مدخل الى علم كيمياء النانو - ساينسوفيليا
مقدمة في علم كيمياء النانو
بقلم/أحمد الأزهري
مراجعة : د هبة هاشم
ما هو علم النانو وما هو الهدف من تقنية النانو ومما تتكون المواد النانوية ؟؟؟؟
يعتبر علم النانو من أهم العلوم منذ منتصف القرن الحادي والعشرين من حيث الاستخدامات وهذا العلم يحتل مكانة مميزه بين العلوم منذ اكتشافه فهو يخدم العديد من المجالات العلمية ...
علم النانو: هو مصطلح عام يصور التطبيقات في العديد من المجالات العلمية حول المبادئ والخصائص الموجودة على مقياس نانومتر (جزء من الالف من الميكروميتر اي أنه جزء من المليون من الملميتر)، أي على مستوى الذرات والجزيئات...
الهدف من تقنية النانو الحصول علي مواد أصغر حجما من 100 نانومتر من نفس المادة وبذلك نحصل علي مساحة سطح أكبر مما يؤدي إلى اختلاف خواص المادة كيميائيا وفيزيائيا وبالتالي تتعدد استخداماتها وتطبيقاتها في مختلف المجالات ..
مما تتكون المواد النانوية: المواد النانوية عبارة عن معادن أو سيراميك أو كربون أو بوليمرات أو سيليكات التي تتمتع بخصائص محددة مقارنة بنفس المواد المتكونة منها في حجم النانو على نطاق مجهري..
ويتم إنتاج المواد النانوية في المعمل صناعيا اي من الممكن التحكم في التفاعل على عكس الجسيمات الدقيقة جدًا بصورتها الطبيعية أو الناتجة عن الاحتراق.
• تحضير المواد النانوية:
تعد اليوم المواد النانوية مكونات أساسية في العديد من التطبيقات، بما في ذلك الطب وأشباه الموصلات والحفز والطاقة. ويتراوح حجمها بين 1-1000 نانومتر. في المقاييس الأصغر حجمًا، يمكن للجسيمات أن تتصرف بشكل مختلف عن نظيراتها الكبيرة. على سبيل المثال، عندما تصبح الجسيمات أصغر، تزداد مساحة سطحها بشكل كبير. وهذا يسمح بظهور خصائص مثل التوصيل الكهربائي والحراري المتزايد، ونقاط الانصهار المنخفضة، والمغناطيسية الأقوى أو الخصائص البصرية الفريدة. لتطوير المواد المتقدمة، توفر القدرة على استخدام المواد بهذا الحجم باستمرار ثروة من الفرص في كثير مجالات مثل الطاقة النظيفة، والحفز، وأجهزة الاستشعار على سبيل المثال لا الحصر والجمع.
كيف يتم تحضير جسيمات نانوية؟؟
عادة ما يتم تصنيع الجسيمات النانوية من إحدى النهجين الآتيين
1- أعلى إلى أسفل Top-Down.
2-أسفل إلى أعلى Bottom-up.
تعتمد الطريقة التصاعدية على نواة المواد ذات الحجم الذري في الجسيمات النانوية النهائية، بينما تعتمد طريقة التوليف الدقيقة على المادة التي يتم إنتاجها.
فإن بعض الطرق الشائعة تشتمل طريقة للعالم والملحن Turkevich (اختزال السترات)، وتخليق طور الغاز، وتخليق كتلة البوليمر المشترك، وأخيرا التخليق الميكروبي.. حيث يتم تكسير المادة لتكوين جزيئات أصغر باستخدام بعض الطرق كالطحن والاستئصال بالليزر Laser ablation والاستئصال بالشرارة الكهربية.
غالبًا ما تسمى طرق التحضير من أسفل إلى أعلى بالطرق "الرطبة" نظرًا لأنها تتم بالستخدام بعض المذيبات والمواد الكيميائية الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما يجب تثبيت الجسيمات أو حفظها في المحلول لضمان عدم تفاعلها مع بعضها البعض وعودتها في حجمها الأصلي بعد نطاق المقياس النانوي.
بعد ذلك تحتاج الجسيمات عادةً إلى نقلها من محاليلها لتطبيقها أو توصيفها. يمكن تحقيق ذلك عن طريق إسقاط المحلول على الركيزة (المواد المثبته). ومع ذلك، في بعض التطبيقات، مثل الحفز، قد يكون من الضروري أيضًا إزالة المثبتات من سطح الجسيمات النانوية بعد تثبيتها على الدعم النهائي. يمكن أن تكون عملية الإزالة صعبة أو مستحيلة، مما يؤدي إلى عدم استخدام هذه الجسيمات للغرض المقصود منها.
وأيضا تتطلب طريقة التحضير الرطب هذه قدرًا كبيرًا من الوقت والمواد الكيميائية، وقد تتلوث المادة الناتجة ببقايا من المحلول. اذا ماهي الطريقة البديلة ؟؟؟؟؟؟
الطريقة البديلة الواعدة للتحضير الرطب هو الاجتثاث.....
يستخدم الاجتثاث بالشرارة بين قطبين من المعدن المختار ويطبق شرارة عالية الجهد (1-10 ميكروثانية) على القطبين. تنتج الشرارة رذاذًا من الجزيئات النقية من المعدنين المستأصلين، ثم يتم نقلهما بعد ذلك إلى ركيزة أسفل المجرى. وتتكون الجسيمات النانوية الناتجة من المعدن النقي ..
وهذه الطريقة لا تتطلب خطوات معالجة لاحقة مثل التجفيف أو تحلل الفاعل بالسطح. وبالتالي فإن عملية الاجتثاث بالشرارة هي طريقة أكثر أمانًا واقتصادية لإنتاج أبحاث عالية الجودة أو جسيمات نانوية من درجة عالية الإنتاج.
تصنيع الجسيمات النانوية بالشرارة:
يتطلب شرارة الاجتثاث مولد تفريغ شراري والذي يحتوي على الأجزاء الأساسية التالية :
1. أقطاب من المعدن المفضل
2. مدخل غاز الناقل
3. الركيزة لجمع الجسيمات
4. مصدر الجهد
5. مدخل الغاز التفاعلي (اختياري)
• بعض تطبيقات الجسيمات النانوية أجمالا علي سبيل الذكر وليس الحصر:
- توجد الجسيمات النانوية حاليًا في مجموعة متنوعة من المنتجات الاستهلاكية. يمكن وضعها كحشو أو طلاءات للحماية من الأشعة فوق البنفسجية، وهي مهمة في النوافذ، والعدسات، وواقي الشمس.
- يمكن دمج الخصائص المعروفة المضادة للميكروبات للمواد مثل الفضة والنحاس كجسيمات نانوية للحفاظ على الأطعمة المعبأة طازجة أو لتقليل الرائحة في الجوارب...
- في الطب، تمت دراسة جسيمات الذهب النانوية على نطاق واسع كعامل محتمل لتوصيل الأدوية المستهدفة وكشف السرطان.
- تستخدم بعض المواد النانوية في تصنيع هيكل المركبات الفضائية مما يمنحها وزن أقل و بالتالي تقلل من كم الوقود المتطلب لدفعها.
- بالنسبة لتحفيز التفاعل الكيميائية، فإن فعالية الجسيمات النانوية مقارنة بالمواد السائبة مدفوعة بشكل أساسي بالزيادة الهائلة في مساحة السطح عندما يتناقص حجم الجسيمات. يؤدي هذا إلى تطبيق أكثر كفاءة للمادة الحفازة في مجال التفاعلات والتحضيرات الكيميائية المختلفة...
المصادر:
التعليقات على الموضوع