت شده­اند.

 

2-   خواص ابرآب­گریزی در گیاهان

معروف­ترین مثال از سطوح ابرآب­گریز برگ­های نیلوفر آبی[7] (Nelumbo nucifera) هستند که با ، چسبندگی فوق العاده کم آب(H و α فوق العاده کم) و خواص خودتمیزشوندگی شناخته شده­اند (شکل2-الف). خواص خودتمیزشوندگی (خواصی برای برداشتن غبار و ذرات با حرکت قطره­های آب) از حالت کاسی- باکستر (شکل 2- ب و ج) استخراج شده است. این خصوصیت نتیجه ساختار سطحی دوگانه (نانو و میکرو) است (شکل2- د). این دوگانگی در تثبیت حالت کاسی-باکستر حتی بعد از فشارهای مربوط به ضربات بارش باران خیلی مهم است. در مقیاس میکرو (شکل 2-ه) برگ زائده­های سلولی برجسته­ای دارد، اما در مقیاس نانو (شکل 2-و) کریستال­های واکس اپیکوتیکولار (چربی) مشاهده شده است. از زمان این کشف به بعد بسیاری از گیاهان ابرآب­گریز مورد بررسی قرار گرفتند. بارثلات و همکارانش ساختارهای سطحی دو دسته از گیاهان درون آب و گیاهان شناور روی آب را مطالعه کردند. آن­ها دریافتند که گیاهانی با برگ­های درون آب با سلول­های سطحی نسبتاً صاف و بدون کریستال­های مومسان به کلی تر می­شوند. از سوی دیگر برخی گیاهان با برگ­های شناور روی آب ساختارریزی بسیار کاملی دارند. این حالت در گیاهانی دیده می­شود که از طبقه سالوینیا و به طور خاص سالوینیا مولستا[8] هستند. این گیاهان در سطح خود تارچه­های متعددی دارند که شبیه به پره مخلوط کن تخم مرغ در ابعاد میکرومتری است و انتهای آبدوست دارد(شکل3-الف و ب). آبدوستی این پره­ها سطح میانی پین مانندی از هوا و آب را ایجاد می­کند (شکل3-ج)  که ثبات سطح را بالا می­برد. در نتیجه این ساختارها می­توانند حضور هوا را زیر آب تثبیت کنند و برای چندین هفته زیر آب بمانند. پدرسون و همکارانش هم گزارش کرده­اند که ملیلوتوس سیکولوس[9]، یک سبزی سالیانه با برگ­های ابرآب­گریز می­تواند گاز را زیر آب نگهدارد و فوتوسنتز را بعد از سه روز فرورفتن در آب انجام دهد. از این گذشته این گیاه می­تواند به خاطر لایه گازی که به شکل فیزیکی آب دریا را از برگ جدا می­کند در آب­های شور زنده بماند. این خصوصیت برای کاربرد در روشهای غشایی برای شیرین کردن آب بسیار جذاب است. در گیاهان نوخاسته­ای مانند برگ­های نیلوفر آبی، بیشتر گیاهان به خاطر کریستال­های سه بعدی واکس، آب­گریز هستند. اندازه کریستال­ها از 5/0 تا 20 میکرومتر متغیر است و ترکیب­ها متنوع و دارای هیدروکربن­های زنجیره بلند هستند و  طول زنجیره­های کربنی بین 20 تا 60 اتم است.

با این حال چنگ و همکارانش گزارش کرده­اند که واکس برگ­های نیلوفر آبی آبدوست است( ،).

 

بریکو و چن هم تأیید کرده­اند که آبدوستی برگ­های نیلوفر آبی با آزمایش­های فشرده سازی نشان می­دهد که حالت ونزل از لحاظ ترمودینامیکی روی برگ­ها حالتی پایدار و حالت کاسی-باکستر حالتی شبه پایدار است. بنابر این می­توان از یک ماده ذاتاً آبدوست یک ماده ابرآبگریز ساخت و از یک ماده ذاتاً روغن دوست یک ماده ابرروغن­گریز ایجاد کرد. نیاز اصلی حضور ساختارهای پس زننده با توپوگرافی­های ناصاف چند وجهی شناخته شد که محکم سطح میانی مایع-بخار را حفظ می­کنند. هوای محبوس شده زیر ساختارهای پس زننده یک تفاوت فشار لاپلاس منفی ایجاد می­کند که سطح میانی مایع –بخار را از یک وضع محدب به وضع تو رفته تغییر می­دهد و از نفوذ مایع جلوگیری می­کند.

گیاهان خاکی هم ساختارهای سطحی و ترشوندگی­های متنوعی نشان می­دهند. برای مثال گلبرگ رزا مانتانا[10] شامل سلول­های قیفی­شکل برآمده­ای است که نانولایه­های گردی دارند. همچنین گزارش شده است که گلبرگ­های رز سرخ هم خواص ابرآب­گریز با چسبندگی بالا دارند(شکل 4). سلول­های قیفی 16 میکرومتر قطر و 7 میکرومتر ارتفاع دارند. جالب توجه است که اندازه میکروساختارها و نانوساختارهای گلبرگ رز از معادل آن­ها در برگ نیلوفر آبی (μm 11 ≈ ϕ) بزرگتر است. نویسنده بیان کرده است که اگر یک قطره آب روی این سطوح بیافتد، در حالت آغشتگی کاسی-باکستر (حد وسط بین حالت ونزل و کاسی-باکستر) قرار می­گیرد. افزون بر این، با آنکه آب وارد فضاهای بزرگ بین حفره­های مویینه شده، وارد لایه­های نانومتری نمی­شود. خواص مشابهی برای برگ­های بادام زمینی گزارش شده است، اما بنفشه سه رنگ وحشی[11](ویولا تریکالر) که ساختارهای سطحی خیلی فشرده­تر از گلبرگ­های رز دارد، خواص خودتمیزشوندگی نشان می­دهد. این احتمالاً به تفاوت ابعاد ساختارها (μm 12.5 ≈ ϕ و μm 40 h= ) ارتباط دارد.

برگ­های ابرآب­گریز تارهایی دارند که در مقالات از آن­ها یاد شده است. در حالی که لیدی مانتل[12] با تارهای سطحی عمودی شناخته شده است، تارهای افقی در راگورت[13] و برگ­های قطبی مشاهده شده است. در این دو مورد سفیدی رنگ گیاه به خواص انعکاس بالا منجر می­شود.

 

برای تمام کردن بخش گیاهان ابرآب­گریز لازم است که نمونه­هایی از برگ­های استریلیزا رگینا[14] و اریزا ساتیوا[15] (برنج) را ذکر کنیم. در این برگ­ها خواص ابرآب­گریزی مشاهده شده غیرهمسان است. محققان میکروشیارهایی را در سطح این برگ­ها مشاهده کرده­اند. قطره آبی که روی برگ است در وضعیت کج شدن برگ در جهت عمود بر میکروشیارها به برگ می­چسبد، اما زمانی که کج شدگی برگ موازی میکروشیارها است کاملاً پخش می­شود.

اگر حضور میکروشیارها در جهت جریان آب باشد، می­تواند نیروی کشش جریان آب را کم کند؛ این موضوع در کانال­های میکروسیالی ابرآبگریز مشاهده شده است.

 

3-   خواص ابرآبگریز در حیوانات

خواص ابرآب­گریزی بال حشرات مزیتی برای کاهش تجمع غبار و ذرات و افزایش قابلیت­های پروازی آن­هاست. گروه بارثلات ساختارهای سطحی و ترشوندگی بال 97 حشره را بررسی کرده است. آن­ها خانواده­های متعددی را یافته­اند که بال­های بسیار آب­گریز دارند. حشرات یک روزه، سنجاقک­ها، پشه­های استونفلای[16]، بال توری­ها، عقرب زنبورها[17]، الدرفلای[18]، کدیسفلای[19]، پروانه­ها، شب­پره­ها و مگس­ها در این دسته­اند. واتسون هم برای بال­های بیدها آب­گریزی را گزارش کرده است. مورفولوژی­های مختلفی مثل میکروساختارهای پارچه­ای شکل، تار یا فلس گزارش شده است. آن­ها دریافته­اند که بال­های شفاف زنجره به خاطر سطوح ساده­ای از ناصافی که شامل طرح منظمی از نانوستون­هاست، این خاصیت را دارد. گزارش یوشیدا روی شفاف بودن بال­های بازشب­پره[20] هم این موضوع را تأیید کرده است. از این رو می­توان با بازی کردن با اندازه نانوساختارها هر دو خاصیت ابرآب­گریزی و شفافیت را داشت؛ زیرا کاهش شفافیت به خاطر پراکنش نور درون ناهمواری­های سطحی است. سان هم بال­های 15 نوع زنجره را بررسی کرده است (شکل5). آن­ها تفاوت­هایی را در همگن بودن نانوگنبدی­ها و قطر(ϕ)، ارتفاع(h)، و فاصله(s) زنجره­ها مشاهده کرده­اند. بالاترین خواص دفع آب در ترپنوزیا جینپینژنسیس[21] مشاهده شده که مشخصات گنبدهای نانوساختار آن ϕ=141 nm، h=391 nm، و s=46 nm است. قطره آبی که روی این سطوح می­افتد روی آن کامل می­ایستد که گویای چسبندگی بالا (حالت آغشتگی کاسی-باکستر) است. بر عکس، واتسون گزارش کرده که بال­های گونه­های دیگر زنجره (سالتودا کلاریپنیس[22]) با h≈200 nm، و s≈200 nm ابرآب­گریزی و چسبندگی فوق العاده کمی به ذرات دارند. بسط طبیعی بررسی­های چسبندگی ذرات معلق در هوا به بال حشرات که در مطالعات واتسون ارائه شده است شامل ارزیابی تماس­های جامد کیوتیکل حشره تحت شرایط آبی است. این مطالعات تحقیقات ایوانوف را هم دربرمی­گیرد که نشان می­دهد بال­های زنجره قابلیت کشتن گزینشی باکتری­های گرم منفی را دارند و در عین حال باکتری­های گرم مثبت را نمی­کشند. از این رو سطوح نانوساختار راهبردهای تازه­ای برای توسعه سطوح باکتری­کش بدون سم­ها بازکرده­اند.

شیمی بال­های ابرآب­گریز حشرات توسط گروه­های متعددی مورد بررسی قرار گرفته است. برای مثال ایوانوف و دیگران نشان داده­اند که بال­های سنجاقک شبیه به چیزی که در برگ­های ابرآب­گریز مشاهده می­شود، با واکس پوشیده شده است.

چنانچه در با­ل­های زنجره مشاهده شده است، حضور نانوساختارهای بسیار منظم در برخی موارد خاص، بدون آنکه از رنگدانه بهره ببرند، بال را رنگی می­کند. این به شرطی است که نانوساختار بتواند نور را متفرق کرده و اثرهای تداخلی را تقویت کند. رنگ مواد مستقیماً به اندازه ساختارها ارتباط دارد. گروه گودوین ساختارهای بال پروانه­های مختلف را که اثر آب­گریزی یا ابرآب­گریزی و رنگ­های مختلف دارند، بررسی کرده است. در حالی که فلس بال­های شفاف پروانه­های ژنوس پاماسیوس گلاسیالیس (پاپیلیونیدای)[23] طرح و اثری ندارد (شکل 6- الف تا ج)، نواحی سفید روشن پارانتیکا سیتا (نیمفالیدای)[24] (شکل6 د تا و) بسیار منظم و روی خطوط موازی هستند و میکروساختارهای متخلخل متناوب و موازی تشکیل می­دهند. پروم هم بیان کرده است که رنگ دوازده نوع پروانه (گونه­های لپیدپتران[25]) به خاطر نانوساختارهای منظم در فلس­های آن­هاست که رنگ­های مرئی مثل آبی، سبز یا بنفش را ایجاد می­کنند(شکل 7). از این گذشته در مقیاس میکرو، فلس­های پروانه­هایی چون مورفوآئگا[26] تنها در یک جهت هم پوشانی دارد. در نتیجه بال­های این گونه­ها ابرآب­گریز هستند، اما چسبندگی آن­ها به جهت بستگی دارد و ناهمسان است. وقتی یک قطره آب روی بال قرار می­گیرد، تنها وقتی می­تواند روی بال بغلتد که بال کج شود.

از این گذشته، می­توان خواص دیگر مانند خواص ضدانعکاس و ضد مه را هم تلفیق کرد. در طبیعت ساختارهای بسیار منظم در ابعاد میکرو و نانو با هر دو خاصیت ضدانعکاس و ضد مه گزارش شده است. خواص ضدانعکاس در مگس و چشم شب پره­هایی از گونه کمراریا اهریدلا مشاهده شده است (شکل 8 الف تا د). این چشم­ها از وجوه شش ضلعی متعددی به نام اماتیدیا تشکیل شده­اند. در ابعاد نانو، این وجوه آرایه­های متناوبی از برآمدگی‌ها، به قطر 200  نانومتر و ارتفاع 70 تا 80  نانومتر دارند. چنین خواصی برای کاربرد در سلول­های خورشیدی بسیار مهم هستند.

نانوساختارهای نسبتاً نزدیک نقش مهمی در خواص ضد مه در چشم­های پشه و مگس دارند ( شکل 8 ه تا ط). در واقع تشکیل مه با سرد شدن بخار (هسته­های بزرگتر از 190 نانومتر) به قطرات آب ارتباط دارد که می­تواند قابلیت دید را کاهش دهد. از این رو برای تقویت دافعه هسته میعان کننده، داشتن ساختارهای سطحی کم اندازه­تر (زیر 190 نانومتر) که در چشم بیشتر مگس­ها و پشه­ها مشاهده شده حائز اهمیت است.

پاهای خیلی از حشرات هم ابرآب­گریز است. گکوها می­توانند از دیوارها بالا بروند چون پاهای آن­ها چسبندگی جامد به جامد بالایی دارند.  این رفتار با حضور تارچه­های میکروسکوپی بسیار منظم که «ستای» نامیده می­شود روی پاهای آن­ها توجیه می­شود(شکل 9). طول آن­ها 20 تا 70 میکرومتر و قطرشان 3 تا 7 میکرومتر است. از همه گذشته هر ستای خود به صدها اسپاتولای نانومتری تفکیک می­شود (100 تا 200 نانومتر قطر). این ستای از کراتین­های آلفا و بتا تشکیل شده است که می­توانند در چسبندگی تأثیر بگذارند. از این رو چسبندگی بالا به خاطر تعامل­های واندروالسی و نیروهای مویینگی است که با مساحت سطح بالای پاهای نامسطح تشدید می­شود. در بررسی­ها وقتی یک قطره روی پای گکو قرار داده شد، پاها خواص ابرآب­گریزی با زاویه  نشان دادند. با این حال قطره آب روی سطح چسبیده و حتی وقتی پاها رو به پایین قرار می­گیرند در همین وضعیت می­مانند. در نتیجه پاهای گکو ابرآب­گریز است، اما این ابرآبگریزی با چسبندگی بسیار بالا (رفتار چسبان) همراه است. گروه جیانگ دریافته است که نیروهای چسبندگی پاهای گکو در محدوده 10 تا 60 میکرونیوتن است.

 

بسیاری از حشرات مانند آبدزدک­ها [27](پشه­های آبی) می­توانند روی سطح آب سر بخورند(شکل 10). در واقع هر چند جهان بشر مغلوب گرانش است، این موجودات راه رونده روی آب مغلوب کشش سطحی هستند. کشش سطحی آب (mN/m72) عامل شناور ماندن حشره است که می­تواند تابعی از وزن و حضور هوای محبوس در ناصافی­های سطحی پاها باشد. در واقع این حشرات اگر روی سطح مایعاتی با کشش سطحی کم مانند روغن و محلول سورفکتانت- عامل فعال سطحی -گذاشته شوند فرو می­روند.

خصوصیت راه رفتن روی آب به خاطر حضور موهایی 30 میکرومتری با قطر حدود 1 میکرومتر در پاهای آبدزدک­هاست(شکل10 ز تا ط). موها از مومی با >  تشکیل شده است. این شرایط برای حفظ خواص ابرآب­گریزی با چسبندگی پایین (حالت کاسی-باکستر) و برای محبوس کردن حجم بالایی از هوا بین موها و مقاومت در برابر ضربات قطرات باران اهمیت دارند. موهای آن­ها متناسب با سطح بدن زاویه می­گیرد که مقاومت در برابر آغشته سازی سیال را بالا برده و پیشرانش جلوبرنده را به حداکثر می­رساند.

علاوه بر این بخش سینه حشره یک لایه مویین نسبتاً ظریفتری (میکروتریچیا) دارد که اجازه تشکیل یک پلاسترون (هوای محبوس شده توسط موهای میکرومتری) در مقابل فشارهای هیدرواستاتیک را می­دهد. این خاصیت به این حشرات اجازه می­دهد در آب فرو نروند و زیر آب نفس بکشند. معمولاً جمع شدن پلاسترون در فشار بین 1 تا 5 اتمسفر رخ می­دهد که با عمق 10 تا 50 متری برابری می­کند.

 

4-   خواص ابرآب­گریزی با ترشوندگی متغیر در طبیعت

در طبیعت نگه داشتن آب به ویژه در شرایط گرم برای بقا ضروری است. در طبیعت شگردهای زیادی برای ذخیره آب یافت شده است. برای مثال استفاده همزمان از بخش­های ابرآب­گریز و ابرآبدوست برای جمع آوری و هدایت آب یکی از این شگردها است. گیاهانی مانند آلکمیلا مولیس[28]، اچِوریا[29]، لوپین رگالیس[30] و یوفوربیا[31] برگ­های ابرآبگریز دارند و همزمان بخش­های مرکزی ابرآبدوست نیز دارتد. این به سبب ساختارها و شیمی متفاوت این سطوح است.

احتمال جمع کردن آب به خاطر حضور نواحی ابرآب­گریز با حالت چسبنده بالا است؛ نمونه این حالت روی سطح رز سرخ مشاهده شده است. وقتی اندازه قطره به یک حد مشخص می­رسد، برگ های این گیاه می­پیچد و قطره­های آب به سمت ساقه آن هدایت می­شود. سازوکاری مشابه در سوسک­های صحرای نامیب نیز مشاهده شده است. این حشره با این فرایند می­تواند مه صبحگاهی را جذب کند و در محیط های خیلی گرم به حیات خود ادامه دهد. پژوهشگران نشان داده­اند که این توانایی به دلیل وجود لایه واکسی ابرآبگریز است که با نواحی برآمده آبدوست پوشانده شده. وقتی قطره آب به اندازه کافی بزرگ می­شود، این نواحی قطرات را به سمت دهان سوسک هدایت می­کنند. 

گروه جیانگ هم گزارش کرده که کاکتوس اپونتیا میکروداسیس[32] که محل رویش آن بیابان چی­هُواهُوا است هم آب را به کمک تیغ­هایش از مه جمع­آوری می­کند (شکل11). نویسندگان نشان داده­اند که این تیغه­ها میکروشیارهایی در نوک با ناصافی بالاتر نسبت به نواحی انتهایی دارند که به ترشوندگی گرادیانی (متغیر) منجر می­شود. مشاهدات مشابه برای علف بومی صحرای نامیب به نام استیپاگروستیس سبولیکولا[33] گزارش شده که دارای ساقه­های سخت با ارتفاع تا 2 متر است. این گیاه می­تواند به لطف شیارهای موازی محور گیاه آب را هدایت کند. کاتولا فالاکس[34] هم می­تواند آب مه را به واسطه استقرار سه بعدی برگ­ها و موهای ظریفی که آن را پوشانده جمع کند. می­توان قابلیت جمع آوری آب عنکبوت سریبلات با نام علمی الوبروس والکناریوس[35] را هم بیان کرد که با ابریشم متشکل از گره­های دورپیچ شده از نانوفیبریل­ها این کار را انجام می­دهد.

 

5-   خواص ابرروغن­گریزی زیر آب در طبیعت

گروه جیانگ مشاهده کرده که ساختار آن دسته از برگ­های نیلوفر آبی که در آب قرار دارند متفاوت با برگ­هایی است که در تماس با هوا هستند. او نشان داده است که سطح در تماس با آب در برگ­هایی که درون آب قرار دارند شبیه به ساختارهایی است که روی سطح رز سرخ مشاهده شده. این سطوح از برجستگی­های میکرومتری بزرگ تشکیل شده که با نانوشیار پوشیده شده­اند. از آن گذشته این سطوح در تماس با آب زیر آب ابرروغن­گریز هستند. در حقیقت ماهی­ها و کوسه­ها که از آلوده شدن در لکه­های نفتی محفوظ مانده­اند حتی وقتی در آب هستند این ویژگی را دارند؛ این خصلت ابرروغن گریزی زیر آب نامیده می­شود و مطابق با یک حد واسط جامد-مایع (آب)-مایع (روغن) می­باشد. برای مثال گروه جیانگ رفتار منحصر به فرد پوست فایل ماهی ناوودون سپتنتریونالیس که روغن­گریزی ناهمسان زیر آب دارد را گزارش کرده است (شکل12 الف تا ج). یک قطره روغن زیر آب روی سطح پوست می­تواند در جهت سر به دم بغلتد اما در جهت مخالف سرجای خود بماند. این رفتار به خاطر تیغ­های حلقه­ای شکل پوست است که در یک جهت منظم شده است. روغن گریزی زیر آب یک مزیت برای بقا در آب­های آلوده نفتی است که از جمع شدن نفت در سر جلوگیری می‌کند.

بوشان هم رفتار منحصر به فرد پوست کوسه را گزارش کرده است. پوست کوسه با فلس­های غیر متراکم دندانی شکل که داندنه­های پوستی هم نامیده می­شوند پوشش داده شده است (شکل12 د تا ه). ویژگی خاص این فلس­ها این است که با شیارهایی طولی تنظیم شده­اند. چون شیارها، موازی با جریان آب منظم شده­اند، سرعت کوسه با کاهش جریان گردابی بالا می­رود و از این رو به کاهش نیروی کشش در زمان حرکت کوسه منجر می­شود.  با این همه سطوحی که در آب ابرروغن­گریز هستند، در هوا روغن­دوست می­شوند.

 

 

6-   خواص ابرروغن­گریز در طبیعت

با دنبال کردن رابطه یانگ و در نتیجه روابط ونزل و کاسی-باکستر، بازداشتن مایعاتی با کشش سطحی کم مانند روغن نسبت به آب بسیار دشوارتر می­شود. مطالعات پیشین نشان داده است که می­توان با تلفیق ساختارهای سطحی با انحناهای برگرداننده که توپوگرافی­های ناصافی متغیر هم نامیده می­شوند مانند تورفتگی؛ ساختارهای تی شکل یا قارچ شکل، از مواد آب دوست سطوح ابرآب­گریز ساخت و از مواد روغن دوست سطوح روغن­گریز ایجاد کرد. این قابلیت­ها را می­توان با رابطه کاسی-باکستر پیش بینی کرد که مارمور این کار را انجام داده است.

که در آن  نسبت ناصافی سطح تر، f نسبت جامد و (1-f) نسبت هوا است. بر اساس گزارش لاو و همکارانش با ساختارهای دفع کننده، مایع بالای ساختار را تر می­کند، اما به شدت از زیر ساختار برگرداننده جدا جدا است. هوا زیر ساختار برگرداننده به دام افتاده و می­تواند یک تفاوت فشار لاپلاس منفی ایحاد کند که موجب می شود حد میانی مایع– بخار از کاو به کوژ تغییر یابد؛ این پارامتری کلیدی برای جلوگیری از نفوذ مایع است. بسته به هندسه ساختار می­توان نفوذ مایعات و در نتیجه نیروهای چسبندگی آن­ها را کنترل کرد.

در مقالات همیشه ترکیبات پرفلوئوره برای ایجاد مواد ابرروغن­گریز استفاده شده است، زیرا آن­ها خواص آب­گریزی بالایی دارند. در حالی که خواص روغن­گریز به نسبت در مقایسه با هیدروکربن­های مشابه حتی اگر ذاتاً روغن دوست باشند ( ) بالاست. با این همه طبیعت نمی­تواند موادپرفلوئوره را خلق کند و از این رو کشف خواص ابرروغن­گریزی در طبیعت جذابیت بالایی دارد تا جایگزین دیگری را جای ترکیبات پرفلوئوره برای ایجاد خواص ابرروغن­گریز معرفی کند.

گورب و راکیتوف خواص ابرروغن­گریز زنجره­ها (حشرات، نیم بالان و زنجره) را گزارش کرده­اند. این حشرات ذرات بسیار ساختارمندی به نام برانکوزوم[36] تولید می­کنند تا به شکلی یکنواخت و متراکم پوست خود را پوشش دهند (شکل 13). این ساختارها آن­ها را از آلودگی و گیر افتادن در مایعات ترشح شده برای تغذیه از صمغ گیاهان باز می­دارد. این ذرات اتصال ضعیفی به ساختارشان دارند و می­تواند جدا شوند؛ این خطر افتادن به دام دشمن با صمغ­های چسبنده را کاهش می­دهد.

این ذرات کروی توخالی هستند ( با قطر 200 تا 700  نانومتر)  و یک شکل کندویی(پنج ضلعی یا شش ضلعی) دارند. این ساختارها انحناهای دفع کننده­ای دارند که در ایجاد خواص ابرروغن­گریزی گزارش شده نقش دارد. بسیار جالب است که توجه کنید این ساختارها پروتئینی هستند. از این رو بسیار جالب است که ساختارهای پروتئینی پیدا می­شود که مولکول­های قطبی کاملی هستند و می­توانند برای رسیدن به چنین خواص ابرروغن­گریزی استفاده شوند. از این رو برانکوزوم­ها می­توانند آب را با زاویه =164.9-172.3θ درجه، اتیلن گلیکول را با زاویه θ=152.7-164.1، دی ایدومتان را با زاویه θ=148.2-156.0 درجه دفع کنند اما نمی­توانند اتانول را دفع کنند.

یکی از مهمترین مثال­های گونه­های طبیعی با خواص ابرروغن­گریز توسط گروه وارنر گزارش شده است. آن­ها ساختارهای میکرو و نانوی کیوتیکل 40 گونه کنه(کولمبولا) یا دم فنری (شکل 14) را بررسی کرده­اند. این حشرات تنفس پوستی دارند و زیستگاهشان درون خاک است. نویسنده گزارش کرده که این حشره برای زنده ماندن در زیستگاهش خواص ابرروغن­گریزی پایداری را روی پوست ایجاد کرده که به صورت ساختارهای فوق العاده منظم هستند. این ساختارها طرح­های شانه­ای شکل شش ضلعی یا پنج ضلعی ایجاد کرده ­اند.

خواص ابرروغن­گریزی به خاطر چاله­های منفی در مرز­ها و دانه­بندی­هاست که یک حالت تماسی به شدت تیغ تیغ را که در خط تماس سه فازی مایع قرار گرفته روی سطح (حتی مایعاتی با کشش سطحی کم) تشدید کرده است. در نتیجه یک حائل پرقدرت (وابسته به کشش سطحی مایع) تشکیل می­شود تا حالت کاسی-باکستر را تثبیت کند. این انرژی به شکل انحناها ارتباط دارد. اینجا سطح می­تواند از ترشدن مایعات قطبی و غیرقطبی مانند آب، متانول، اتانول، هگزادکان و تریدکان جلوگیری کند، اما نمی­تواند دودکان یا هگزان را دفع کند. آن­ها می­توانند با ایجاد یک لایه هوای بسیار پایدار به نام پلاسترون از خیس شدن در مایعات قطبی و غیرقطبی حتی در فشار بالا (بالاتر از 3.5 اتمسفر) جلوگیری کنند و به باکتری­ها هم نچسبند. اخیراً بررسی ترکیب شیمیایی پوسته کیوتیکل کنه تترودونتوفورا بیلانسیس نشان داده است که کیوتیکل از سه لایه مختلف تشکیل شده است. لایه کیوتیکل داخلی از اسکلت کیتینی، لایه­ای با کانال­های خالی متعدد، ساخته شده است. ساختارهای اپیکیوتیکولار کیوتیکل از پروتئین­های ساختاری مانند گلیسین (بیش از 50 درصد)، تیروزین و سرین تشکیل شده است. لایه روکش فوقانی هم از چربی­هایی مانند اسیدهای هیدروکربن و استرها ،استروئیدها و ترپن­ها  تشکیل شده است.

این یافته­ ها راهکارهای جدیدی را برای توسعه سطوح ابرروغن­گریز بدون مواد فلوئوردار پیشنهاد می­دهد.

 

7-   جمع بندی

در این مقاله خصوصیات ابرآب­گریزی و ابرروغن­گریزی کشف شده در طبیعت بررسی شد. این خواص به دلیل کاربردهای بالقوه­ای که دارند بسیار مورد توجه هستند. ساده­ترین راه برای ساخت چنین موادی تقلید از طبیعت است. در واقع طبیعت گیاهان، حشرات، و حیوانات زیادی دارد که می­توانند آب و مایعاتی با کشش سطحی کم مانند روغن را دفع کنند. گونه­های مختلفی را معرفی کردیم که آب را دفع می­کنند. دافعه روغن اخیراً در دم فنری­ها گزارش شده است. برای مثال مقالات زیادی ساخت سطوحی ابرآب­گریز را گزارش کرده که از ساختارهای دفع کننده استفاده کرده­اند؛ در همه این مقالات ترکیبات فلوئوردار استفاده شده چون دارای خواص برجسته آب­گریزی هستند. این ساختارها در مقایسه با هیدروکربن­های مشابه حتی آن­هایی که ذات روغن دوست دارند( ) ، روغن­گریزی بالایی دارند. با این حال طبیعت قادر به تولید زنجیره­های فلوئوردار مصنوعی نیست و بسیار جذاب است که حشراتی با این خصوصیت وجود دارند. در مورد کنه­ها ساختارهای سطحی از طرح­های منظمی با تورفتگی­های منفی تشکیل شده­اند. نویسندگان ترکیب شیمیایی کیوتیکل را از سه لایه مختلف معرفی کرده­اند. لایه کیوتیکل داخلی با یک اسکلت کیتینی لایه­ای با کانال­های سوراخ متعدد، ساختارهای اپیکیوتیکولار از پروتئین­های سطحی مانند گلیسین (بیش از 50 درصد)، تیروزین و سرین، و یک لایه خارجی از چربی­هایی مانند اسیدها و استر، استروئیدها و ترپن­های هیدروکربن. از این رو تعیین شیمی سطحی آن­ها راهبردهای جدیدی را برای توسعه مواد ابرروغن­گریز بدون استفاده از ترکیبات فلوئور دار ارائه می­کند.

 

منبع

T. Darmanin, F. Guittard, “Superhydrophobic and superoleophobic properties in nature”, Materials Today, 18(5), (2015), 273-285.