"شیشه خودتمیزشونده"، همان طور که از نام این محصول پیداست، این شیشه می‌تواند کثیفی و دوده موجود در سطح آن را تمیز نماید و به حداقل نگهداری نیاز دارد. توسعه چنین شیشه‌هایی مرهون پیشرفت در زمینه فناوری نانو است، چرا که پوشش بسیار نازکی ایجاد می‌کند که موجب ایجاد خاصیت خودتمیزشوندگی در شیشه می‌گردد. یک پنجره هوشمند با امکان خودتمیزشوندگی شیشه می‌تواند هزینه‌های تمیزکاری پنجره را بخصوص در ساختمان‌های بلند به طور قابل‌توجهی کاهش دهد.
نقش نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید (TiO2) در شیشه‌های خودتمیزشونده
تیتانیوم دی‌اکسید یک کاتالیزور بسیار واکنش‌پذیر است که به طور گسترده در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ماده ویژگی‌های منحصر به فرد زیادی دارد، به عنوان مثال، تیتانیوم دی‌اکسید در اندازه بالک به صورت پودر سفید رنگ مشخص می‌شود. اما این ماده در ابعاد نانو شفاف است.
اولین بار آکیرا فوجی‌شیما در سال ۱۹۶۷ در دانشگاه توکیو، خاصیت فتوکاتالیستی تیتانیوم دی‌اکسید را کشف کرد. مفهوم سطوح خودتمیزشونده با استفاده از فتوکاتالیست از اینجا سرچشمه می‌گیرد.
یکی دیگر از ویژگی‌های جالب تیتانیوم دی‌اکسید که در سال‌های بعد کشف شد، ماهیت آب‌دوستی آن است. ویژگی فوتوکاتالیستی و آب‌دوستی نقشی اساسی در تولید شیشه خودتمیزشونده دارند. برای تولید انبوه صنعتی شیشه‌های خودتمیزشونده، نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید معمولا با استفاده از روش پوشش‌دهی در خلاء به نام انباشت بخار شیمیایی (CVD) بر روی سطح شیشه پوشش داده می‌شوند. این روش شامل انباشت یک پوشش بسیار نازک است که به صورت بخار اعمال می‌شود.
نقش نانوذرات وانادیم دی‌اکسید در تولید شیشه با سه ویژگی کلیدی
نوع خاصی از شیشه با سه ویژگی منحصر به فرد توسط کالج دانشگاه لندن (UCL) در همکاری با شورای تحقیقات مهندسی و علوم فیزیکی (EPSRC) توسعه داده شده است. این ویژگی‌ها در زیر توضیح داده می‌شود.
- خودتمیزشوندگی: شیشه‌های پوشش داده شده با نانوذرات وانادیم دی‌اکسید در برابر آب بسیار مقاوم هستند. وجود نانوذرات مخروطی شکل بر روی سطح شیشه، هوا را به دام می‌اندازد و باعث می‌شود مقدار کمی از مولکول‌های آب با سطح شیشه در تماس باشند. بنابراین هنگامی که آب باران به سطح شیشه برخورد می‌کند یک قطره کروی از باران، کثیفی، دوده و غبار را پاک می‌کند و به پایین می‌لغزد. در شیشه‌های معمولی، قطرات باران به سطح شیشه می‌چسبند و هنگامی که به آرامی به پایین می‌لغزند در پشت خود نشانه‌هایی از کثیفی را باقی می‌گذارند.
- صرفه جویی در مصرف انرژی: فیلم بسیار نازک پوشش وانادیم دی‌اکسید در سطح شیشه پنجره اثری دوگانه را نشان می‌دهد، یعنی، با جلوگیری از فرار تابش حرارتی در هوای سرد گرمای اتاق را باز می‌گرداند و همچنین در روزهای گرم از ورود تابش مادون‌قرمز خورشید به اتاق جلوگیری می‌کند.
- ضد تابش: این نانوساختارها دارای خواص ضد انعکاسی هستند، مشابه آنچه در چشم شب پره‌ها (moths) وجود دارد.
چگونه "شیشه خودتمیزشونده" همه چیز را توسط خودش تمیز می‌کند؟
پوشش‌های تیتانیوم دی‌اکسید با دنبال کردن فرآیندی دو مرحله‌ای کثیفی و دوده موجود بر روی سطح شیشه را تمیز می‌کنند؛
فوتوکاتالیستی: این یک فرآیند فعال شده با نور است که در آن تیتانیوم دی‌اکسید به عنوان یک فتوکاتالیست عمل می‌کند. هنگامی که تابش ماورا بنفش موجود در پرتوهای خورشید به شیشه‌ای که با نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید پوشش داده شده است برخورد می‌کند، الکترون تولید می‌شود. این الکترون‌‌ها، مولکول‌های آب موجود در هوا را از طریق واکنش شیمیایی به رادیکال‌های هیدروکسیل تبدیل می‌کنند. این رادیکال‌های هیدروکسیل، کثیفی‌های بر پایه کربن را به ذرات کوچک‌تر تقسیم می‌کنند که به راحتی توسط باران شسته می‌شوند.
آب‌دوستی: حضور نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید (فوتوکاتالیز بودن تیتانیوم دی‌اکسید، رادیکال هیدروکسیل تولید می‌کند) بر روی شیشه آن را آب‌دوست می‌سازد. بنابراین هنگامی که آب باران به پنجره دارای شیشه خودتمیزشونده کثیف برخورد می‌کند، مولکول آب بطور یکنواخت بر روی شیشه پنجره پخش شده و آن را تمیز می‌کند بدون اینکه هیچ گونه نشانه‌ای از کثیفی و لکه باقی بگذارد.
سایر کاربردهای شیشه خودتمیزشونده
این فناوری نه تنها برای تولید پنجره‌هایی با "شیشه خودتمیزشونده" مورد استفاده قرار می‌گیرد بلکه از آن برای تولید پنل‌های خورشیدی و نمای ساختمان خودتمیزشونده نیز استفاده می‌شود.
نائورین اختر، فیزیکدان دانشگاه برگن، در مورد اهمیت این شیشه در حفظ فرم بدون لکه آن حتی در زیر آب توضیح داد؛ هنگام انجام تحقیقات در زیر آب، از حسگرهای تشخیص نور برای آنالیز کیفیت آب استفاده می‌شود، این حسگرها در پشت شیشه معمولی (زیر آب) قرار می‌گیرند. این شیشه دوده و کثیفی را به سرعت جمع می‌کند به طوری که حسگرها کارایی خود را از دست می‌دهند. این مشکل به طور موثر با استفاده از "شیشه خودتمیزشونده" برطرف می‌شود.
گرث مک‌کینلی در موسسه فناوری ماساچوست در کمبریج نیز با اختر در مورد اهمیت استفاده از "شیشه خودتمیزشونده" در زیر آب موافق است، چرا که تمیز کردن مکرر شیشه در زیر آب می‌تواند چالش برانگیز باشد. این فناوری می‌تواند برای کشتی‌های اکتشافی اقیانوس نیز مفید باشد.
تجاری سازی شیشه‌های خودتمیزشونده
اولین شیشه خودتمیزشونده جهان به صورت تجاری توسط شرکت پیلکینگتون (Pilkington) تولید شد. این شرکت محصول خود موسوم به Pilkington Activ را که هم دارای خاصیت خودتمیزشوندگی و هم کنترل انرژی خورشیدی است را به بازار عرضه کرد. پیلکینگتون ادعا می‌کند که محصولات آن سازگار با محیط‌زیست و برای همه شرایط شیشه‌کاری (glazing) خارجی مناسب است.
