قبيل نهاية تسعينيات القرن الماضي، أجرى فريق عمل بإحدى الجامعات اليابانية تجرية مهمة بهدف التحقق من مدى فاعلية طبقات TiO₂ المؤلفة من حبيبات نانوية على إذابة الملوثات العضوية من على سطح المواد ⁽²⁾. وقد أجرى الفريق تجربة رائدة، والتي فيها رُسبت طبقة من حمض الإستيريك (مادة عضوية)، بلغ سمكها نحو 2 نانومتر، وذلك فوق سطح بلورة أحادية من مادة TiO₂. وقام الفريق بعد ذلك بحساب عدد الجزيئات من حمض الإستيريك التي تغطي المساحة السطحية لمادة TiO₂. وقد وجدوا أن السنتيمتر المربع الواحد من TiO₂ يغطيه نحو 10¹⁶ جزيء من حمض الإستيريك. ثم قاموا بعد ذلك بتعريض هذه الطبقة العضوية المترسبة لفوتونات ضوئية صادرة عن مصدر لتوليد الأشعة فوق البنفسجية، وذلك لفترات زمنية مختلفة. وبعد كل فترة زمنية لاحظ الفريق أن سمك الطبقة يتناقص تدريجيا مع زيادة المدة الزمنية المخصصة لتعريضه للفوتونات الضوئية، إلى أن تلاشت الطبقة تماما بعد تعريضها للمصدر الضوئي لمدة 20 دقيقة. وقد استنتج الباحثون من تلك التجربة قدرة مادة ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) على تحليل مادة حمض الإستيريك العضوية المترسبة على السطح وتحويلها إلى بخار ماء وثاني أكسيد الكربون.

وقد أثارت هذه التجربة وما تلاها من سلسلة تجارب للفريق ولفرق بحثية أخرى من جميع المدارس البحثية في العالم، جدلا كبيرا، حيث أكدت نتائج كل تلك التجارب مدى فاعلية المحفزات الضوئية النانوية لمادة TiO₂ في مجال تغطية ووقاية الأسطح من تراكم الملوثات والعوالق العضوية الموجودة بالأوساط البيئية المختلفة. وأرجعت النتائج تلك الخاصية التي تتمتع بها مادة TiO₂ إلى أن تعرض المادة لذلك المصدر الضوئي يؤدي إلى تكون فجوات موجبة الشحنات في بلوراتها، ما يخلق بيئة مؤكسدة قوية من شأنها تحليل المواد العضوية وتحويلها إلى مركبات هيدروكربونية صديقة للبيئة. ومنذ ذلك الحين سميت هذه العملية باسم التنظيف الذاتي Self–Cleaning للأسطح.

وقد أوحت تلك القدرة المتميزة التي تتمتع بها حبيبات مادة TiO₂ النانوية، لفريق بحثي ياباني بالتعاون مع هيئة الطرق السريعة هناك وذلك لتنفيذ مشروع بحثي مشترك، قام فيه الفريق بطلاء أغطية كشافات الإنارة لمصابيح الصوديوم، المستخدمة في إضاءة الأنفاق المنتشرة بشبكة الطرق السريعة هناك، بطبقة رقيقة شفافة من مادة TiO₂ النانوية، وذلك بغرض التنظيف الذاتي للأغطية الزجاجية لتلك الكشافات ⁽³⁾. وقد بنيت الفكرة على أساس أن مصابيح الصوديوم الموجودة داخل الكشافات تشع منها طاقة ضوئية قوية يمكنها الوصول بسهولة إلى الطبقة المستخدمة في طلاء أغطية الكشافات. وبالفعل قد نجحت الفكرة، إذ تمكنت حبيبات مادة TiO₂ النانوية من حماية أسطح أغطية الكشافات الخارجية مع الترسيبات الهيدروكربونية الناتجة عن سوء التهوية داخل تلك الأنفاق بالطرق السريعة التي تستوعب يوميا كثافة مرورية عالية.

ويوضح الشكل (8 – 1) صورة لموقع النفق (الشكل 8 – 1 «أ») التقطت بغرض إبراز تأثير طلاء أغطية كشافات الصوديوم بطبقة رقيقة شفافة من مادة TiO₂ النانوية في عتامة أو نقاوة أغطية الكشافات بعد تشغيل مصابيح الصوديوم المستخدمة في إضاءة النفق. ويتضح من هذا الشكل، أنه على الرغم من تشغيل النفق لأشهر عدة تحت ظروف الكثافة المرورية العالية نفسها التي يعانيها، فإنه مع استخدام طبقة من TiO₂ حافظت أغطية كشافات الصوديوم على درجة نقاوتها (الشكل 8 – 1 «ب»)، الأمر الذي أدى إلى المحافظة على مستوى الإنارة المطلوب توافره داخل النفق. ويعقد الشكلان (8 – 1 «ج») و (8 – 1 «د») مقارنة أجريت للغرض نفسه، على غطاء واعد من كشافات الإنارة طلي بطبقة من TiO₂ «جـ» بينما لم يطل الجزء الآخر «د». وبعد تشغيل الإضاءة عدة أشهر، اتضح أن الجزء الذي لم يضأ، قد تراكمت عليه ترسيبات هيدروكربونية كثيفة، فأصبح معتما، هذا على النقيض من الجزء الآخر. هذا ويمثل الشكل (8 – 1 «د») صورة لأحد أغطية كشافات الإنارة المضاءة لأشهر عدة، والتي لم تُغطّ بطبقة TiO₂ النانوية أُخذت كصورة مرجعية تُستخدم للمقارنة بين نقاوة أسطح الكشافات المضاءة، قبل وبعد عملية الطلاء.

الشكل (8 – 1): (أ) جسم النفق وقت تشغيل إنارة كشافاته بعد أشهر عدة من طلاء أغطيتها بطبقة شفافة مكونة من حبيبات TiO₂ النانوية، (ب) صورة لأحد الكشافات الموجودة في (أ)، (جـ) جزء من غطاء كشاف طلي، (د) جزء للكشاف نفسه الموضح في (جـ) لم يتم طلاؤه، (هـ) غطاء كشاف إنارة – لم يطل بالكامل – بعد تشغيله فترة طويلة امتدت أشهرا عدة. (الصورة منقولة من المرجع 3 مع تصرف مؤلف هذا الكتاب في إضافة الشرح والتعليق على الصور المبينة).

________________________________________
هوامش

(2) P. Sawunyama, A. Fujishima and K. Hashimoto, Langmuir, Vol. 15 (1999) pp. 3551–3559.

(3) H. Honda, A. Ishizaki, R. Soma, K. Hashimoto and A. Fujishima J. Illum. Eng. Soc. (1998) pp. 42–48: