علم النانو هو دراسة المبادىء الأساسية للجزيئات والمركبات التي لا يتجاوز قياسها 100 نانومتر وذلك من خلال التحكم في تفاعل الجزيئات الداخلة في التفاعل وتوجيهها من خلال إنتاج مادة معينة وهذا النوع من التفاعل يُعرف بالتصنيع الجزئي ووضع الذرات أثناء التفاعل في مكانها الصحيح أو المناسب, فمثلاً لو تم توجيه وضع ذرات الكربون في الفحم عند إجراء التفاعل فإنه يمكن إنتاج الألماس وكذلك لو تم توجيه وضع ذرات الرمل عند إجراء التفاعل يمكن إنتاج المواد المستخدمة في إنتاج شرائح الكمبيوتر.
📌 بعض الأمثلة التي تدل على مدى صغر ودقة النانومتر :• طول الفيروس يتراوح بين 10 نانومتر إلى 100 نانومتر.• قطر خلية الدم الحمراء يبلغ حوالي 5000 نانومتر.• صفحة من الورق يبلغ سمكها 100.000 نانومتر.• سمك شعرة الإنسان يتراوح بين نانومتر 50000إلى100000 نانومتر.
📌 أهمية تقنية النانو :تأتي أهميتها نظراً لأن تطبيقاتها واختراعاتها تستخدم في شتى مجالات حياتنا: الطبية والحيوية والزراعية والصناعية والالكترونية والبتروكيميائية والعسكرية .لأنها قد تحل مشاكل العصر كأزمة المياه وموارد الطاقة والصحة والفقر والبطالة لتوفيرها فرص عمل وانخفاض تكلفة بعض منتجات هذه التقنية وتطوير موارد للطاقة واكتشاف طرق جديدة لعلاج تنقية المياه.لأنها ستؤثر في الاقتصاد العالمي للقرن الحالي وقد وصلت إلى 5.4 مليار دولار في الصين عام 2005 وفقاً لتقرير سوق تقنية النانو العالمي RNCOS.
📌 طرق الحصول على حجم نانوي:يوجد طريقتان الأولى هي:من أعلى إلى أسفل أي نبدأ من حجم محسوس من المادة نستخدم تقنيات1) كالحفر الضوئي يتم الحفر بطريقة كيميائية أو الكتروكيميائية، الطريقة الالكتروكيميائية تتم بوضع شريحة المادة في القطب الموجب وشريحة بولي كاربونات في القطب السالب ويمر التيار الكهربائي وهي داخل حمام كيميائي يساعد على الحك فتخرج الجسيمات النانوية.الطريقة الكيميائية تتم بوضع شرائح رقيقة من المادة في مواد كيميائية تقوم بحك الشرائح فتخرج جسيمات نانوية من الشرائح على سطحها ثم توضع في محلول مثل الميثانول وتدخل في جهاز الموجات فوق الصوتية فتسقط الجسيمات النانوية من سطح الشرائح و تتعلق في المحلول.2) طريقة الطحن: وهي طريقة ميكانيكية تنتج مسحوق نانوي (بودرة) بحجم من 3 إلى 25نانومتر, حيث تضع المادة تحت طاقة عالية جداً ويتم طحنها بواسطة كرات فولاذية تتحرك بعدة طرق.بالطريقة الأولى نقسمها إلى أجزاء أصغر فأصغر, نصل لحجم 100 نانومتر تقريباً.الطريقة الثانية هي:من أسفل إلى أعلى: نبدأ من ذرة أو جزيء من المادة, نستخدم طرقاً كيميائية كطريقة السائل-هلامي.نجمعها في تركيب أكبر فأكبر, نصل لحجم 1نانومتر.ملاحظة: تكتسب المادة الناتجة خصائص جديدة غير موجودة في المادة بحجمها الطبيعي .
📌 أسباب تغيّر خصائص الجسيمات النانوية:1) حجم الجسيمات: بالرغم من أن خصائص المواد كالتوصيل واللون لا تتغير بتغير الحجم إلا عندما يصل حجمها إلى مقياس النانومتر فإن خصائصها تتغير، مثلاً السيليكون بالحجم الطبيعي يعتبر مادة معتمة لا تشع أما عندما يكون بحجم 3nm يشع بالأحمر وعندما يكون بحجم 1nm يشع بالأزرق.2) شكل الجسيمات: قد يكون أنبوبياً أو سداسياً أو كروياً أو غيرها من الأشكال، وبخلاف الأجسام الأكبر من مقاييس النانومتر، فإن خصائصها لا تختلف مثل مكعب أو لوح الخشب.3) تركيب الجسيمات: أي ما نوع الذرات والجزيئات التي يتركب منها الجسيم النانوي وما عددها .4) درجة التجمع: بعض الجسيمات النانوية تكون الجزيئات أو الذرات فيها متباعدة، والبعض الآخر تكون جزيئاتها أو ذراتها متكتلة متلاصقة ببعضها البعض، واختلاف درجة تجمع الجزيئات من جسيم لآخر يسبب تغيّر الخصائص.5) التوزيع: قد يكون توزيع الجزيئات أو الذرات داخل الجسيم منتظماً أو غير منتظم، وقد يكون مستقراً أو غير مستقر فمثلاً جزيئات السيليكون متوزعة بانتظام في المحلول فيشع المحلول كله، لكن بعد تركها لعدة أيام يصبح توزيعها غير منتظم وتنزل للقاع فلا يعد المحلول يشع بالكامل.6) الحصر الكمي: تختلف صفات المادة باختلاف انحصارها الكمي، فبعض المواد تكون ذراتها محصورة في بعدين فتكون حركة الإلكترونات في اتجاه واحد كحركة الماء في الأنابيب.وبعض المواد تكون الذرات فيها محصورة في بعد واحد فتكون حركة الإلكترونات في اتجاهين مثل البئر الكمي.
📌 خصائص بعض الجسيمات النانوية:الخصائص الكيميائية: إذا كانت الجسيمات النانوية متجانسة وبنفس الحجم فإن تفاعلها يزداد.الخصائص الفيزيائية: صلابة عالية مع قلة وزنها.الخصائص الضوئية: إذا كان حجم الجسيم النانوي أقل من الطول الموجي الحرج للضوء، فإن الجسيم يصبح شفافاً .الخصائص الحرارية: كلما قل حجمها قلت درجة حرارة إذابتها.الخصائص الكهربائية: يمكن التحكم بالطاقة الكامنة للأيون بالتحكم بحجم الجسيم النانوي وطبيعته الكيميائية.الخصائص المغناطيسية: كلما قلَّ حجمها زادت مغناطيسيتها.
📌 أشكال المواد النانوية:يمكن تصنيف المواد النانوية حسب أشكالها فهناك النقاط والكرات والأنابيب والأسلاك والألياف ولكل منها تركيب وخصائص ومقياس لقطرها وطولها ولكل منها أيضاً استخدامات مميزة, سنتحدث في مقالنا عن الألياف النانوية
📌 تعريف الألياف النانوية: هي مواد نانوية بشكل ألياف بقطر أقل من 100 نانومتر. وقد لاقت مؤخراً اهتماماً كبيراً نظراً لتطبيقاتها الصناعية, وقد اكتشف العديد من أشكالها كالألياف السداسية والحلزونية والألياف الشبيهة بحبة القمح. إن الجزء الجانبي لليف النانوي اللويحي أو الأنبوبي له شكل سداسي مثلاً وليس اسطواني، من أشهر الألياف النانوية تلك المصنوعة من ذرات البوليمرات.أشكال الألياف النانوية: ألياف سداسية أو حلزونية أو بشكل حبة القمح.
📌 خصائص الألياف النانوية:1-نسبة سطحها إلى حجمها كبيرة 2-تتميز بخواص الصلابة وقوة الشد3-صعبة التحكم في استمراريتها واستقامتها وتراصفها
📌استخدامات الألياف النانوية:1- في الطب وزراعة الأعضاء كالمفاصل والتئام الجروح.2- مرشحات لتقنية السوائل والغازات مثل ألياف الأمونيا الموجبة.3- في التطبيقات العسكرية كتقليل مقاومة الهواء.4- تطبيقات صناعية.5- نقل الأدوية في الجسم
.📌 طرق تحضير الألياف النانوية:التدوير الكهربي، البلمرة.ختاماً مازالت التكنولوجيا تتطور ولا نعلم إلى أي حدٍ ومن الممكن أن تصل إلى تقنيات أصغر من النانو فالأبحاث مازالت جاريةٌ على ذلك.
إعداد: آية عبدالعال
حول الكاتب
