یکی از مهم‌ترین عوامل محدودکننده انسان در تمام قرون برای رسیدن به آرزوهایش، پیدا نکردن مواد مناسبی بوده است که خواص مورد نظر را داشته باشند. اما امروزه با استفاده از فناوری‌های پیشرفته، مواد جدیدی تولید یا مواد موجود تقویت شده‌اند. تمام مواد و محصولات مورد استفاده ما هم نیاز به پوشش دارند، چون نباید در طی مراحل تولید، بسته‌بندی، ورود به بازار و مهم‌تر از همه در موقع مصرف، خواص و ویژگی‌های خود را از دست بدهند. البته گاهی هم برای بهبود خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی از فناوری پوشش‌دهی استفاده می‌کنیم. در این مقاله به اهمیت پوشش‌دهی و نحوه ایجاد پوشش‌ها بر روی سطح، می‌پردازیم و در نهایت مبحث نانوپوشش‌ها را ارائه می‌کنیم.
۱-پوشش دهی چیست؟
۱-۱- مقدمه
بشر همواره بلندپرواز بوده است. همیشه رؤیاهای بزرگی در سرها بوده‌اند که باید بیرون می‌آمدند و عینیت می‌یافتند. اما طی این مسیر یعنی بیرون کشیدن رؤیاهای دور و دراز از ذهن‌هاــ با دشواری‌های بسیار همراه است. گرچه بسیاری از این رؤیاهای پیشینیان در زمان‌های بعد و به‌ویژه زمان ما به حقیقت پیوستند، اما بسیاری از صاحبان آرزو بسیار بسیار پیش از این چشم از جهان فرو بستند. برای تحقق این آرزوها باید مسیری بلند در زمان به‌تدریج پیموده می‌شد. کشف آتش، کشف مواد مقاوم مثل آهن (که اول‌بار از شهاب‌سنگ‌هایی که از فضا به زمین برخورد کرده بودند استخراج شد)، کشف چرخ، برق، موتور بخار و غیره، باید روی می‌داد تا مثلاً اختراع اتومبیل و هواپیما واقعیت یابد.
یکی از مهم‌ترین عوامل محدودکننده انسان در تمام قرون برای رسیدن به آرزوهایش، پیدا نکردن مواد مناسبی بوده است که خواص مورد نظر را داشته باشند. مثلاً بشر پس از ساخت آسانسور و استفاده از آن در ساختمان‌های مرتفع، به این فکر می‌کرد که چگونه آسانسوری بسازد که با آن به فضا برود! اما یکی از مشکلات ــ به‌جز تولید طنابی به این درازی و موتوری پرقدرت برای کشیدن محفظه آسانسور بین دو سیاره ــ این بود که تمام مواد مکشوفه تا آن زمان، قدرت تحمل وزن خود را در فاصله بین دو سیاره نداشتند. اما امروزه با استفاده از فناوری‌های پیشرفته مواد جدیدی تولید یا مواد موجود تقویت شده‌اند که می‌توانند وزن خود را در فاصله بین دو سیاره تحمل کنند!
خوب، اینکه در بالا گفتیم یعنی چه؟ بشر برای ساخت آسانسورهای فضایی به‌تازگی نانولوله‌های کربنی‌ای را ساخته است که مقاومت زیادی در برابر کشیده شدن و پاره شدن دارند (حدود ۷ برابر فولاد) و این در حالی است که بسیار سبکتر از مواد محکم فعلی هستند.
برای درک مفهوم دوم (بهبود یا تقویت خواص مواد موجود) به مثال زیر توجه کنید:
تصور کنید یک روز صبح که از خواب بیدار می‌شوید، یک نفر پوست صورتتان را کنده باشد! برای اطمینان، احتمالاً تشریف می‌برید جلو آینه، و آن صحنه دلخراش را به چشم خود می‌بینید! فکر نمی‌کنم دیگر ادامه زندگی با آن وضع برایتان ممکن باشد. شما به یک لولوی تمام‌عیار تبدیل شده‌اید که علاوه بر بچه‌های کوچک، خودتان هم از وحشت جیغ می‌کشید. برای رفع مشکل چه می‌کنید؟ خوب، اولین کار این است که فریاد بکشید و با یک وسیله مثل باند تمام بدنتان را بپوشانید. این‌طوری لااقل میکروب‌ها و عوامل عفونت‌زا کمتر به بدنتان نفود می‌کنند. چون پوست به عنوان پوششی برای بافت‌های داخلی بدن در مقابل محیط بیرون عمل می‌کند (شکل ۱). اما این کافی نیست. شما نمی‌توانید به خوبیِ گذشته از عهده کارهای روزمره‌تان برآیید. چون باند پوشش مناسبی برای صورت شما نیست و تنها می‌تواند به عنوان یک پوشش موقت به کار رود تا اینکه سراغ یک جراح پلاستیک ماهر بروید و یک فکر اساسی بکنید. (البته دیگر کار از کار گذشته)
شکل ۱ ـ تصویری از یک پوشش چندلایه باند زخم که جایگزین پوست بدن شده است.
تمام مواد و محصولات مورد استفاده ما هم نیاز به پوشش دارند، چون نباید در طی مراحل تولید، بسته‌بندی، ورود به بازار و مهم‌تر از همه در موقع مصرف، خواص و ویژگی‌های خود را از دست بدهند. البته گاهی هم برای بهبود خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی از فناوری پوشش‌دهی استفاده می‌کنیم.
به طور کلی «پوشش» لایه‌ای است با ضخامت کمتر از ماده پایه، که پوشش روی آن نشانده می‌شود. با تغییر این ضخامت و نحوه نشاندن پوشش روی ماده پایه، انواع پوشش‌های مورد نیاز برای کاربردهای خاص را به وجود می‌آوریم.
۲-۱-چگونه یک لایه پوشش روی یک سطح نشانده می‌شود؟
۱-۲-۱-روش اول
می‌خواهیم سطح ماده‌ای را با یک ماده با خواص بهتر بپوشانیم. مهم‌ترین عامل برای چسبیدن یک لایه پوشش به ماده پایه سطح تماس بین این دو است. باید سطح تماس بین این دو را بیشتر کنیم تا پوشش‌دهی بهتر انجام شود. اما چگونه؟ برای این کار از ذره‌های تشکیل‌دهنده آن ماده استفاده می‌کنیم. وقتی ما جسمی را خرد می‌کنیم، ذره‌های تشکیل‌دهنده آن با جمع شدن در کنار هم، همان جسم اولیه را تشکیل می‌دهند، با این تفاوت که سطح تماس بیرونی مجموع ذرات در مقایسه با قطعه اولیه افزایش پیدا کرده است. با توجه به این خاصیت، محیطی را فراهم می‌کنیم که سطح بیرونی ذرات را به همدیگر و به ماده پایه بچسباند. این یک روش تولید پوشش بود.
۲-۲-۱-روش دوم
یک راه دیگر برای برای پوشش‌دهی این است که به جای ذره‌ذره کردن پوشش، آن را اتم به اتم درست کنیم. برای این کار کافی است که اتم‌های ماده اول را بکَنیم و به اتم‌های ماده دوم بچسبانیم. می‌دانید که هر اتم از یک هسته (پروتون + نوترون) با بار مثبت تشکیل شده است که الکترون‌ها با بار منفی به دور آن می‌چرخند. همیشه تعداد الکترون‌ها و پروتون‌ها با هم برابرند. در نتیجه بار کل اتم خنثی است. حالا اگر اتمی الکترون از دست بدهد به یون مثبت و اگر الکترون بگیرد به یون منفی تبدیل می‌شود. الکترون‌ها در ترازهایی به صورت یک ابر الکترونی به دور هسته می‌چرخند. (شکل ۲)
۱-۲-۲-۱- ولی چگونه یک اتم می‌تواند الکترون بگیرد یا از دست بدهد؟
بین ذرات هم‌نام و غیر هم‌نامی که در ساختار اتم وجود دارند، نیروهای دافعه و جاذبه‌ای هستند که نیروی برآیند حاصل از آنها الکترون را در فاصله‌ای معین از پروتون نگه می‌دارد. با اعمال نیروی معادل آن می‌توان الکترون را از پروتون جدا کرد. با این کار ذره بار مثبت می‌گیرد، چون یک الکترون از دست داده است. با اعمال یک ولتاژ قوی این نیرو تأمین می‌شود. به این ترتیب، شرایطی فراهم می‌شود که اتم‌های ماده‌ای که می‌خواهند پوشش داده شوند الکترون از دست بدهند و اتم‌های ماده پایه الکترون بگیرند. در نتیجه یون‌ها مانند دو قطب مثبت و منفی آهن‌ربا همدیگر را جذب می‌کنند.
۱-۲-۳- روش سوم:
به یاد دارید که در دوره راهنمایی با خواص محلول‌ها آشنا شدیم. یکی از این محلول‌ها، «محلول فرا سیرشده» بود. برای حل کردن یک حل‌شونده در حلال حد معینی وجود دارد. اگر از آن حد بگذرد، محلول فرا سیرشده به وجود می‌آید. حال اگر یک محلول فرا سیرشده داشته باشیم و آرام آرام آن را سرد کنیم، با یک ضربه ذرات اضافی رسوب می‌کنند. لابد می‌پرسید این کارها چه ربطی به پوشش دارد؟ اگر کاری کنیم که این ذارت روی سطح رسوب کنند و بعد از رسوب دادن این ذرات بتوانیم آنها را به سطح بچسبانبم، در حقیقت با استفاده از محلول، سطح مورد نظر را پوشش داده‌ایم.
۱-۳-چرا باید ماده‌ای را با ماده دیگر بپوشانیم؟
انسان به مرور زمان یاد گرفته است که از خواص مواد برای بر طرف کردن نیازهای خود استفاده کند. با استفاده از خواص مواد مختلف، می‌توان قابلیت‌های جدیدی به محصول افزود و از آن به‌خوبی استفاده کرد. در صنعت پوشش‌دهی، توجه به خواص از اهمیت زیادی برخوردار است. همه با آلومینیوم آشنا هستیم. آلومینیوم، فلزی است سبک و نرم. به خاطر همین سبکی در صنعت کاربردهای زیادی دارد (مثلاً در هواپیماسازی)، ولی حتی با ناخن هم می‌توان روی آن خط ایجاد کرد؛ آلومینیوم سختیِ کمی دارد.
در نظر داشته باشید به ماده‌ای که در برابر یک شیء نوک تیزِ فرورونده خارجی مقاومت کند، ماده سخت می‌گویند و به مقاومت در برابر عامل فرورونده خارجی سختی.
با پوشش مناسبی که سختی لازم را داشته باشد، می‌توان سختی را زیاد کرد و در عین حال بر وزن آن نیافزود. با استفاده از خواص مکانیکی می‌توان کاربردهای جدیدی برای مواد کشف کرد. خواص فیزیکی و شیمیایی، مانند چگالی، مقاومت الکتریکی و… هم در این طبقه‌بندی قرار می‌گیرند.
چرا مواد را می‌پوشانیم؟ همان‌طور که قبلاً هم اشاره شد، برای بهبود خواص و حفظ ویژگی‌ها و خواص ماده.
اگر مواد خورنده مثل اسیدها به ماده پایه نفوذ کنند، با ماده پایه واکنش می‌دهند و در خواص آن تغییر به وجود می‌آورند. این فرآیند در صنعت بسیار خطرناک است. بدنه کشتی‌ای که از آهن باشد، در اثر خوردگی با گذشت زمان با چه فاجعه‌ای در دل یا قعر دریا مواجه خواهد شد! حدستان درست است: آهن زنگ می‌زند (خورده می‌شود)، بدنه ترک برمی‌دارد و در نهایت کشتی غرق می‌شود و مسافران بیچاره می‌میرند. به همین سادگی! ولی اگر از یک پوشش ضد زنگ استفاده کنیم، هم امنیت جانی مسافران را تأمین کرده‌ایم و هم ــ این هم مهم‌تر است ــ بر عمر کشتی افزوده‌ایم. به علاوه، افزایش هزینه انجام این کار خیلی کمتر از هزینه‌ای است که در اثر آسیب دیدن بدنه کشتی ممکن است به وجود بیاید. (شکل ۳)
۲- نانوپوشش چیست؟
در تعریف پوشش‌ها گفتیم که آنها لایه‌هایی هستند با ضخامت کمتر از ماده‌ای که روی آن می‌نشینند. فکر می‌کنید وقتی پیشوند «نانو» را به «پوشش» اضافه کنیم چه تغییری در تعریف آن ایجاد می‌شود؟
در نگاه اول ممکن است با قرار دادن «نانو» در کنار «پوشش» به این نتیجه برسید که این لایه ضخامتی در حد چند نانو خواهد داشت ــ که البته درست است ــ ولی همیشه این‌گونه نیست. وضعیتی را در نظر بگیرید که در آن برای تولید پوشش، از مواد نانومتری و نانوذرات استفاده شود. در این صورت، اجزاء تشکیل‌دهنده این پوشش‌ها نانومتری هستند، ولی خود پوششِ ضخامتی بیش از ۱۰۰ نانو ضخامت خواهد داشت. (شکل ۴)
۲-۱- انواع نانوپوشش‌ها
با توجه به تعریف بالا، می‌توان نانوپوشش‌ها را به صورت زیرتقسیم‌بندی کرد:
۱- یکی از مشکلات خوردن پفک، چسبیدن ذرات پفک به دست است که باعث می‌شود انگشتانی نارنجی داشته باشیم. (اما البته به سختی‌اش می‌ارزد!) چگونگی چسبیدن ذرات پفک مثل تولید پوشش با استفاده از ذرات ریز است. ذرات پفک به خاطر رطوبت به دست می‌چسبند (عامل چسباننده) و پوششی از ذرات پفک را ایجاد می‌کنند. همان‌طور که می‌دانید نانولوله‌ها، نانوپودرها، نانوسیم‌ها و… موادی نانومتری هستند. هر کدام از این مواد خصوصیات فوق‌العاده‌ای دارند. مثلاً نانولوله‌ها از خواص الکتریکی، استحکام مکانیکی و چند خاصیت ویژه دیگر برخوردارند. اگر ما با استفاده از عوامل چسباننده، نانوذرات را کنار هم روی سطح بچسبانیم، پوششی ایجاد خواهد شد که خواص آن مشابه خواص نانوذرات خواهد بود. البته مهم‌ترین عامل در این حالت، سطح آزاد (سطح بیرونی ماده که در تماس با محیط است) بالای این نانوذرات است که باعث می‌شود به نحو بسیار مناسبی به همدیگر بچسبند.
برای درک این موضوع تصور کنید که چگونه ذرات نمک درون یک نمکدان به علت رطوبت موجود در هوا به همدیگر می‌چسبند و کلوخه‌ای می شوند. رطوبت عاملی است که سطح بیرونی ذرات ریز نمک را خیس می‌کند و باعث می‌شود سطح بیرونی دو ذره به همدیگر بچسبند. حتماً می‌دانید که یک کلوخه وقتی خرد می‌شود، سطح آزاد آن به چند برابر می‌رسد. از طرف دیگر، این سطح آزاد مکانی خواهد بود که در آن ذرات به سطح زیرین می‌چسبند.
۲- چیدمان اتم‌های مواد درون سلول‌هایی به نام دانه در مواد بلوری (که اتم‌هایشان به صورت منظم کنار هم چیده شده‌اند)، راه دیگری برای تولید نانوپوشش‌هاست. مواد بلوری موادی هستند که اتم‌های تشکیل‌دهنده آنها به صورت منظم در جهت‌هایی خاص درون حوزه‌هایی مثل سلول‌های روی پوست دست قرار گرفته‌اند. برای تولید نانوپوشش با این خصوصیت، باید اندازه دانه‌های این پوشش‌ها را به حد ۱ تا ۱۰۰ نانومتر درآورد، یعنی باید دانه‌ها را ــ که داخل هر کدام از آنها اتم‌ها در جهت خاصی چیده شده‌اند) ریز کرد. استفاده از دانه‌هایی با اندازه ۱ تا ۱۰۰ نانومتر، پوشش تولیدی را به عنوان پوشش نانوساختار مطرح می‌کند. (شکل ۵)
۳- اصطلاح «لایه نازک» یا «فیلم نازک» را شاید شنیده باشید، ولی آیا می‌دانید منظور از لایه نازک چیست؟ چرا می‌گوییم نازک؟ و نازکی این لایه‌ها در چه حدی است؟ (شکل ۶)
شکل۶: تصویری از یک لایه نازک اکسید آلومینیوم که روی یک زمینه سیلیکونی نشانده شده است.
همان‌طور که حدس زده‌اید، لایه نازک، ضخامت خیلی کمی دارد، اما لایه‌های نازکی نانوپوشش به شمار می‌روند که ضخامت آنها در محدوده ۱ تا ۱۰۰ نانومتر باشد. چنین لایه‌هایی کاربردهای فراوانی دارند. مثلاً می‌خواهیم آینه‌ای داشته باشیم که فقط طول موج ۶۲۰ نانومتر یعنی قرمز را منعکس کند و بقیه امواج را از خود عبور دهد. (شکل ۷)
چنین کاری با نشاندن یک لایه نازک مناسب که دارای این خاصیت باشد امکان‌پذیر است. در این فرآیند معمولاً از دو ماده استفاده می‌کنیم: اولی زیرلایه و دومی پوشش است که با روش‌هایی مثل تبخیر و رسوب‌دهی «لایه‌نشانی» می‌شوند. تعداد لایه‌های نشانده شده بستگی دارد به اینکه بخواهیم آینه چه ضریبی از موج را منعکس کند. هر چه تعداد لایه‌ها بیشتر باشد، امواج بیشتری منعکس می‌شوند، ولی اگر این تعداد از مقدار معینی بیشتر شود، لایه‌ها دیگر به هم نمی‌چسبند.
ما در طبیعت هم مثال‌هایی از لایه نازک داریم. اگر گفتید کجا؟ با کمی فکر کردن حتماً متوجه خواهید شد. (راهنمایی: یادی از نفتکش‌ها کنید!) وقتی نفت در دریا نشت می‌کند سریع‌ترین کاری که باید انجام شود، پاک‌سازی دریاست. ولی از کجا متوجه می‌شوند که نفت در کدام قسمت سطح دریا پراکنده شده است؟ رنگ آن قسمت از دریا تغییر می‌کند. در حقیقت، به رنگ سبز درمی‌آید. یک لایه از نفت روی سطح دریا مثل یک لایه نازک عمل می‌کند. این لایه نازک فقط طول موج ۵۳۰ نانومتر (سبز) را باز می‌تاباند. مثال دیگر حباب صابون است. حباب صابون لایه‌ای نازک از آب و مواد شوینده است که داخل آن را هوا پر کرده است. (سخن یک آدم بزرگ: انسان هیچ‌وقت چیزی را از خودش ابداع نمی‌کند، بلکه همیشه از طبیعت الهام می‌گیرد)
پس دیدیم که نانوپوشش‌ها به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند:
– نانوذرات چسبانده‌شده روی یک زمینه
– روکش‌های بلوری با ساختار نانومتری
– لایه‌های نازک
Leave a Reply