نظرة عامة على المواد النانوية

تاريخ موجز لتطور النانو

في عام 1959، تنبأ الفيزيائي الشهير والحائز على جائزة نوبل ريتشارد فاينمان بأن البشر يمكنهم استخدام آلات أصغر لصنع آلات أصغر، وفي نهاية المطاف ترتيب الذرات واحدة تلو الأخرى وصنع المنتجات واحدة تلو الأخرى وفقًا لرغبات الإنسان، وكان هذا هو الحلم الأول لتكنولوجيا النانو.

في عام 1991، نجح العلماء في الولايات المتحدة الأمريكية في تصنيع أنابيب الكربون النانوية ووجدوا أنها لا تزيد كتلتها عن سدس كتلة نفس الحجم من الفولاذ، كما أنها أقوى بعشر مرات، لذا أطلق عليها اسم الألياف الفائقة. يمثل اكتشاف المواد النانوية قمة جديدة في اكتشاف خصائص المواد. في عام 1999، بلغ حجم المبيعات السنوية لمنتجات النانو 50 مليار دولار.

ما هي المواد النانوية؟

النانومتر (نانومتر) هو وحدة الطول، والنانومتر الواحد يساوي 10-9 أمتار (جزء من مليار جزء من المتر). وبالنسبة للمادة العيانية فإن النانومتر وحدة صغيرة جدًا. يبلغ قطر شعرة الإنسان عموماً 7000-8000 نانومتر، بينما يبلغ قطر خلايا الدم الحمراء البشرية عموماً 3000-5000 نانومتر، والفيروس العام أيضاً يتراوح بين عشرات ومئات النانومترات، وحجم حبيبات المعادن عموماً في مقياس الميكرون. وبالنسبة للمادة الميكروسكوبية مثل الذرات والجزيئات وما إلى ذلك، والتي كان يتم التعبير عنها بالأنجستروم، فالأنجستروم هو قطر ذرة الهيدروجين، والنانومتر هو 10 أنجستروم.

ومن المعتقد بشكل عام أن المواد النانوية يجب أن تتضمن شرطين أساسيين: أحدهما أن يكون الحجم المميز للمواد النانوية ما بين 1 و100 نانومتر، والآخر أن المواد النانوية لها بعض الخصائص الفيزيائية والكيميائية الخاصة التي تميز المواد ذات الحجم الطبيعي في هذا الوقت.

تشير المواد النانومترية إلى المواد التي يكون لها بعد واحد على الأقل في حجم النانومتر (0.1-100 نانومتر) في الفضاء ثلاثي الأبعاد أو تتكون منها كوحدات أساسية، أي بحجم 10 إلى 100 ذرة متراصة مع بعضها البعض. في الوقت الحالي، للمواد النانوية التطبيقات التالية.

المواد النانوية الطبيعية

تضع السلاحف البحرية بيضها بالقرب من ساحل فلوريدا في الولايات المتحدة. ومع ذلك، يتعين على صغار السلاحف بعد الولادة السباحة إلى المياه القريبة من المملكة المتحدة للبقاء على قيد الحياة والنمو بحثًا عن الطعام. وفي نهاية المطاف، تعود البالغات إلى ساحل فلوريدا لتضع بيضها. يستغرق الأمر حوالي خمس إلى ست سنوات ذهاباً وإياباً. لماذا تستطيع السلاحف السفر عشرات الآلاف من الكيلومترات؟ في الواقع، إنها تعتمد على مواد مغناطيسية متناهية الصغر داخل رؤوسها لتتمكن من التنقل بشكل صحيح.

كما وجد علماء الأحياء الذين يدرسون سبب عدم ضياع كائنات مثل الحمام والدلافين والفراشات والنحل، مواد نانوية في أجسامها لتوجيهها.

المواد المغناطيسية النانوية

معظم المواد النانوية المستخدمة في الممارسة العملية هي مواد اصطناعية. ونظرًا لصغر حجمها وبنيتها أحادية المجال وإكراهها العالي، فإن مواد التسجيل المغناطيسية المصنوعة من الجسيمات النانوية ليست فقط أفضل في جودة الصوت والصورة ونسبة الإشارة إلى الضوضاء، بل تتمتع أيضًا بكثافة تسجيل أعلى بعشرات المرات منγ-Fe2O3. يمكن أيضًا تحويل الجسيمات النانوية المغناطيسية القوية المغناطيسية الفائقة المغناطيسية إلى سوائل مغناطيسية في مجالات الأجهزة الصوتية الكهربائية، وأجهزة التخميد، ومواد الختم الدوارة، والتشحيم، والتشحيم والتزييت المعدني.

المواد الخزفية النانوية

ليس من السهل انزلاق حبيبات مادة السيراميك التقليدية، فالمادة هشة ودرجة حرارة التلبيد عالية، بينما تحتوي السيراميك النانوي على حبيبات صغيرة تتحرك بسهولة فوق الحبيبات الأخرى. لذلك، تتمتع السيراميك النانوي بقوة عالية وصلابة عالية وليونة جيدة، مما يجعل مواد السيراميك النانوي يمكن معالجتها على البارد في درجة حرارة الغرفة أو تحت درجة حرارة عالية.

مستشعر النانو

زركونيا النانو، وأكسيد النيكل، وثاني أكسيد الني كل ، وث اني أكسيد التيتانيوم ، وغيرها من السيراميك حساسة جداً للتغيرات في درجات الحرارة والأشعة تحت الحمراء وعوادم السيارات. ونتيجة لذلك، يمكن استخدامها لصنع مستشعرات درجة الحرارة وكاشفات الأشعة تحت الحمراء وكاشفات عوادم السيارات، مع حساسية كشف أعلى بكثير من المستشعرات الخزفية المماثلة الشائعة.

المواد الوظيفية المتدرجة النانوية

في محركات الهيدروجين والأكسجين الفضائية، يجب أن يكون السطح الداخلي لغرفة الاحتراق مقاومًا لدرجات الحرارة المرتفعة ويجب أن يكون السطح الخارجي ملامسًا لسائل التبريد. ولذلك، يجب أن يكون السطح الداخلي مصنوعًا من السيراميك، بينما يجب أن يكون السطح الخارجي مصنوعًا من المعدن ذي التوصيل الحراري الجيد. ومع ذلك، يصعب ربط السيراميك والمعادن المتكتلة معًا. إذا تم تغيير تركيبة المعدن والسيراميك بشكل تدريجي ومستمر أثناء الإنتاج، يمكن "ربط المعدن والسيراميك ببعضهما البعض"، وفي النهاية، يمكن دمجهما معًا لتشكيل مواد وظيفية متدرجة. عندما يتم خلط جسيمات المعدن والسيراميك النانوية وتشكيلها عن طريق التلبيد وفقًا لمتطلبات تغير محتواها تدريجيًا، يمكن أن تلبي متطلبات مقاومة درجات الحرارة العالية داخل غرفة الاحتراق والتوصيل الحراري الجيد في الخارج.

مواد أشباه الموصلات النانوية

تتمتع مواد أشباه الموصلات مثل السيليكون وزرسينيد الغاليوم بالعديد من الخصائص الممتازة. على سبيل المثال، تأثير النفق الكمومي في أشباه الموصلات النانوية يجعل نقل الإلكترون في بعض المواد شبه الموصلة غير طبيعي، وتنخفض الموصلية، وتنخفض الموصلية الحرارية مع انخفاض حجم الجسيمات، حتى أن القيمة السالبة تظهر. وتلعب جميع الخصائص المذكورة أعلاه دورًا مهمًا في مجال الدوائر المتكاملة كبيرة الحجم (Lsi) والأجهزة الإلكترونية الضوئية. وبما أن الإلكترونات والثقوب التي تولدها جسيمات أشباه الموصلات النانوية تحت الإشعاع الضوئي تتمتع بقدرة قوية على الاختزال والأكسدة، يمكنها أكسدة المواد غير العضوية السامة، وتحليل معظم المواد العضوية، وفي النهاية إنتاج ثاني أكسيد الكربون غير السام وعديم الرائحة والماء وما إلى ذلك. ولذلك، يمكن استخدام الجسيمات النانوية شبه الموصلة لتحفيز تحلل المواد غير العضوية والعضوية بواسطة الطاقة الشمسية.

المواد النانوية المحفزة

تعد الجسيمات النانوية محفزًا ممتازًا. فالجسيمات النانوية صغيرة الحجم، وكبيرة الحجم على السطح، ومختلفة في حالة الرابطة الكيميائية والحالة الإلكترونية على السطح، وغير مكتملة في تنسيق الذرات على السطح، مما يؤدي إلى زيادة الموضع النشط على السطح، مما يجعلها مؤهلة كمحفز.

وتعد هدرجة جزيئات النيكل أو النحاس والزنك النانوية النانوية لبعض المواد العضوية محفزًا ممتازًا ويمكن أن تحل محل محفزات البلاتين أو البلاديوم باهظة الثمن. يمكن لمحفز البلاتين الأسود المحفز النانومتري النانومتري أن يجعل درجة حرارة تفاعل أكسدة الإيثيلين تنخفض من 600 درجة مئوية إلى درجة حرارة الغرفة.

التطبيقات الطبية

يتراوح حجم خلايا الدم الحمراء في الدم من 6000 إلى 9000 نانومتر، في حين أن حجم الجسيمات النانومترية لا يتجاوز بضعة نانومترات، وهو في الواقع أصغر بكثير من خلايا الدم الحمراء، لذلك يمكنها التحرك بحرية في الدم. إذا تم حقن مجموعة متنوعة من الجسيمات النانوية العلاجية في أجزاء مختلفة من الجسم، يمكن فحصها وعلاجها، وهو أكثر فعالية من الحقن والأدوية التقليدية.

مواد الكربون قابلة للذوبان بشكل كبير في الدم. في القرن الحادي والعشرين، يتم ترسيب صمامات القلب الاصطناعية على الركيزة المادية بطبقة من الكربون الحراري أو الكربون الشبيه بالماس. ومع ذلك، فإن عملية الترسيب هذه معقدة ولا تنطبق عمومًا إلا على تحضير المواد الصلبة.

يتم تحضير كيس الغاز التداخلي والقسطرة بشكل عام باستخدام مادة البولي يوريثين عالية المرونة. ومن خلال إدخال مواد الأنابيب النانوية الكربونية ذات نسبة الطول إلى القطر العالية وذرات الكربون النقي في البولي يوريثان ذي المرونة العالية، يمكننا جعل مادة البوليمر هذه تحافظ على خصائصها الميكانيكية الممتازة وسهولة معالجتها وتشكيلها، ومن ناحية أخرى، يمكن الحصول على قابلية أفضل للذوبان في الدم.

أظهرت النتائج أن المركب النانوي كان أقل عرضة للتسبب في انحلال الدم وأقل عرضة لتنشيط الصفائح الدموية؛ ويمكن أن يؤدي استخدام تكنولوجيا النانو إلى جعل عملية إنتاج الأدوية أكثر دقة وأكثر دقة، واستخدام ترتيب الذرات والجزيئات على نطاق المواد النانوية مباشرة لصنع أدوية ذات وظائف محددة; ستسهل الجسيمات النانوية انتقال الأدوية عبر الجسم، حيث يمكن للأدوية الذكية المغلفة بطبقات من الجسيمات النانوية أن تبحث عن الخلايا السرطانية وتهاجمها بفاعلية أو ترمم الأنسجة التالفة؛ ويمكن لأدوات التشخيص الجديدة التي تستخدم تكنولوجيا النانو أن تكشف عن الأمراض من خلال البروتينات والحمض النووي في كمية صغيرة من الدم. يمكن تعديل الخصائص الخاصة للجسيمات النانوية على سطح الجسيمات النانوية لتشكيل بعض ناقلات الأدوية مع إطلاق مستهدف يمكن التحكم فيه وسهولة الكشف، مما يوفر طريقة جديدة لعلاج التغيرات المرضية الموضعية في الجسم ويفتح اتجاهًا جديدًا لتطوير الأدوية.

الكمبيوتر النانوميكانيكي النانوميكانيكي

وُلد أول كمبيوتر إلكتروني في العالم في عام 1945، وتم تطويره بنجاح بالاشتراك بين الجامعات الأمريكية والجيش، وهو عبارة عن 18000 أنبوب، يبلغ وزنه الإجمالي 30 طنًا، ويغطي مساحة حوالي 170 ㎡. إنه جامبو، ولكن يمكنه إجراء 5000 عملية في ثانية واحدة فقط.

بعد مرور نصف قرن، حقق تطور تكنولوجيا الدوائر المتكاملة، والإلكترونيات الدقيقة، وتكنولوجيا تخزين المعلومات، ولغة الكمبيوتر، وتكنولوجيا البرمجة، تقدمًا سريعًا في تكنولوجيا الكمبيوتر. حواسيب اليوم صغيرة بما يكفي لوضعها على طاولة. وهي تزن عُشر وزن الحواسيب التي سبقتها، لكنها أسرع بكثير من الحواسيب الإلكترونية الأولى.

إذا تم استخدام تكنولوجيا النانو في بناء أجهزة الحواسيب الإلكترونية، فإن الحاسوب المستقبلي سيكون نوعًا من "الحاسوب الجزيئي". وهو أكثر إحكاماً بكثير من حواسيب اليوم وسيحقق فوائد كبيرة للمجتمع في توفير المواد والطاقة.

ويجري بالفعل إنتاج رقاقات ذاكرة من فئة المواد النانوية التي يمكنها قراءة البطاقات على الأقراص الصلبة وتحتوي على ذاكرة أكبر بآلاف المرات من الرقائق. ويمكن تقليص حجم الحواسيب إلى حجم كف اليد بعد استخدام المواد النانوية على نطاق واسع.

CNT (أنابيب الكربون النانوية)

في عام 1991، أنتج الخبراء اليابانيون مادة تسمى الأنابيب النانوية الكربونية. وهي عبارة عن أنبوب مصنوع من عدد من ذرات الكربون الدائرية سداسية الشكل، أو يمكن أن تكون مصنوعة من عدة أنابيب متحدة المحور. وغالباً ما يكون طرفا الأنبوب أحادي الطبقة ومتعدد الطبقات مختومين، كما هو موضح هنا.

ويكون قطر وطول الأنبوب المصنوع من ذرات الكربون في هذا الأنبوب المصنوع من ذرات الكربون كلها نانوية، لذلك يطلق عليه اسم الأنبوب النانوي الكربوني. وتزيد قوة شدها 100 مرة عن قوة شد الفولاذ، كما أن توصيلها أعلى من النحاس.

يتم تسخين الأنابيب النانوية الكربونية في الهواء إلى 700 درجة مئوية أو نحو ذلك لجعل الأنبوب في الجزء العلوي من الجهاز الشبيه بالكماشة لذرة الكربون بسبب تلف الأكسدة، وتصبح الأنابيب النانوية الكربونية مفتوحة. بعد ذلك، يتبخر المعدن منخفض الذوبان (مثل الرصاص) بواسطة شعاع الإلكترون ويتكثف على الأنابيب النانوية الكربونية المفتوحة. ونتيجة للشفط، يدخل المعدن إلى القلب المجوف للأنبوب النانوي الكربوني. ونظراً للقطر الصغير للغاية للأنابيب النانوية الكربونية، تكون الأسلاك المعدنية المتكونة داخل الأنابيب رقيقة جداً أيضاً. وتسمى الأسلاك النانوية. لذلك، قد تصبح الأنابيب النانوية الكربونية مع الأسلاك النانوية موصلات فائقة جديدة.

لا تزال تكنولوجيا النانو في المرحلة الجنينية في البلدان في جميع أنحاء العالم. وعلى الرغم من أن عدداً قليلاً من البلدان، مثل الولايات المتحدة واليابان وألمانيا، قد بدأت في التبلور، إلا أنها لا تزال في مرحلة البحث، ولا تزال النظريات والتقنيات الجديدة في طور النشوء.

الأجهزة المنزلية

يتميز البلاستيك النانو متعدد الوظائف المصنوع من المواد النانوية بوظائف مضادة للبكتيريا وإزالة الروائح الكريهة والتعقيم ومكافحة الشيخوخة ومكافحة الأشعة فوق البنفسجية، والتي يمكن استخدامها كبلاستيك مضاد للبكتيريا لإزالة الروائح الكريهة في غلاف الثلاجة ومكيف الهواء.

حماية البيئة

سيكون هناك أغشية نانوية ذات وظائف فريدة في مجال العلوم البيئية. يمكن للغشاء اكتشاف التلوث الناجم عن العوامل الكيميائية والبيولوجية ويمكنه تصفية تلك العوامل للقضاء على التلوث.

صناعة المنسوجات

تُضاف مواد مسحوقنانو-سي أو 2 والنانو-زنو والنانو-سي أو 2 المركب إلى راتنج الألياف الاصطناعية. بعد سحبها ونسجها، يمكن تحويل الملابس الداخلية والملابس إلى ملابس داخلية وملابس جاهزة للتعقيم ومنع العفن وإزالة الروائح الكريهة ومقاومة الأشعة فوق البنفسجية. إلى جانب ذلك، يمكن استخدامه في تصنيع الملابس الداخلية المضادة للبكتيريا، واللوازم، ويمكن تصنيعه لتلبية متطلبات الألياف الوظيفية المضادة للأشعة فوق البنفسجية في صناعة الدفاع.

الصناعة الهندسية

يتم تطبيق طلاء مسحوق النانو على السطح المعدني للأجزاء الميكانيكية الرئيسية لتحسين مقاومة التآكل والصلابة وعمر خدمة المعدات الميكانيكية.