در سال ۱۹۵۹، پدر نانوتکنولوژی مدرن، ریچارد فاینمن، مفهوم کنترل ماده در سطح اتمی را در جریان سخنرانی مشهور خود به نام “فضای کافی در پایین وجود دارد” در دانشگاه تکنولوژی کالیفرنیا معرفی کرد.
در سال ۱۹۷۴، نوریو تانیگوچی نانوتکنولوژی را فرآیندپذیری، جداسازی، تجمیع و تغییر شکل مواد توسط یک اتم یا یک مولکول تعریف کرد. در دهه ۱۹۸۰، اریک درکسلر از دانشگاه فناوری ماساچوست به ایده‌های فاینمن و تانیگوچی پیوست و مفهوم نانوتکنولوژی مولکولی را با استفاده از ایده مواد ریزساختار نانویی مطرح کرد، که به قابلیت هدایت واکنش‌های شیمیایی از طریق جایگذاری مولکول‌های واکنش‌پذیر در مقیاس اتمی اطلاق می‌شد.
این مفهوم جایگذاری، منجر به کشف و توسعه ساختار اتمی و ویژگی‌های پیچیده‌ای از نانولوله‌های کربنی چندجداره و تک‌جداره توسط سومیو ایجیما در سال ۱۹۹۱ شد.
به سرعت به قرن ۲۱ که می‌رسیم، نانوتکنولوژی با رشد فزاینده‌ای به مرحله‌ای پرهیجان و رو به رشد وارد می‌شود. نانوتکنولوژی نگاه صنعتی به حوزه‌های اتلاف انرژی، علوم کامپیوتر، بایوپزشکی، الکترونیک، شناساگرهای بایویی، سامانه‌‌های رهایش دارو، پردازش‌کننده‌های تصویری و رنگ‌ها/پوشش‌ها/چسب‌ها را تغییر داده است.
در حوزه‌ی پوشش‌ها، نانوذرات با ابعادی بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر می‌توانند ویژگی‌های فیزیکی پوشش‌های رایج را دچار تحول کنند، تا این پوشش‌ها بتوانند به محرک‌های محیطی به صورت “هوشمند” پاسخ دهند، یا به پوششی با ویژگی‌های منحصر به فرد تبدیل شوند که در پوشش‌های سدگر با پیچیدگی‌های کمتر موجود نیست.
نانومواد، از قبیل نانوذرات، نانولوله‌ها، باکیبال‌ها، فولرن‌ها و نانومیله‌ها دارای قطری کمتر از ۱۰۰ نانومتر هستند. در این مقیاس، مواد به طریق متفاوتی نسبت به رفتار در مقیاس ماکرو عمل می‌کنند. نانوتکنولوژی از ساختار برای کنترل شکل و اندازه در مقیاس نانومتری استفاده می‌کند و سپس از این اشکال کوچک برای بهره‌برداری از ویژگی‌هایی که به دلیل این اندازه به دست می‌آید، استفاده می‌کند.
نانومواد و ساختارهای نانویی می‌توانند به دلیل مساحت سطح نسبتاً بزرگی که منجر به تامین نسبت سطح به وزن بسیار بالای آن‌ها می‌شود، ویژگی‌های منحصر به فردی را در مقایسه با افزودنی‌های سنتی به نمایش بگذراند.
نقاط کربنی (کربن-دات‌ها) که به صورت تصادفی کشف شده‌اند و قطر آن‌ها کمتر از ۱۰ نانومتر است، روز به روز برای استفاده در دستگاه‌های فوتو-ولتائیک، شناساگرهای زیستی (و حتی پوشش‌های هوشمند) و تحویل دارو، ارزان‌تر و جذاب‌تر می‌شوند. گرافن (که در سال ۲۰۰۴ کشف شد) امروزه به عنوان ماده‌ای برپایه کربن برای تقریباً هر نیاز مهندسی که با مواد سروکار دارند مورد توجه قرار دارد. شیمی جدید از طریق محاصره اتم‌های فلزی منجر به تولید ترکیبات آلی جدید می‌شود.
اگرچه برجسته‌ترین و پیچیده‌ترین پیشرفت‌های نانوتکنولوژی در حوزه پزشکی ایجاد شده است. با این حال، نوآوری‌های جذابی نیز در زمینه‌ی پوشش‌ها، پوشرنگ‌ها و چسب‌ها به وجود آمده است. افزودن نانوذرات بسیار کوچک می‌تواند ویژگی‌های بهبود یافته‌ای را به پوشرنگ‌ها، آستری‌ها و چسب‌ها بدهد که با سدگرهای ساده به دست نمی‌آید. پیشرفت‌های جدید رخ داده حتی اجازه می‌دهد که نانوذرات به صورت پوشش‌هایی مستقل با خواص چسبندگی و سطحی سخت‌تر به صورت فیلم‌های نازک بر سطح ایجاد شوند. تحقیقاتی هم در حال انجام است تا ساختارهایی نانویی فوق‌العاده ریز در داخل پوشش‌ها توسعه داده شود تا ویژگی‌های فیزیکی و مکانیکی پوشش‌ها بهبود یابد.
امروزه بهبود خواص حجم گسترده‌ای از پوشرنگ‌ها و پوشش‌های سنتی با استفاده از نانوذرات انجام می‌گیرد. گاهی اوقات این افزودنی‌ها می‌توانند بر خواص فیزیکی و شیمیایی جوهرها و پوشش‌ها تأثیر بگذارند، از این‌رو توجه به غلظت این افزودنی‌ها به منظور دست‌یابی به خواص مطلوب بدون تخریب سایر خواص باید مورد توجه قرار گیرد.
برخی از شرکت‌ها مجموعه‌ای از افزودنی‌های برپایه نانومواد برای پوشرنگ‌ها و پوشش‌ها توسعه داده‌اند. آن‌ها همچنین فناوری‌های متناظری را به منظور بهبود ویژگی‌های پوشش مانند مقاومت در برابر خوردگی و ویژگی‌های خودتمیزشوندگی بدون تاثیر منفی بر سایر ویژگی‌های ذاتی موجود را توسعه داده‌اند.
تعدادی از افزودنی‌های بر پایه نانوذرات هنوز در مرحله آزمایشگاهی قرار دارند. تیمی از دانشگاه پلی‌تکنیک Rensselaer چسب نانویی قدرتمندی ساخته‌اند که از زنجیره‌های مولکولی برای اتصال سطوح به یکدیگر استفاده می‌کند و می‌تواند در دماهای بسیار بالا عمل کند. این نانوچسب تنها 1 نانومتر ضخامت دارد، حداقل 1000 بار نازک‌تر از چسب‌های موجود در حال حاضر است.
علاوه بر این، چسب نانویی با افزایش دما قدرت چسبندگی بیشتری پیدا می‌کند. در این مورد، نانولایه‌ای از جنس زنجیره‌های مولکولی شامل سیلیکون، گوگرد، کربن، و هیدروژن در یک سر به وسیله مس و در سر دیگر به وسیله سیلیکا متصل شده‌اند. این امر باعث می‌شود زنجیره نانویی در برابر افزایش حرارت محافظت شود و بر استحکام نیروهای پیوندی با افزایش دما افزوده شود.
پژوهش‌های بیشتر نشان می‌دهد که نانومولکول‌های تک لایه در فصل مشترک فلز/عایق می‌توانند از طریق اتصال مس/سیلیکا، باعث افزایش چهار برابری نیروی چسبندگی در فصل مشترک شوند. این نشان می‌دهد که هدایت حرارتی مابین فصل مشترک سایر مواد نیز به طور قابل کنترلی قابل تنظیم است.
این فناوری ممکن است برای اتصال تراشه‌ها در کامپیوترها و سایر دستگاه‌های الکترونیکی که روز به روز کوچکتر می‌شوند، مناسب باشد. حتی ماشین‌آلات بزرگ استفاده شده در محیط‌هایی با دمای بالا نیز ممکن است از قابلیت یک چسب نانویی برای تقویت اتصالات در دماهای بالا به جای از دست دادن ویژگی‌های چسبندگی در دمای بالاتر از 400 درجه سانتی‌گراد بهره ببرند.
تخریب زیستی خزه های دریایی (Biofouling) بزرگترین مشکل در زمینه رنگ‌آمیزی سازه های شناور است که امروزه صنایع دریایی با آن روبرو هستند. این مسئله دارای پیامدهای اقتصادی، زیست محیطی و مالی است. فناوری‌های موجود جهت رنگ‌آمیزی کشتی‌های فعلی از 26 تا 76 درصد وزنی از مواد افزودنی اکسید مس (Copper Oxide) در پوشش استفاده می‌کنند. استفاده از 5 درصد وزنی از نانوذرات CuO کافی است تا نتایج بهتری در مهار تخریب زیستی و کاهش تخریب ناشی از خوردگی حاصل کند که منجر به کاهش قابل توجهی از مقدار مس مورد استفاده در پوشش شده و در نتیجه آلودگی ناشی از مس کمتری را ایجاد خواهد کرد.
استفاده از بروموسفرول (Bromosphaerol) نیز بسیار حائز اهمیت است زیرا این ماده طبیعی با محیط‌های اقیانوسی سازگار است. طبیعت خودترمیمی این سیستم‌ها منجر به ایجاد پوششی با دوام‌تر می‌شود. افزایش زاویه تماس سطح در نتیجه اصلاحات نانویی، نیروی مقاوم در برابر حرکت کشتی را کاهش می‌دهد، که منجر به افزایش سرعت و کاهش مصرف سوخت و آلودگی هوا می‌شود.
مترجم: دکتر محمد رمضان زاده کراتی، دکترای مهندسی رنگ، پژوهشگاه رنگ
(ادامه دارد …)
متن کامل این مقاله را در شماره 253 دوماهنامه پوشرنگ از گروه مجلات بسپار که در پایان آبان ماه 1402 منتشر شده است، می خوانید.
در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های ۰۲۱۷۷۵۲۳۵۵۳ و ۰۲۱۷۷۵۳۳۱۵۸ داخلی ۳ سرکار خانم ارشاد تماس بگیرید. نسخه الکترونیک این شماره از طریق طاقچه و فیدیبو قابل دسترسی است.
