وقد لوحظ أن الخصائص الكمومية للمادة يمكن أن تختلف على مقياس النانو. يمكن للمادة التي تتصرف كعازل على المستوى الجزيئي أن تعبر عن خصائص الموصل عند النظر إلى مستواه النانوي. ظهرت تقنية النانو كمنهج بحث يتعامل مع دراسة التغيير في خصائص المادة على مقياس النانو. إنه ينطوي على الدراسة التوافقية لمختلف العلوم مثل فيزياء الكم وفيزياء أشباه الموصلات والمواد تصنيع ، إلخ .. على مستوى النانو. تُعرف المواد التي تتكون باستخدام مبادئ وطرق تقنية النانو ، والتي تقع خصائصها بين خصائص المواد الصلبة العيانية والأنظمة الذرية ، باسم المواد النانوية.
ما هي المواد النانوية؟
يشير مصطلح المقياس النانوي إلى أبعاد 10-9أمتار. إنه الجزء المليار من المتر. لذلك ، فإن الجسيمات التي يقع أي من أبعادها الخارجية أو أبعاد الهيكل الداخلي أو أبعاد هيكل السطح في نطاق من 1 نانومتر إلى 100 نانومتر تعتبر مواد نانوية.
هذه المواد غير مرئية للعين المجردة. يعتبر النهج القائم على علم المواد لتقنية النانو للمواد النانوية. في هذا المقياس ، تتمتع هذه المواد بخصائص بصرية وإلكترونية وميكانيكية وكمية فريدة مقارنة بسلوكها على المستوى الجزيئي.
يمكن أن تكون المادة النانوية جسمًا نانويًا أو مادة ذات بنية نانوية. كائنات ناو هي قطع منفصلة من المواد ، من ناحية أخرى ، المواد ذات البنية النانوية لها هيكلها الداخلي أو السطحي في البعد النانوي.
يمكن أن تكون المواد النانوية ذات وجود طبيعي أو مصطنعة أو متكونة بالصدفة. مع التقدم في البحث ، يتم تسويق المواد النانوية واستخدامها كسلع.
خصائص المواد النانوية
تغيير جذري في خصائص المواد النانوية يمكن ملاحظتها عند انهيارها إلى المستوى النانوي. مع تقدمنا نحو المستوى النانوي من المستوى الجزيئي ، يتم تعديل الخصائص الإلكترونية للمواد بسبب تأثير الحجم الكمي. يمكن ملاحظة التغيير في الخصائص الميكانيكية والحرارية والحفازة للمواد مع زيادة مساحة السطح إلى نسبة الحجم على مستوى المقياس النانوي.
تبدأ العديد من مواد العازل في التصرف كموصلات في أبعادها النانوية. وبالمثل ، عندما نصل إلى أبعاد المقياس النانوي ، يمكن ملاحظة العديد من الظواهر الكمية والسطحية المثيرة للاهتمام.
حجم الجسيمات ، والشكل ، والتركيب الكيميائي ، والبنية البلورية ، والاستقرار الكيميائي الفيزيائي ، ومساحة السطح ، وطاقة السطح ، إلخ ... تنسب إلى الخصائص الفيزيائية الكيميائية للمواد النانوية. مع زيادة مساحة السطح إلى نسبة الحجم للمواد النانوية ، يصبح سطحها أكثر تفاعلًا مع نفسه والأنظمة الأخرى. يلعب حجم المواد النانوية دورًا مهمًا في سلوكها الدوائي. عندما تتفاعل المواد النانوية مع الماء أو وسائط التشتت الأخرى ، يمكنها إعادة ترتيب هيكلها البلوري. يؤثر الحجم والتركيب والشحنة السطحية للمواد النانوية على حالات تجميعها. تتأثر الخصائص المغناطيسية والفيزيائية والكيميائية والحركية النفسية لهذه المواد بطلاء السطح. تنتج هذه المواد أنواع الأكسجين التفاعلية عندما يتفاعل سطحها مع الأكسجين والأوزون والمواد الانتقالية.
على المستوى النانوي ، يكون التفاعل بين الجسيمات إما بسبب قوى فان دير وال أو الروابط القطبية أو التساهمية القوية. يمكن تعديل خصائص سطح المواد النانوية وتفاعلها مع العناصر والبيئات الأخرى باستخدام الإلكتروليتات المتعددة.
أمثلة
يمكن العثور على المواد النانوية إما كمواد نانوية هندسية أو عرضية أو وجود طبيعي. يتم تصنيع المواد النانوية الهندسية من قبل البشر مع بعض الخصائص المرغوبة. وهي تشمل أسود الكربون والمواد النانوية لثاني أكسيد التيتانيوم. يتم إنتاج الجسيمات النانوية أيضًا بسبب العمليات الميكانيكية أو الصناعية التي تحدث أثناء عوادم المركبات وأبخرة اللحام والطهي وتسخين الوقود. تُعرف أيضًا المواد النانوية في الغلاف الجوي التي يتم إنتاجها عرضًا باسم الجسيمات متناهية الصغر. الفوليرين هي المادة النانوية الناتجة عن احتراق الشمعة والكتلة الحيوية.
الأنابيب النانوية
تتشكل المواد النانوية الطبيعية الموجودة نتيجة للعديد من العمليات الطبيعية مثل حرائق الغابات ، والرماد البركاني ، ورذاذ المحيطات ، وتجوية المعادن ، وما إلى ذلك ... بعض أمثلة على المواد النانوية يوجد في النظم البيولوجية هيكل بلورات الشمع التي تغطي اللوتس ، وبنية الفيروسات ، وحرير سوس العنكبوت ، واللون الأزرق لعناكب الرتيلاء ، وقشور أجنحة الفراشة. الجسيمات مثل الحليب والدم والقرن والأسنان والجلد والورق والشعاب المرجانية والمناقير والريش ومصفوفة العظام والقطن والأظافر وما إلى ذلك .. كلها مواد عضوية نانوية طبيعية. الطين هو مثال على المواد النانوية غير العضوية التي تحدث بشكل طبيعي ، حيث تتشكل بسبب نمو البلورات في ظروف كيميائية متنوعة على قشرة الأرض.
تصنيف
يعتمد تصنيف المواد النانوية بشكل أساسي على التشكل وهيكلها ، ويتم تصنيفها إلى مجموعتين رئيسيتين كمواد مدمجة وتشتت نانوي. يتم تصنيف المواد النانوية الموحدة كذلك إلى عدة مجموعات. تسمى أنظمة التشتيت النانوية أحادية البعد باسم مساحيق النانو وجسيمات النانو. هنا يتم تصنيف الجسيمات النانوية بشكل إضافي على أنها بلورات نانوية ، نانوكلاستر ، أنابيب نانوية ، جزيئات فائقة ، إلخ.
بالنسبة للمواد النانوية ، الحجم هو سمة مادية مهمة. غالبًا ما يتم تصنيف المواد النانوية اعتمادًا على عدد أبعادها التي تندرج تحت المقياس النانوي. تسمى المادة النانوية التي تكون أبعادها الثلاثة بمقياس نانوي ولا يوجد فرق كبير بين المحاور الأطول والأقصر ، الجسيمات النانوية. تسمى المواد ذات البعدين في المقياس النانوي بالألياف النانوية. تُعرف الألياف النانوية المجوفة باسم الأنابيب النانوية والألياف الصلبة تُعرف باسم Nanorods. تُعرف المواد ذات البعد الواحد في المقياس النانوي باسم الصفائح النانوية. تُعرف الألواح النانوية ذات الأبعاد الأطول المختلفة باسم Nanoribbons.
استنادًا إلى مراحل المادة التي تحتويها المواد ذات البنية النانوية ، يتم تصنيفها على أنها مواد متناهية الصغر ، ورغوة نانوية ، ومواد متناهية الصغر ومتناهية الصغر. المواد الصلبة التي تحتوي على الأقل منطقة متميزة ماديًا أو كيميائيًا مع منطقة واحدة على الأقل ذات أبعاد في المقياس النانوي تسمى مركبات النانو. تحتوي الرغوة النانوية على مصفوفة سائلة أو صلبة ، مملوءة بمرحلة غازية وإحدى المرحلتين لها أبعاد في المقياس النانوي.
تعتبر المواد الصلبة ذات الثقوب النانوية ، التجاويف ذات الأبعاد على المقياس النانوي بمثابة مواد نانوية. تحتوي المواد البلورية النانوية على حبيبات بلورية في المقياس النانوي.
تطبيقات المواد النانوية
اليوم يتم تسويق المواد النانوية بشكل كبير. بعض المواد النانوية التجارية المتوفرة في السوق هي مستحضرات التجميل ، والمنسوجات المقاومة للإجهاد ، والإلكترونيات ، واقيات الشمس ، والدهانات ، وما إلى ذلك ... تُستخدم الطلاءات النانوية والمركبات النانوية في العديد من المنتجات الاستهلاكية مثل المعدات الرياضية ، والنوافذ ، والسيارات ، إلخ .. لحماية الضرر. بسبب المشروبات من أشعة الشمس ، يتم طلاء الزجاجات بطلاء نانوي يمنع الأشعة فوق البنفسجية. يتم تصنيع كرات التنس التي تدوم طويلاً باستخدام مركبات النانو الطين. تستخدم السيليكا النانوية كحشو في حشوات الأسنان.
تستخدم الخصائص الضوئية للمواد النانوية لتشكيل أجهزة الكشف الضوئية وأجهزة الاستشعار والليزر وشاشات العرض والخلايا الشمسية. تستخدم هذه الخاصية أيضًا في الطب الحيوي والكيمياء الكهروضوئية. في خلايا الوقود الميكروبية ، تتكون الأقطاب الكهربائية من أنابيب نانوية كربونية. يستخدم سيلينيد الزنك البلوري النانوي في شاشات العرض لزيادة دقة البكسل التي تشكل أجهزة التلفزيون عالية الدقة وأجهزة الكمبيوتر الشخصية. في صناعة الإلكترونيات الدقيقة ، يتم التأكيد على تصغير الدوائر مثل الترانزستورات والثنائيات والمقاومات والمكثفات.
يتم استخدام الأسلاك النانوية في تشكيل مفاصل الترانزستورات . تُستخدم المواد النانوية أيضًا كمحفزات في المحولات الحفازة للسيارات وأنظمة توليد الطاقة ، للتفاعل مع الغازات السامة مثل أول أكسيد الكربون وأكسيد النيتروجين ، وبالتالي منع التلوث البيئي الناجم عنهما. لزيادة عامل الحماية من الشمس (SPF) في واقيات الشمس يستخدم nano-TiO2. لتوفير سطح نشط للغاية لأجهزة الاستشعار ، يتم استخدام طبقات نانوية هندسية.
تستخدم الفوليرين في السرطان لعلاج الخلايا السرطانية مثل الورم الميلانيني. وقد وجدت هذه أيضًا استخدامها كعوامل مضادة للميكروبات تنشط بالضوء. نظرًا لخصائصها الضوئية والكهربائية ، اختارت النقاط الكمومية والأسلاك النانوية والأذرع النانوية بشدة الإلكترونيات الضوئية. يتم اختبار المواد النانوية للتطبيقات في هندسة الأنسجة ، وتوصيل الأدوية ، وأجهزة الاستشعار الحيوية. إنزيمات النانو هي الإنزيمات الاصطناعية المستخدمة في التحسس الحيوي والتصوير الحيوي واكتشاف الورم.
مزايا وعيوب المواد النانوية
قدمت الخصائص الكهربائية والمغناطيسية والبصرية والميكانيكية للمواد النانوية العديد من التطبيقات الرائعة. لا يزال البحث جاريًا لمعرفة هذه الخصائص. تختلف خصائص المواد النانوية عن تلك الموجودة في نموذج الحجم الأكبر. فيما يلي بعض مزايا المواد النانوية
- مادة نانوية أشباه الموصلات تُظهر جزيئات q تأثيرات الحصر الكمي ، مما يمنحها خاصية التألق.
- مقارنة بالسيراميك الحبيبات الخشنة ، فإن السيراميك النانوي يكون أكثر مرونة في درجات الحرارة المرتفعة.
- تعتبر خاصية اللحام البارد للمساحيق المعدنية النانوية جنبًا إلى جنب مع ليونة مفيدة للغاية في الترابط بين المعدن والمعدن.
- توفر الجسيمات المغناطيسية النانوية المفردة خاصية مغناطيسية فائقة.
- تعمل المجموعات المعدنية ذات البنية النانوية ذات التركيب الأحادي المعدني كسلائف لمحفزات غير متجانسة.
- بالنسبة للخلايا الشمسية ، تشكل أغشية السيليكون النانوية التلامس اتصالًا شديد الشفافية.
- توفر الأفلام المسامية المصنوعة من أكسيد التيتانيوم ذات البنية النانوية انتقالًا عاليًا وتعزيزًا لمساحة السطح العالية.
- التحديات التي تواجه صناعة الإلكترونيات الدقيقة في تصغير الدوائر مثل التبديد الضعيف للحرارة الناتجة عن السرعة العالية المعالجات الدقيقة ، يمكن التغلب على الموثوقية السيئة بمساعدة المواد النانوية. هذه توفر موصلية حرارية عالية ، ومتانة عالية ، وترابط دائم طويل الأمد.
هناك أيضًا بعض العيوب التكنولوجية الموجودة في استخدام المواد النانوية. بعض هذه العيوب هي كما يلي -
- عدم استقرار المواد النانوية.
- مقاومة ضعيفة للتآكل.
- الذوبان العالي.
- عندما تتلامس المواد النانوية ذات المساحة السطحية المرتفعة بشكل مباشر مع احتراق طارد للحرارة للأكسجين ، يحدث انفجار.
- نجاسة
- تعتبر المواد النانوية ضارة من الناحية البيولوجية. هذه لها سمية عالية يمكن أن تؤدي إلى تهيج.
- مادة مسرطنة
- من الصعب التوليف
- لا يوجد التخلص الآمن المتاح
- من الصعب إعادة التدوير
اليوم مع المواد النانوية تكنولوجيا النانو يُحدث ثورة في الطرق التي يتم بها تصنيع المنتجات المختلفة. اسم مادة نانوية عضوية طبيعية؟
