کاربرد اثر مارانگونی در نانوشیمی و موادMOF«محقق و نویسنده:جمال عبدالله زاده»

اثر مارانگونی تنها راه انتقال جرم بین دو سیال نیست و در شیمی روش دیگری تحت عنوان ناپایداری رایلی_تیلور Rayleigh–Taylor instability نیز داریم.ناپایداری رایلی_تیلور به زبان ساده بیانگر وضعیتی است که شیمیدان ها دو سیال با چگالی متفاوت را به حرکت در می آورند ولی آن دو سیال در هم حل و ادغام نمی شوند بلکه فقط جرم بین دو سیال منتقل می شود.در پژوهش های اخیر شیمیدان از هر دو پدیده اثر مارانگونی و ناپایداری رایلی_تیلور برای سنتز نانومواد گرافنی  استفاده کرده اند.محققان در این پژوهش ابتدا سوسپانسیونی از گرافن را طراحی کرده اند و سپس مولکول های فعال سطحی N_متیل پیرولیدون مخففNMP را بر روی این سوسپانسیون  قرار داده اند.این سیستم شیمیایی به علت حلال پوشی توسط مولکول هایNMP فقط برای چند دقیقه پایدار می ماند.در مرحله بعدی نانوشیمیدان ها حلال فرار اتیل استات را به سوسپانسیون اضافه می کنند.به این ترتیب سیستم شیمیایی وارد مرحله دوم فرایند می شود و ناپایدار می شود.در اثر این ناپایداری گرادیان کشش سطحی رخ می دهد و صفحات گرافنی به سرعت به سمت سطح مقطع مایع مهاجرت می کنند و در قالب فیلمی یکنواخت به هم می پیوندند.در واقع صفحات گرافنی از همان روال کلی اثر مارانگونی تبعیت می کنند و از جایی که کشش سطحی پایین(غنی از اتیل استات) است به جایی می روند که کشش سطحی بالاتر(غنی از آب) است.با  اجرای این روش خلاقانه در نانوشیمی محققان موفق شده اند در عرض ۲ دقیقه فیلم گرافنی دایره ای شکلی با قطر ۸ سانتی متر تولید کنند.خلاصه کلام شیمیدان ها با طراحی هوشمندانه سوسپانسیون فرایند را به گونه ای کنترل کرده اند که در مرحله اول سیستم پایداری تشکیل شود و در مرحله دوم نیز سیستم ناپایداری ایجاد شود و نهایتا صفحات گرافنی در اثر گرادیان کشش سطحی و ایجاد این شرایط شیمیایی پیچیده به طور خود به خودی بین دو نقطه جابه جا شوند.پس ما در این روش گرافن را به وسیله اثر مارانگونی به سمت و سویی می بریم که خودش به طور طبیعی تغییر موقعیت دهد و انبوهی از صفحات گرافنی در کنارهم متحمل این وضعیت شوند و در آخر نانومواد گرافنی به صورت فیلمی نازک ایجاد شود.علاوه بر این محققان موتورهای ریزمقیاس مولکولی با استفاده از چارچوب های فلز_آلی موسوم به مواد MOF ساخته اند که انرژی و حرکت این موتورها از اثر مارانگونی سرچشمه می گیرد.در این پژوهش قطرات روغن و کافور توسط مولکول های فعال سطحی یعنی سورفکتانت ها احاطه شده اند.مولکول های فعال سطحی کشس سطحی سیستم را پایین می آورند و در نتیجه گرادیان کشش سطحی را ایجاد می کنند.این سیستم طوری کار می کند که از ناحیه ای با انرژی هم چسبی پایین به ناحیه ای با انرژی هم چسبی بالا هدایت می شود.جالب است که جهت حرکت و تغییرات انرژی هم چسبی نیز دقیقا با جهت تغییرات کشش سطحی هماهنگ و هم راستا می باشد و این دو کمیت شیمیایی به موازات هم تغییر می کنند.حرکت و جنب و جوش مولکول ها نیز دقیقا بر اساس جهت تغییرات کشش سطحی انجام می شود و در اثر این حرکات مولکولی انرژی ایجاد می شود.در این فرایند شیمیدان ها از پپتید های دی فنیل آلانین(DPA) به همراه چارچوب فلزی_آلی MOF استفاده کرده اند تا پیوندها در سراسر سیستم به طور هم زمان گسسته شود و سیستم ماهیت ان ایزوتروپیک و ناهمسانگرد داشته باشد.چون در سیستم ناهمسانگرد خواص شیمیایی و فیزیکی در همه جهت ها یکسان نیست و همین عامل باعث انعطاف پذیری و تحول انرژیایی مولکول ها در این موتورهای مینیاتوری می شود.در واقع به زبان ساده مولکول های فعال سطحی به شکل باورنکردنی و شگفت انگیزی با کمیت کشش سطحی هنرنمایی می کنند و گرادیان کشش سطحی را ایجاد می کنند.گرادیان کشش سطحی طبیعتا حرکت را در سیالات ایجاد می کند و گسستن پیوندهای مولکول ها نیز این اثرات را تقویت می کند و نهایتا انرژی از این حرکت و جنب و جوش پنهان مولکولی ایجاد می شود.البته نقش مولکول های فعال سطحی تنها در توسعه چرخه انرژی شیمیایی خلاصه نمی شود بلکه کارکرد خوب شوینده ها نیز بستگی به این مولکول ها دارد.چون اثر مارانگونی الفبای درک پدیده شیمیایی شویندگی نیز هست.برای اینکه شوینده یا دترجنت موثری داشته باشیم باید نیروی کشش سطحی پایین بیاید تا مولکول های آب از حالت یکنواخت لایه کشسان و ارتجاعی خارج شوند و بتوانند با مولکول های شوینده و مولکول های ناشی از آلودگی ها و چرک ها تعامل خوبی داشته باشند.در حالت عادی آب کشش سطحی بسیار بالایی دارد و همین کشش سطحی بسیار بالا سد و مانع شویندگی قوی و موثر است چون مولکول های آب را در پوسته کشسان به هم می چسباند و اجازه نمی دهد نیروی دگرچسبی افزایش یابد و بالانس و تعادل نیروهای بین مولکولی intermolecular forces مختل می شود.چون کمیت کشش سطحی تا حدود زیادی برایند و نتیجه نیروهای هم چسبی و دگرچسبی می باشد و با نیروی هم چسبی مولکول ها ارتباط مستقیم دارد.