مواد التنظيف الذاتي

كانت القدرة المذهلة لنبات اللوتس على صد الأوساخ بمثابة مصدر إلهام لتقنيات التنظيف والتطهير الذاتي التي قد تساعد أيضًا في التحكم في تدفق السوائل في الأنابيب المجهرية "مختبرات على شريحة".

بقلم بيتر فوربس

ويليام بارثيلوت من جامعة بون في ألمانيا، مكتشف ومطور "تأثير اللوتس"، لديه رؤية: مانهاتن تنظف نفسها بنفسها. وبحسب رؤيته فإن القليل من المطر يكفي لغسل نوافذ وجدران ناطحات السحاب وجعلها نظيفة مثل نبات اللوتس. وفي أماكن أخرى، يتعاقد على الخيام والمظلات المصنوعة من أنواع جديدة من الأقمشة التي تبقى طازجة دون تدخل يد بشرية نظيفة. وهو ليس الشخص الوحيد الذي يتنبأ بمستقبل الأشياء التي لا تحتاج إلى الغسيل تقريبًا: إذ يعمل التقنيون في اليابان على تطوير أسطح للحمامات والمستشفيات التي تنبعث منها روائح كريهة وتقوم بتطهير أسطحها. ويتصور مايكل روبنر وروبرت كوهين من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) تقنيات مماثلة من شأنها أن تبقي مرايا الحمامات خالية من الضباب وأخرى تسمح بالتحكم في التدفق المجهري في "مختبرات على شريحة". (مصفوفات كيميائية صغيرة تتدفق من خلالها السوائل عبر ممرات مجهرية). توجد اليوم بالفعل قمصان وقمصان وتنانير وسراويل تعمل على طرد بقع الكاتشب والخردل والنبيذ الأحمر والقهوة. وهكذا بدأت ثورة الأسطح ذاتية التنظيف.

تبدأ قصة مواد التنظيف الذاتي في الطبيعة مع نبات اللوتس المقدس (نيلومبو نوسيفيرا)، وهو نبات مائي معمر رشيق لعب دوراً حاسماً في تطور أديان وثقافات الهند وبورما والصين واليابان. تحظى زهرة اللوتس بالتبجيل بسبب نقائها الاستثنائي. تنمو في المياه الموحلة، لكن أوراقها التي تبرز وتطفو فوق الماء تبدو نظيفة دائمًا. قطرات الماء على ورقة اللوتس لها لمعان يبدو خارج هذا العالم، ومياه الأمطار تغسل الأوساخ من الأوراق بكفاءة أكبر من أي نبات آخر.

كانت ميزة النظافة هذه هي التي لفتت انتباه بارثيلوت. وفي السبعينيات، تعجب من الإمكانيات الكامنة في المجهر الإلكتروني الماسح، الذي طُرح في الأسواق عام 70، وأنتج صورًا واضحة تصل إلى مقياس النانومتر. عند مثل هذا التكبير، قد تؤدي حبيبات الغبار إلى تدمير الصورة، لذا من الضروري تنظيف العينات. لكن بارثيلوت لاحظ أن هناك نباتات لا تحتاج إلى غسلها أبدًا، وكان أمير هذه النباتات هو زهرة اللوتس.

أدرك بارثيلوت أن هذه الميزة هي نتيجة مجتمعة لخاصيتين لسطح الورقة: الشمع الذي يغطيها والنتوءات المجهرية (عدة ميكرونات في الحجم) المنتشرة فوقها. أكدت معرفته الأساسية بالفيزياء أن الشمع وحده يجعل الأوراق كارهة للماء أو "كارهة للماء". توضع قطرات الماء على مثل هذه المادة عالياً فوق السطح لتقليل مساحة التلامس قدر الإمكان. يتم وضع قطرة ماء على مادة محبة للماء أو "محبة للماء" لتوسيع منطقة التلامس قدر الإمكان. على سطح محب للماء تكون زاوية التلامس (عند نقطة التلامس بين مساحة سطح القطرة والسطح) أقل من 30 درجة. للسقوط على مادة كارهة للماء لها زاوية تلامس أكبر من 90 درجة.

ونعم، لقد أدرك أن النتوءات التي لا تعد ولا تحصى تزيد من التأثير بشكل أكبر وتجعل سطح اللوتس يصبح كارهًا للماء للغاية: زاوية التلامس مع الماء أعلى من 150 درجة وبالتالي فإن القطرات التي تتشكل على السطح تأخذ تقريبًا شكل كروي، ونظرًا لمنطقة التلامس الصغيرة، فإنها تتدحرج بسهولة مثل الكرات المحملة. تستقر قطرات الماء على قمم النتوءات مثل رجل يرقد على سرير من المسامير. الهواء المحصور بين الماء وسطح الورقة، في الفراغات بين النتوءات، يزيد من زاوية التلامس، وهو تأثير يوصف رياضيًا باستخدام معادلة كاسي-باكستر، التي سميت على اسم A. B. D. Cassie وS. Baxter اللذين قاما بتطويرها لأول مرة في الأربعينيات من القرن العشرين.

حتى التراب، كما لاحظ بارثيلوت، لا يمس إلا رؤوس النتوءات الموجودة على سطح ورقة اللوتس. قطرات المطر تبلل الأوساخ بسهولة وتطرحها عن الورقة. هذا الاكتشاف، وهو أن النتوءات المجهرية تزيد من النظافة، هو اكتشاف متناقض بشكل مدهش. كانت والدتي تقول إن "الثقوب والشقوق تتراكم فيها الأوساخ"، وبذلك لخصت الرأي الشعبي السائد بأنه إذا كنت تريد الحفاظ على نظافة الأشياء عليك التأكد من نعومتها. لكن نظرة فاحصة على أوراق اللوتس تبين أن هذا المنطق ليس صحيحا تماما.

لم ير بارثيلوت، الذي كان في المقام الأول عالم نبات، في البداية الإمكانيات التجارية الكامنة في ملاحظة أن العقيدات الصغيرة تحافظ على الأوراق خالية من العفن الفطري. لكنه أدرك في الثمانينيات أنه إذا تمكنوا من صنع أسطح شمعية خشنة، فسيكون لتأثير اللوتس الاصطناعي العديد من التطبيقات. ثم حصل على براءة اختراع لفكرة إنتاج أسطح ذات مناطق مجهرية مرتفعة لجعلها ذاتية التنظيف ووضع علامة تجارية باسم "Lotus Effect".

لم يكن تصميم سطح فائق الكارهة للماء على سطح الأشياء باستخدام تأثير اللوتس أمرًا سهلاً - فالمادة الكارهة للماء بطبيعتها تصد المواد الأخرى، ولكن من أجل استخدام مثل هذه المادة التي تصد كل شيء، يجب أن تلتصق بالأشياء. ومع ذلك، في أوائل التسعينيات، ابتكر بارثيلوت "ملعقة العسل". الملعقة مطلية بسطح من السيليكون محلي الصنع ذو خشونة مجهرية تسمح للعسل بالانزلاق عليها ولا يترك أي بقايا. أخيرًا، أقنع المنتج العديد من الشركات الكيميائية الكبرى بأن هذه التقنية كانت عملية، وسرعان ما وجدت أذرعها البحثية القوية طرقًا إضافية لاستغلال التأثير. التطبيق الرائد حتى الآن هو StoLotusan، وهو طلاء لواجهات المباني طرحته الشركة الألمانية متعددة الجنسيات Sto في السوق في عام 90 وحقق نجاحًا باهرًا. أصبح اسم "تأثير اللوتس" الآن لغة عامية شائعة في الأسر الألمانية. في أكتوبر 1999، أدرجت مجلة الأعمال الألمانية Wirtschaftswoche تأثير اللوتس كواحد من أهم 2007 اكتشافًا ألمانيًا في السنوات الأخيرة.

نهاية كوارث المطاعم

إذا طلبت من الأشخاص ملء الكلمة المفقودة في عبارة "...تنظيف أنفسهم"، فسيختار معظمهم كلمة "ملابس". نحن لا نقوم غالبًا بتنظيف واجهة منازلنا، ولكننا نغسل ملابسنا دائمًا. بعد بداية مترددة، ظهرت الأقمشة ذاتية التنظيف في كل زاوية. وقد بدأ الأمر كله مع تقنية Nano-Care.

كان المخترع ورجل الأعمال ديفيد سوان هو من طور طلاء القماش هذا، والذي تنتجه حاليًا شركته Nano-Tex. فكر في البرقوق الخوخ. الآن تخيل الخوخة تحت تيار من ماء الصنبور وتخيل تأثير Nano-Care. يتكون "المسيل" الموجود في هذا الطلاء من شعيرات صغيرة متصلة بألياف القطن. الشعيرات صغيرة جدًا، أقل من جزء من الألف من ارتفاع براعم اللوتس، بحيث تبدو ألياف القطن مثل جذع شجرة بالمقارنة بها.

منافس Nano-Tex هو شركة Schuler Textile السويسرية، التي تطلق على تقنيتها NanoSphere. في هذه الطريقة، تتم تغطية ألياف الملابس بجزيئات نانوية من السيليكا (ثاني أكسيد النيتروجين) أو البلاستيك، مما يعطي الألياف خشونة وعرة تشبه زهرة اللوتس.

يتم تقديم العديد من الادعاءات غير المختبرة لدعم منتجات تكنولوجيا النانو. ولذلك بدأت معاهد المعايير في وضع اختبارات أكثر صرامة للملابس ذاتية التنظيف بناءً على الابتكارات في هذا المجال. يقدم معهد أبحاث هوهنشتاين الألماني عمليات التفتيش والشهادات للكيانات التجارية والصناعية في جميع أنحاء العالم. قرر هذا المعهد في أكتوبر 2005 أن أقمشة NanoSphere هي أول أقمشة ذاتية التنظيف اجتازت سلسلة كاملة من الاختبارات، بما في ذلك مقاومة الماء والحفاظ على الأداء بعد دورات الغسيل العادية واختبارات العوامل الجوية الأخرى. في الاختبارات التي أجريتها بنفسي، أظهرت عينات من أقمشة NanoSphere قدرة مذهلة على التخلص من صلصة الطماطم الدهنية والقهوة والنبيذ الأحمر، والتي تعد من أسوأ البقع.

أصبحت الملابس سهلة التنظيف شائعة، ولكن من المحتمل أن يكون السوق الأكبر (من حيث الإنفاق المالي) للطلاءات المستندة إلى تأثير اللوتس هو سوق المظلات والخيام والأشرعة. لا أحد يريد حقًا تنظيف هذه المباني الملحقة الكبيرة.

ترطيب فائق

بدأت دراسة تأثير اللوتس بمحاولة فهم قدرة التنظيف الذاتي لنوع واحد من الأسطح - وهو سطح شمعي مغطى بهياكل مجهرية أو حتى نانوية. لقد توسع هذا البحث الآن ليصبح علمًا جديدًا يتعامل مع قابلية البلل والتنظيف الذاتي والتطهير. بدأ الباحثون يدركون أن هناك طرقًا عديدة لإنشاء أسطح شديدة الكارهة للماء، وأن عكس هذه الخاصية - المحبة المفرطة للماء - يمكن أن يكون مثيرًا للاهتمام أيضًا. اللاعب الرئيسي في مجال محبة الماء الفائقة هو معدن ثاني أكسيد التيتانيوم أو تيتانيا.

بدأت رحلة تيتانيا إلى مكانة النجم في علم المواد منذ أربعين عامًا بميزة لا علاقة لها بالقابلية للتبلل. في عام 1967، اكتشف أكيرا فوجيشيما، الذي كان حينها طالبًا باحثًا في جامعة طوكيو، أنه عندما تتعرض تيتانيا للأشعة فوق البنفسجية، فإن المادة تكون قادرة على تحليل جزيئات الماء إلى أكسجين وهيدروجين. لقد كان تحلل الماء باستخدام الضوء، أو التحلل الضوئي، بمثابة "الكأس المقدسة" العلمية منذ فترة طويلة. وإذا كانت العملية فعالة بما فيه الكفاية، فإنها ستنتج هيدروجينًا رخيصًا بدرجة كافية يمكن استخدامه كبديل خالٍ من الكربون للوقود الأحفوري. لقد عمل فوجيشيما وباحثون آخرون بجد على هذه الفكرة، لكنهم أدركوا في النهاية أن فرصة الحصول على استغلال تجاري كانت ضئيلة.

وكشفت الدراسات أن طبقات رقيقة من التيتانيا (بسمك نانومتر إلى ميكرون) عملت بكفاءة أكبر من الجزيئات الأكبر. ثم، في عام 1990، بعد انضمام فوجيشيما إلى كازوهيتو هاشيموتو من جامعة طوكيو وتوشيا واتانابي من شركة TOTO التي تصنع المعدات الصحية، اكتشفوا أن الضوء فوق البنفسجي المسقط على طبقات من التيتانيا بسمك نانومتر ينشطها ويسمح لها بتسريع التفاعلات الكيميائية (التحفيز الضوئي). تأثير) تحلل المواد العضوية، بما في ذلك مكونات جدار الخلية من البكتيريا، إلى ثاني أكسيد الكربون والماء.

يُظهر تيتانيا نشاط تحفيز ضوئي لأنه مادة شبه موصلة: حيث تثير كمية معتدلة من الطاقة إلكترونًا من مستويات الطاقة الكاملة لـ "نطاق التكافؤ" في المعدن، وترفعه عبر الفجوة بين النطاقات (التي تحتوي على طاقة محظورة المستويات) إلى "نطاق التوصيل"، وهو الفراغ، حيث يمكن للإلكترونات التدفق وتوصيل التيار الكهربائي. وفي تيتانيا يتم ذلك باستخدام فوتون من الأشعة فوق البنفسجية بطول موجي يبلغ حوالي 388 نانومتر. يؤدي الإثارة إلى إنشاء حاملتين للشحنة المتنقلة: الإلكترون الذي قفز إلى نطاق التوصيل و"الثقب" الذي يبقى في نطاق التكافؤ، والذي يتصرف كجسيم بشحنة كهربائية موجبة. عندما تكون هاتان الشحنتان حرتين، يمكنهما التأثير على جزيئات الماء والأكسجين الموجودة على سطح التيتانيا، وتكوين أيونات جذرية للأكسيد الفائق (أكسيد فائق - O2-) وجذور الهيدروكسيل (OH)، وكلاهما مادة كيميائية نشطة للغاية الأنواع القادرة على تحليل المواد العضوية إلى ثاني أكسيد الكربون والأكسجين والماء.

في منتصف التسعينيات، توصل الباحثون اليابانيون الثلاثة إلى اكتشاف مهم حول تيتانيا. قاموا بإعداد طبقة رقيقة من المادة من معلق مائي لجزيئات التيتانيا ومكلسها عند درجة حرارة 90 درجة مئوية. وبعد أن كشف العلماء عن الطبقة الشفافة الناتجة للأشعة فوق البنفسجية، أظهرت قابلية بلل كاملة استثنائية: زاوية تلامس تبلغ صفر درجة، لكل من الزيت والماء. يزيل الضوء فوق البنفسجي بعض ذرات الأكسجين من سطح التيتانيا ويخلق بقعًا نانومترية يتم امتصاص مجموعات الهيدروكسيل فيها. تظهر هذه البقع محبة فائقة للماء. المناطق الأخرى مسؤولة عن التقارب العالي للنفط. تظل هذه الخاصية سليمة لعدة أيام بعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية، لكن المادة تعود ببطء إلى حالتها السابقة عند تركها في الظلام.

على الرغم من أن خصائص التيتانيا تتعارض تمامًا مع خصائص ورقة اللوتس، فقد تبين أن المحبة للماء الفائقة تمنح هذه المادة أيضًا قدرة جيدة على التنظيف الذاتي: يميل الماء إلى الانتشار على السطح بأكمله، وطبقة المياه المتدفقة. يحمل الأوساخ أبعد. كما أن السطح لا يتشكل فيه الضباب، لأن بخار الماء المتكثف ينتشر على الجوانب ولا يتراكم بآلاف القطرات الصغيرة التي يتكون منها الضباب. بالإضافة إلى ذلك، فإن نشاط التحفيز الضوئي للتيتانيا يضيف إلى الأشياء المطلية به أيضًا قدرة على التطهير وإزالة الروائح الكريهة عن طريق قتل البكتيريا وتكسير المواد العضوية.

صناعة طلاء تيتانيا تتطور الآن. على سبيل المثال، تنتج شركة TOTO مجموعة متنوعة من منتجات التحفيز الضوئي ذاتية التنظيف، مثل بلاط السيراميك للاستخدام الخارجي، وتمنح تراخيص لهذه التكنولوجيا في جميع أنحاء العالم.

إن طبقات التيتانيا النانوية شفافة، لذا فإن طلاء الزجاج كان خطوة متوقعة وواضحة. كان المنتج الأول الذي وصل إلى السوق هو Active-Glass، من شركة Pilkington، أكبر شركة مصنعة للزجاج في بريطانيا العظمى. يتم إنتاج الزجاج عادة عند درجات حرارة أعلى من 1,600 درجة مئوية على ركيزة من القصدير المنصهر. لإنتاج طلاء الزجاج النشط، يتم تدفق أبخرة رابع كلوريد التيتانيوم على سطح الزجاج في إحدى مراحل التبريد اللاحقة. يرسب البخار طبقة تيتانيا يصل سمكها إلى 20 نانومتر. أصبح الزجاج النشط شائعًا في المملكة المتحدة في أسطح البيوت الزجاجية والمرايا الجانبية للمركبات.

ولسوء الحظ، فإن النظارات العادية تحجب موجات الضوء فوق البنفسجي التي تنشط التيتانيا، لذا فإن الطبقات النانوية من هذه المادة تكون أقل فائدة في الداخل. الجواب على ذلك هو "التطعيم"، أي زرع ذرات مواد أخرى في طبقة التيتانيا، تمامًا كما يحدث مع السيليكون (السيليكون) وأشباه الموصلات الأخرى في صناعة الإلكترونيات. يعمل هذا الإجراء على تقليل فجوة النطاق في المادة، مما يعني أن الأطوال الموجية الأطول للإضاءة المنزلية يمكن أن تحفز نشاط التحفيز الضوئي. اكتشف شينري ساتو من جامعة هوكايدو في اليابان بالصدفة في عام 1985 مزايا تطعيم التيتانيا بذرات النيتروجين. ويمكن أيضًا استخدام ذرات الفضة لهذا الغرض. ولكن في السنوات الأخيرة فقط تمت ترجمة هذه الأساليب إلى عمليات تجارية.

ويعتقد أن التيتانيا التي تم تخديرها سوف تجد استخدامات عديدة في المطابخ والحمامات بسبب خصائصها المطهرة وإزالة الروائح الكريهة. كما يستخدم تيتانيا في الأقمشة ذاتية التنظيف لأنه يضيف إليها القدرة على التخلص من الرائحة. وقد تم تطوير عدة طرق لربطه بالنسيج، بما في ذلك الربط الكيميائي المباشر.

تقارب الأضداد

يبدو أن المواد التي تم تصنيعها، المستوحاة من أوراق اللوتس والطبقات الرقيقة من التيتانيا، تقف في قطبين متقابلين يصعب عادة العثور عليهما في العالم اليومي، حيث، كما كتب الشاعر الإنجليزي فيليب لاركين، "لا شيء يمكن صنعه جديدة أو نظيفة تمامًا". لفترة طويلة، كانت الأساليب والمواد مختلفة تمامًا، وتم إجراء دراسة التأثير الفائق للماء بشكل منفصل تمامًا عن دراسة التحفيز الضوئي الفائق للماء. ولكن في الآونة الأخيرة كان هناك اندماج غير عادي: يعمل الباحثون حاليًا على الجمع بين التأثيرين وتطبيقهما على مواد متشابهة جدًا. ويبحث الباحثون أيضًا عن طرق لجعل بنية كيميائية واحدة تتحول من كارهة للماء للغاية إلى محبة للماء للغاية وبالعكس.

كان أول من أشار إلى هذا الاندماج في عام 2000 هم رواد الأبحاث في مجال تيتانيا، فوجيشيما، وتانبا، وهاشيموتو. لقد أرادوا استخدام التيتانيا لإطالة عمر الأسطح ذات التأثير اللوتس. للوهلة الأولى، يبدو أن هذا النهج محكوم عليه بالفشل: فقد كان من المتوقع أن يهاجم نشاط التحفيز الضوئي للتيتانيا الطبقة الشمعية الكارهة للماء لأسطح اللوتس ويدمر التأثير. في الواقع، كان سبب هذا الدمار هو التركيزات العالية من التيتانيا. لكن الفريق وجد أن إضافة كمية صغيرة من التيتانيا يطيل بشكل كبير نشاط تأثير اللوتس دون تغيير كبير في زاوية التلامس المنفرجة اللازمة لتنافر الماء القوي.

في عام 2003، اكتشف مختبر روبنر وكوهين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن تغييرًا بسيطًا في بنية السطح يمكن أن يحدد الخاصية التي تم تثبيتها عليه: محبة الماء الفائقة أو كارهة الماء الفائقة. يتذكر روبنر أنه خلال زيارته للصين في ذلك العام، كان متحمسًا جدًا للهياكل شديدة الكارهة للماء المذكورة في المؤتمر. وبالعودة إلى المختبر، أصدر تعليماته إلى العديد من أعضاء مجموعته البحثية لمحاولة إنشاء مثل هذه الهياكل. طور مختبره طريقة لإنتاج أغشية رقيقة، طبقة بعد طبقة، من مركبات متعددة الإلكتروليتات. عندما تذوب المواد الإلكتروليتية العادية، مثل ملح الطعام أو حمض الكبريتيك، في الماء، فإنها تنفصل إلى أيونات موجبة وسالبة. البولي إلكتروليتات عبارة عن بوليمرات عضوية تحمل، على عكس معظم المواد البلاستيكية العادية، شحنة كهربائية موجبة أو سالبة. يقوم روبنر وكوهين بالتناوب بتكديس طبقات بوليمر بولي (أليلامين هيدروكلوريد) المشحون بشحنة كهربائية موجبة، وطبقات من جزيئات السيليكا المشحونة بشحنة كهربائية سالبة. (في دراسة سابقة استخدموا طبقة من جزيئات السيليكا لتقليد السطح الخشن الكاره للماء لزهرة اللوتس).

لقد قاموا أخيرًا بتغليف هذا الهيكل متعدد الطبقات ببوتقة (وهي مادة كارهة للماء)، ولكن أثناء قيامهم بذلك لاحظوا شيئًا مثيرًا للاهتمام: قبل أن يطبقوا طلاء البوتقة، كانت طبقة الكعكة في الواقع شديدة المحبة للماء. خلقت طبقات السيليكا في تجارب روبنر وكوهين أسطحًا كثيفة من المسام النانومترية التي تعمل مثل الإسفنجة، أو فتيل الشمعة، والتي تمتص على الفور كل قطرة ماء من السطح - وهي ظاهرة تعرف باسم فتائل النانو. إن طبقات بوليمر السيليكا التي طورها الباحثون لا تتشكل أبدًا، ولا حتى عند وضعها فوق الماء البخاري. إذا امتلأت المسام، يبدأ الماء بالتدفق فوق الحافة. عندما تنتهي الظروف الرطبة، يتبخر الماء الموجود في الفتائل النانوية تدريجيًا.

يتكون الزجاج بشكل أساسي من السيليكا، وبالتالي فإن الطلاء متعدد الطبقات مناسب جدًا للاستخدام على الزجاج. الطلاء الفائق الماء ليس فقط شفافًا ويمنع الضباب ولكنه يمنع أيضًا الانعكاسات. يتعاون فريق روبنر مع الصناعة لجعل هذا الاكتشاف تجاريًا. تشمل التطبيقات الممكنة مرايا الحمام التي لا يتشكل الضباب عليها أبدًا، والزجاج الأمامي للسيارة الذي لا يحتاج أبدًا إلى نفخ الهواء الساخن فوقه في صباح الشتاء البارد. على عكس تيتانيا، تعمل أسطح روبنر بنفس القدر من الفعالية في الضوء والظلام.

الخنافس المتطورة

قبل ملايين السنين من قيام العلماء بدمج تأثير اللوتس والترطيب الفائق في التطبيقات التكنولوجية، كانت خنفساء صغيرة في صحراء ناميب في جنوب إفريقيا مشغولة بتطبيق هذين التأثيرين لغرض آخر: جمع المياه من أجل بقائها.

صحراء ناميب مكان معادٍ للغاية. يمكن أن تصل درجات الحرارة أثناء النهار إلى 50 درجة مئوية، ويكون هطول الأمطار نادرًا للغاية. المصدر الوحيد للرطوبة تقريبًا هو ضباب الصباح الكثيف الذي تحمله عادةً الرياح الباردة. وقد طورت خنفساء ستينوكارا طريقة لجمع الماء في هذا الضباب: فهي تسبح أمام الرياح الضبابية، ورأسها إلى الأسفل وظهرها مرفوع. ويتكثف الماء على الظهر ويقطر إلى داخل الفم. كان التفسير العلمي لطريقة الخنفساء في جمع المياه بمثابة مصدر إلهام لأفكار جمع المياه في المناطق القاحلة.

وكما يحدث في كثير من الأحيان، تم اكتشاف آلية جمع الماء في الخنفساء من قبل باحث يبحث عن شيء مختلف تمامًا. في عام 2001، عثر عالم الحيوان أندرو ر. باركر، الذي كان آنذاك في جامعة أكسفورد، على صورة تظهر الخنافس وهي تأكل الجنادب في صحراء ناميب. ونفق الجندب الذي حملته الرياح القوية في المنطقة على الفور عندما سقط على الرمال الساخنة. وفي المقابل، فإن الخنافس التي تتغذى على الهدية التي تلقتها، حرفيًا من السماء، كانت مرتاحة بشكل واضح في الصحراء. افترض باركر أن أسطحها تعكس الحرارة بطريقة متطورة.

في الواقع، تعكس خنافس ستينوكرا الحرارة، ولكن عندما فحص باركر ظهورها اشتبه على الفور في أن لديه نوعًا من التكيف مع تأثير اللوتس الذي يمكّن من عملية جمع المياه في الصباح. معظم السطح الظهري لخنفساء ستينوكرا مغطى بسطح شمعي وعر ومقاوم للماء للغاية. لكن رؤوس النتوءات خالية من الشمع ومحب للماء. تلتقط هذه النقاط المحبة للماء من الضباب، وتشكل قطرات صغيرة، والتي تنمو بسرعة إلى أبعاد تسمح للجاذبية وكراهية البيئة الفائقة لإزاحتها. في التجارب المعملية على الألواح الزجاجية، اكتشف باركر أن مثل هذا الترتيب للمناطق له فعالية مضاعفة مقارنة بالسطح الأملس والموحد، سواء كان كارهًا للماء أو محبًا للماء.

وقد حصل باركر على براءة اختراع لبرنامج لمحاكاة تجميع المياه للخنافس، وتقوم شركة QinetiQ، وهي شركة متعاقدة مع وزارة الدفاع البريطانية، بتطويره لحصد الضباب في المناطق المتوقفة. ويحاول آخرون أيضًا تقليد خنفساء ستينوكرا. في عام 2006، أنشأ فريق روبنر وكوهين نقاطًا فائقة المحبة للماء من السيليكا فوق سطح متعدد الطبقات فائق الكارهة للماء. هذا التصميم أكثر فعالية من الخنافس التي تكون البقع الموجودة على ظهورها محبة للماء فقط.

إن علم الترطيب الفائق الجديد يجعل من الممكن التحكم في تدفق السوائل على المستوى المجهري والنانوسكوبي كما يتضح من أسطح ستينوكرا الاصطناعية. ويمكن استخدام هذا في تطبيقات أكثر تعقيدًا بكثير من الحفاظ على نظافة الأسطح. يقول روبنر: "بمجرد أن تفهم أن الأسطح المصممة يمكن أن تكون شديدة الكارهة للماء أو شديدة المحبة للماء اعتمادًا على كيمياء السطح، ستفتح أمامك العديد من الاحتمالات". قد يكون الاستخدام المثير للاهتمام بشكل خاص هو الأسطح القابلة للتحويل، بحيث يمكن تغيير قابلية بللها في مواقع محددة.

يمكن تحقيق هذه العلامة التجارية بعدة طرق: الضوء فوق البنفسجي، أو الكهرباء، أو درجة الحرارة، أو المذيبات، أو الحموضة. في عام 2006، نجح فريق بقيادة كيلوون تشو من جامعة بوهانج للعلوم والتكنولوجيا في كوريا الجنوبية في تحقيق علامة تجارية كاملة عن طريق ربط جزيئات مركب أساسه الآزوبنزين بسطح متعدد الطبقات كاره للماء للغاية من السيليكا بولي إلكتروليت المطلي بالزنك. السطح الجديد أيضًا كاره للماء للغاية، ولكن تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية، يغير مركب الآزوبنزين بنيته ويجعل السطح محبًا للماء للغاية. الضوء في المجال المرئي يعيد الوضع إلى حالته الأصلية.

سيكون هذا التحكم قادرًا على العثور على استخدامات مهمة في مجال التدفق الدقيق، كما هو الحال في التحكم في المصفوفات العيانية المستخدمة اليوم لمسح الأدوية وفي الاختبارات الكيميائية الحيوية الأخرى. على سبيل المثال، يمكن إغلاق أو فتح الممرات المحبة للماء عن طريق تبديل أجزاء منها وجعلها كارهة للماء أو محبة للماء على التوالي.

تجف تحت الماء

إحدى المفاجآت السارة في القرن الحادي والعشرين هي أن لوتس جلو يخترق الشقوق والشقوق غير المعروفة سابقًا، بما يتجاوز تطبيقات التنظيف الذاتي.

بارثيلوت، الذي رأى الإمكانيات الكامنة في قطرة ماء واحدة على ورقة لوتس، يرى الآن آفاقًا لا حدود لها تقريبًا. لكنه يحذر من أن الذين يريدون ترجمة الطبيعة إلى تكنولوجيا قد يواجهون الكثير من الشكوك، على حد تعبيره. وينصح قائلاً: "ثق بما تراه عيناك وليس بالكتب المدرسية، وإذا تمكنت من تأكيد ملاحظاتك بشكل متكرر، قم بنشرها". "لكن كن صبورًا جدًا وتوقع رفضًا كبيرًا للمقالة."

ليس من المستغرب أنه من المتابعين المتحمسين للتنوع البيولوجي. وهو على يقين من أن العديد من النباتات والحيوانات الأخرى قد تظهر خصائص مفيدة، بما في ذلك الأنواع غير المعروفة للعلم والتي هي على وشك الانقراض. ويتناول بحثه الحالي مسألة الكارهة الفائقة للماء تحت الماء. بعد فحص كيفية قيام النباتات المائية، مثل الفستق ("خس الماء") والسرخس العائم، بحبس الهواء على سطح أوراقها، ابتكر بارثيلوت أقمشة تظل جافة لعدة أيام تحت الماء. يأمل أن يصنع ملابس سباحة لا تبتل. لكن الجائزة الكبرى ستكون إذا تمكن من تقليل مقاومة هياكل السفن. قد تطرد زهرة اللوتس الأوساخ، لكنها تجتذب مجموعة رائعة من براءات الاختراع.

المفاهيم الرئيسية

النتوءات المجهرية التي تغطي أوراق اللوتس تعطي سطحها الشمعي قدرة عالية للغاية على صد الماء وجعلها مادة فائقة الكارهة للماء. تتدحرج قطرات المطر بسهولة على هذا السطح وتزيل أي أوساخ.

وقد طور الباحثون مواد اصطناعية ذات قدرة على التنظيف الذاتي، وبعضها يعتمد على "تأثير اللوتس". وتظهر المواد الأخرى خاصية معاكسة: حيث يعمل سطح هذه المواد أيضًا كمحفزات كيميائية.

ستحتوي المنتجات المستقبلية على مواد تجمع بين خاصيتين متناقضتين: فائقة الكارهة للماء ومحبة للماء للغاية، أو مواد يمكنها تغيير تقاربها مع الماء، ذهابًا وإيابًا، للتحكم في تدفق السوائل في المكونات المجهرية.

الإلهام

تأثير اللوتس:

إن القدرة المذهلة لأوراق اللوتس على البقاء نظيفة ألهمت تطوير مواد التنظيف الذاتي.

القاعدة

فيزياء اللوتس:

يرجع تأثير التنظيف الذاتي للوتس إلى حقيقة أن سطح الورقة كاره للماء للغاية (طارد للماء). تحدد الكارهة للماء أو المحبة للماء (الانجذاب إلى الماء) للمادة زاوية التلامس بين المادة وسطح الماء.

دروس اللوتس

ابق نظيفا:

ابتكرت الشركات التجارية أقمشة قادرة على صد بقع الماء والطعام لأنها شديدة الكارهة للماء مثل ورقة اللوتس. يتم إنشاء التأثير عن طريق تغيير ألياف القطن للمادة. وفي إحدى الطرق، تقوم جزيئات صغيرة بإنشاء نتوءات على سطح الألياف يبلغ قطرها عدة مئات من النانومترات. العديد من المنتجات الأخرى، مثل دهانات واجهة المنزل أو بلاط السقف، يتم تغطيتها بطبقة ذات خشونة مجهرية أو نانوية تعطيها تأثير اللوتس.

النهج المعاكس

تيتانيا تنظف نفسها:

تظهر الطبقات الرقيقة من التيتانيا خاصية معاكسة تمامًا لأوراق اللوتس: محبة فائقة للماء. ومع ذلك، فهي أيضًا تطرد الأوساخ ولها نشاط مطهر ضد البكتيريا.

ماذا يفعل الماء:

فوق سطح فائق المحبة للماء، تنتشر قطرات الماء وتغطي السطح بطبقة موحدة. يزيل الماء الأوساخ بسهولة ويحملها في تدفقه. تمنع المحبة الفائقة أيضًا تعفير السطح لأن الماء لا يتجمع في القطرات الصغيرة التي لا تعد ولا تحصى والتي تشكل الضباب.

الكيمياء

يثير الضوء فوق البنفسجي (مثل ذلك الموجود في ضوء الشمس) الإلكترونات و"الثقوب" ("غياب" الإلكترون الذي يتصرف كجسيم موجب الشحنة) في تيتانيا. ترتبط الإلكترونات بجزيئات الأكسجين وتشكل جذور الأكسيد الفائق المشحونة بشحنة سالبة، بينما تتحد "الثقوب" مع أيونات الهيدروكسيد الموجودة في الماء وتشكل جذور الهيدروكسيل المحايدة. هذه الأشكال النشطة للغاية تقتل البكتيريا وتحلل المواد العضوية الموجودة على السطح. يغير الضوء فوق البنفسجي أيضًا بنية طبقة التيتانيا ويجعلها شديدة المحبة للماء، وهي خاصية تسمح للماء بغسل الأوساخ من سطح الطبقة.

تكنولوجيا متعددة الطبقات

طلاء مضاد للضباب:

قام باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) بتطوير طلاء متعدد الطبقات مضاد للضباب ومضاد للانعكاس.

تشكل طبقات من جزيئات السيليكا النانوية (التي تحتوي على مجموعات هيدروكسيل متصلة بسطحها) والبوليمر بالتناوب طبقة فائقة المحبة للماء يمكن وضعها على الزجاج والمواد الأخرى. يتخلل سطح الطلاء مسام نانومترية، وتساعد مجموعات الهيدروكسيل شديدة المحبة للماء المسام على امتصاص الماء وإزالته فورًا من السطح.

أبعد من التطهير الذاتي

الأسطح ذات العلامات التجارية:

ومن خلال تبديل الكارهة للماء في موقع محدد على السطح، يأمل العلماء في التحكم في تدفق السوائل من خلال شبكات القنوات المجهرية في "رقائق التدفق الدقيق".

آثار مجتمعة

جمع المياه:

يقوم العلماء المستلهمون من خنفساء الصحراء بتطوير أجهزة تستخدم مزيجًا من تأثير اللوتس والمحبة الفائقة لحصاد المياه من الهواء في المناطق النائية والنائية.

تجمع خنفساء ستينوكرا الماء من ضباب الصباح الذي تحمله الرياح في صحراء ناميب في أفريقيا. تجثم الخنفساء وظهرها مرفوع في مواجهة الريح. معظم سطح ظهر الخنفساء شديد الكارهة للماء بسبب النتوءات نصف المليمترية والخشونة العيانية لسطحها الشمعي. لكن قطرات الماء لا تزال تتجمع عبر مناطق صغيرة محبة للماء عند قمة النتوء. تتدحرج القطرات إلى فم الخنفساء.

عن المؤلف

بيتر فوربس مراسل علمي يعيش في لندن. يستعرض كتابه "The Foot of the Gecko" (الذي نشره V. V. Norton) من عام 2006 مجموعة متنوعة من التقنيات التي تحاكي علم الأحياء (علم الأحياء الحيوي) أو مستوحاة منه. وكان أيضًا محررًا لمجلة The Century Review: The Penguin Book of 20th Century Poetry (Penguin، 2000).

والمزيد حول هذا الموضوع

• تأثير اللوتس. هانز كريستيان فون باير في العلوم، المجلد. 40، لا. 1، الصفحات 12-15؛ يناير/فبراير 2000.
• التقاط الماء بواسطة خنفساء الصحراء. أندرو ر. باركر وكريس ر. لورانس في الطبيعة، المجلد. 414، الصفحات 33-34؛ 1 نوفمبر 2001.
• الأسطح ذاتية التنظيف – الواقع الافتراضي. رالف بلوسي في مواد الطبيعة، المجلد. 2، لا. 5، الصفحات 301-306؛ مايو 2003.
• قدم أبو بريص. بيتر فوربس. دبليو دبليو نورتون، 2006.
• الأسطح المنقوشة شديدة الكارهة للماء: نحو تقليد اصطناعي لخنفساء صحراء ناميب. لي تشاي وآخرون. في رسائل النانو، المجلد. 6، لا. 6، الصفحات 1213-1217؛ يونيو 2006.
• حلم البقاء نظيفًا: اللوتس والأسطح المحاكاة الحيوية. أندرياس سولجا، زدينيك سيرمان، بوريس ف. ستريفلر، مانويل سبيث، وويلهلم بارثلوت في الإلهام الحيوي والمحاكاة الحيوية، المجلد. 2، لا. 4، الصفحات S126-