جسيم نانوي

الجسيم النانوي⁽¹⁾ في تقنية النانويعهد أنه جسم يتصرف بوصفه وحدةً كاملةً من حيث انتنطقه وخصائصه. وتصنف أيضا وفق الحجم : من حيث القطر، الجسيمات دقيقة (بالإنجليزية: fine particles)‏ تتراوح ما بين 100 و2500 نانومتر، في حين تُصنف الجزيئات متناهية الصغر (بالإنجليزية: ultrafine particles)‏ بحجم يتراوح بين 1 و100 نانومتر. وبصورةٍ مماثلةٍ للجزيئات متناهية الصغر، فإن الجسيمات النانوية تتراوح ما بين 1 و100 نانومتر. وقد لا تحمل الجزيئات النانوية نفس خصائص المرتبطة بالحجم، والتي قد تختلف بصورةٍ واضحةٍ عن تلك التي يمكن ملاحظتها في الجسيمات الدقيقة أوالمواد السائبة. على الرغم من حتى حجم معظم الجزيئات ستناسب مع العرض السابق، إلا حتى الجزيئات الفردية غالباً ما لا يشار إليها على أنها جسيمات نانوية.

تتسم العناقيد النانوية بوجود بعدٍ واحدٍ على الأقل يتراوح بين 1 إلىعشرة نانومتر بالإضافة إلى توزيع صغير الحجم. كما تعد المساحيق النانوية كتلاً من جسيماتٍ متناهيةٍ الصغر الجسيمات النانوية بالإضافة إلى العناقيد النانوية. وغالباً ما يشار إلى البلورات المفردة نانوية الحجم أوالجسيمات مفردة النطاق متناهية الصغر على أنها بلورات نانوية. وتهجرز أبحاث الجسيمات النانوية حالياً حول الفائدة الفهمية المكثفة، بسبب التنوع العريض للتطبيقات المحتملة في المجالات الطبية الحيوية والبصرية والإلكترونية.

صور (a, b, and c) باستخدام مجهر بث إلكتروني تمثل جسيمات سيليكا نانوية مسامية تم تجهيزها بمقياس القطر الخارجي: (a) 20 نانومتر، (b) 45 نانومتر و(c) 80 نانومتر. أما (d) تمثل صورةً مماثلةً للصورة (b) باستخدام مجهر ماسح إلكتروني. وتمثل مجموعة الصور تلك تكبيراً عالياً لجسيمات السيليكا.

وقد أسفرت مبادرة التقانة النانوية الوطنية عن توفير تمويلاً ضخماً سخياً لأبحاث الجزيئات النانوية في الولايات المتحدة.

خلفية

على الرغم من حتى الجسيمات النانوية تعد اختراعاً في مجال الفهم الحديث، إلا حتى لها تاريخاً قديماً جداً. حيث كان الحرفيين يستخدمون الجسيمات النانوية منذ القرن التاسع الميلادي في بلاد ما بين النهرين بهدف الحصول على تأثيرٍ براقٍ لأسطح الأواني والقدور.

وحتى في أيامنا هذه، فإن صناعة الفخار في العصور الوسطى وعصر النهضة غالباً ما يتم اكسابها بريقاً معدنياً ملوناً إما بالمضى أوالنحاس. وينتج هذا البريق عن استخدام طبقةٍ معدنيةٍ على السطح الشفاف أثناء عملية التزجيج. وقد تظل طبقة البريق أواللمعان مرئية لوكان للشريط مقاومة لأكسدة الجووظرف المناخ الأخرى.

وقد يكون البريق أواللمعان متواجداً بالطبقة نفسها، والتي تحتوى أوتشتمل على جسيمات الفضة والنحاس والمتناثرة بصورةٍ متجانسةٍ في المصفوفة الزجاجية بالخزف المصقول. وقد انتج الحرفيين المهنيين تلك الجسيمات النانوية من خلال إضافة النحاس وأملاح الفضة وكذلك الأكاسيد المتنوعة جميعها مع الخل وأكسيد الرصاص بالإضافة إلى الطين أوالصلصال، على سطح الأواني الفخارية المصقولة مسبقاً. ثم يتم وضح ذلك الجسم بعد ذلك داخل فرنٍ والذي يتم تسخينه ليصل إلى درجة حرارة 600 درجة مؤية في جوٍ تقليصيٍ.

وتصبح الطبقة المصقولة ملساء بعمل حرارة التسخين، مما يؤدي إلى نزوح أيونات النحاس والفضة إلى الطبقات الخارجية من تلك الطبقة المصقولة. ويُخَفِض جوالتخفيض الأيونات عائدةً إلى المعادن، والتي تتجمع بعد ذلك معاً مشكلةً الجسيمات النانوية والتي تعطي اللون والتأثيرات البصرية المقصودة.

ومن ثم فقد أظهرت أساليب التلميع حتى المهنيين القدامى كانت لديهم فهمً عمليةً أكثر تعقيداً بالمواد. كما نبع ذلك الأسلوب كذلك في العالم الإسلامي. ونتيجة أنه من المحرم على المسلمين حتى يستخدموا المضى في العروض الفنية، فقد فرض ذلك الوضع عليهم ضرورة الحاجة إلى إلى ابتكار طريقةٍ يحصلون منها على نفس التأثير بدون استخدام المضى الحقيقي. وكان الحل من خلال استخدام البريق أواللمعان.

وكان مايكل فاراداي أول من قدم وصفاً بمعناه الفهمي للخصائص والسمات البصرية للمعادن النانوية في ورقته البحثية الكلاسيكية عام 1857م. في حين أوضح الباحث (تيرنر) في ورقةٍ بحثيةٍ أخرى أن: "من المعروف جيداً عندما يتم وضع رقائق المضى أوالفضة على سطحٍ زجاجيٍ ثم يتم تسخينه لدرجة حرارة أقل من الحرارة الحمراء (~ 500 درجةٍ مئويةٍ)، يحدث تغيرٌ ملحوظٌ في الخصائص، حيث يتم إتلاف استمرارية الطبقة المعدنية. وتكون النتيجة حتى ينتقل الضوء الأبيض بحرية، ويتلاشى الانعكاس بصورة تلقائيةٍ نتيجةٍ لذلك، في حين تتزايد المقاومة الكهربائية."

الاتساق

تتطلب عمليتي المعالجة والهجريب الكيميائي للمكونات التقنية عالية الأداء بالقطاعات الخاصة، الصناعية والعسكرية استخدام الخزفيات عالية النقاء، المبلمرات، الخزف الزجاجي، وكذلك مركبات المواد. وفي الأجسام المكثفة المكونة من المساحيق الناعمة، غالباً ما تسفر أحجام وأشكال الجسيمات النانوية الغير منتظمة في المسحوق المثالي، عن مورفولوجياتٍ للتعبئة الغير متماثلة والتي ينتج عنها تباينات كثافة التعبئة في علبة المسحوق.

كما قد يثير تكتيل المساحيق اللاإرادي الناتج عن قوى فان دير فالس الجاذبة انعدام التجانس للبنيات الدقيقة. وترتبط الضغوط المتنوعة والتي تتطور نتيجةً لعملية الانكماش الغير متسقة مباشرةً مع المعدل الذي عنده يمكن إزالة المذيب، ومن ثم يصبح معتمداً بصورةٍ عاليةٍ على توزيع المسامية. وتصاحب تلك الضغوط عملية تحولٍ للبلاستيك إلى صورةٍ هشةٍ في الأجسام الصلبة، ومن ثمقد يكون قابلاً للامتداد المتصدع في الجسم المتسق لولم يتم تخفيفه.

هذا بالإضافة إلى حتى التقلبات التي تحدث في كثافة التعليب بالمادة المدمجة كما يتم إعدادها من أجل وضعها بالفرن غالباً ما تتضخم خلال عملية التلبيد، متضمنةً عملية التكثيف كذلك. كما تم توضيح حتى بعض المسام والعيوب البنائية الأخرى والمصاحبة لتباينات الكثافة تلعب دوراً حاسماً في عملية التلبيد من خلال النموومن ثم الحد من كثافة النقطة الطرفية. كما تم توضيح كذلك حتى الضغوط المتنوعة الناجمة عن عملية التكثيف المتغايرة قد تسفر عن انتشار الشقوق الداخلية، حيث تصبح العيوب حينئذٍ قوةً مسيطرةً.

نتيجةً لذلك يظهر أنه من المرغوب حتى يتم معالجة المادة بطريقةٍ تكون خلالها متسقةً فيزيائياً مع مراعاة توزيع المكونات والمسامية، بدلاً من استخدام توزيعات حجم الجسيم والتي تزيد وتضخم من الكثافة الخضراء. إذا احتواء التجمع المتفرق بصورةٍ موحدةٍ للجسيمات المتفاعلة بقوة في المحلول (المُعَلَق) تتطلب تحكماً تاماً في القوى الموجودة بين الجسيمات. وتوفر الجسيمات النانوية أحادية التشتت والغرويات مثل تلك الإمكانية.

وقد تستقر المساحيق أحادية التفريق للسيليكا الغروانية، على سبيل المثال، بصورةٍ كافيةٍ لضمان درجةٍ عاليةٍ من النظام بالكرسيتال أوالمادة الصلبة الغروانية كثيرة البلورات والتي تنجم عن عملية التجمع. وتتحدد درجة النظام بالوقت والمساحة المسموح بهما للارتباطات الناشئة ذات المدى الأطول. كما تعد تلك الهجريبات الغروانية كثيرة البلورات المعيبة العناصر الأساسية لفهم المواد الغروانية شبه دقيقة القياس، ومن ثم توفر المستوى الأولى في مجال تطوير فهماً أكثر دقة لآليات الارتقاء في البنيات الدقيقة في المواد والمكونات عالية الأداء.

الخصائص

مسحوق السيليكون النانوي

تلعب الجسيمات النانوية فائدةً كبيرةً حيث أنها تمثل جسراً للتواصل بين المواد السائبة والبنى الذرية والجزيئية. حيث يجب حتىقد يكون للمادة السائبة خصائص ثابتة فيزيائياً بغض النظر عن حجمها، إلا أنه غالباً ما يتم ملاحظة الخصائص القائمة على الحجم النانوي. ومن ثم، تغير خصائص المادة باقتراب حجمها من المقياس النانوي، حيث تصبح لنسبة الذرات على سطح المادة أهميتها الخاصة. أما بالنسبة للمواد السائبة والتي يزيد حجمها عن واحد ميكرون، فإن نسبة الذراتن على السطح ليست مهمة في علاقتها مع عدد الذرات في مجموع المادة. كما قد تعزوالخصائص المثيرة وفي بعض الأحيان غير المتسقطة للجسيمات النانوية بصورةٍ كبيرةٍ إلى مساحة سطح المادة الضخم، والتي تسيطر على التوزيعات التي تتم في مجموع تلك المادة.

وعلى سبيل المثال، غالباً ما تكون الجسيمات النانوية للمضى الأصفر والسيليكون الرمادي حمراء اللون؛ حيث تذوب جزيئات المضى عند درجات حرارةٍ أقل بمقدار(~ 300 درجةٍ مئويةٍ لحجم 2.5 نانومتر) عن ألواح المضى والتي تتطلب (1064 درجةٍ مئويةٍ)؛ كما حتى امتصاص الأشعة الشمسية في الخلايا الضوئيةقد يكون أعلى في المواد المكونة من جزيئات نانوية عن تلك المتواجدة في الطبقات الرقيقة بالألواح المستمرة للمادة – حيث أنه حدثا قل حجم الجسيم، حدثا تزايد امتصاص الأشعة الشمسية.

وتتضمن تغيرات الخصائص المعتمدة على الحجم والتي منها التقييد (الحبس) الكمومي quantum confinement في جزيئات أشباه الموصلات، وكذلك صدى سطح البلازمون surface plasmon resonance في بعض الجسيمات المعدنية، بالإضافة إلى البارامغناطيسية الفائقة superparamagnetism في المواد المغناطيسية. ومن المفارقات حتى تغيرات الخصائص الفيزيائية ليست دائماً غير مرغوبة. حيث حتى المواد العازلة كهربائياً الشفافة الأصغر منعشرة نانومتر لها القدرة على تحويل إتجاه مغناطيسيتها استخدام الطاقة الحرارية لدرجة حرارة الغرفة، ومن ثم تصبح غير ملائمة لتخزين الذاكرة.

صار ممكناً الحصول على المعلقات من الجسيمات النانوية منذ حتى أصبح تفاعل سطح الجسيم مع المذيب قوياً بدرجةٍ كافيةٍ للتغلب على اختلافات الكثافة، والتي دون ذلك غالباً ما ينجم عنها مادةً إما تطفوأوتغوص في السائل. كما توجد للجسيمات النانوية خصائصاً بصريةً غير متسقطةٍ حيث أنها صغيرة بدرجةٍ كافيةٍ لتحجز الإلكترونات وتسفر عن ظهور مجموعةٍ من التأثيرات الكمومية. وعلى سبيل المثال جسيمات المضى النانوية تظهر حمراء غامقة اللون إلى سوداء في المحلول.

وتوفر مساحة السطح العالية إلى نسبة حجم الجزيئات النانوية قوةً هائلةً دافعةً للانتشار، وخاصةً في درجات الحرارة المرتفعة. إلا حتى عملية التلبيد قد تقع في درجات حرارةٍ أقل، وعلى مستويات زمنيةٍ أقصر كذلك عن تلك المطلوبة للجسيمات الأكبر حجماً. إلا حتى هذا لا يؤثر نظرياً على كثافة المنتج النهائي، ذلك على الرغم من حتى تدفق الصعوبات ونزعة الجسيمات النانوية للتكتل والتجمع تعقد من الأمور. علاوةً على ذلك، فقد عثر حتى الجزيئات النانوية تنقل بعض الخصائص الإضافية الأخرى لمنتجات الحياة اليومية. وعلى سبيل المثال، وجود الجسيمات النانوية لثاني أكسيد التيتانيوم تنقل ما نطلق عليه التأثير ذاتي التنظيف، وأن الحجمقد يكون في مدى القياس النانوي، ومن ثم لا يمكن ملاحظة الجسيمات. وقد عثر حتى لجسيمات أكسيد الزنك خصائصٌ معيقةٌ واقيةً من الأشعة فوق البنفسجية بصورةٍ أقوى مقارنةً ببديلها السائب. وهذا يمثل أحد الأسباب الكامنة وراء غالبية استخدامها في إعداد المستحضرات المضادة لأشعة الشمس. هذا بالإضافة إلى حتى صورتها غالباً مستقرة.

وتزيد جزيئات الطين النانوية من التعزيز في حالة اندماجها مع مصفوفات البوليمر، مما يسفر عن إنتاج بلاستيكيات أقوى، والتي تتسم بأنها يمكن التثبت منها من خلال درجة حرارة تحول زجاجي أعلى بالإضافة إلى اختبارات الخواص الميكانيكية الأخرى. وتتسم تلك الجسيمات النانوية بالصلابة والتي تنقل خصائصها إلى البوليمر (البلاستيك). كما تم توصيل الجسيمات النانوية كذلك بالألياف النسيجية بهدف إنتاج أقمشة ذكية وظيفية.

أصبح من الممكن تصنيع جسيمات الفلزات والعوازل الكهربائية وأشباه الموصلات النانوية، بالإضافة إلى الهياكل الهجينة (ومنها مثلاً قذيفة المحور أوالجوهر. كما يمكن تصنيف الجسيمات النانوية المصنعة من مادة شبه موصلة على أنها من النقاط الكمومية وذلك لوكان حجمها صغيراً بصورةٍ كافيةٍ (عادةً ما تكون أقل منعشرة نانومتر) حيث يحدق هنا تكميماً لمستويات الطاقة الكهربائية. وتستخدم مثل تلك الجزيئات النانوية في مجال التطبيقات الطبية الحيوية ومنها ناقل الدواء أوعوامل التصوير.

كما أُمكن تصنيع الجسيمات النانوية شبه الصلبة واللينة كذلك. وتعد الحويصلية أحد أنماط لاجسيمات النانوية لطبيعة المواد شبه الصلبة. وتستخدم الكثير من أشكال الجسيمات النانوية الحويصلية في العيادات العلاجية كأنظمة التوصيل للأدوية المقاومة للسرطانات والتطعيمات.

التصنيع

تتواجد الكثير من الطرق لتصنيع الجسيمات النانوية ومنها الاحتكاك أوالاستنزاف والانحلال الحراري. ففي عملية الاحتكاك تحتك الجزيئات الكبيرة والدقيقة في طاحونةٍ كرويةٍ كوكبيةٍ، أوأية آليةٍ أخرى لتقليص الحجم. وتصنف الجزيئات الناجمة على أنها هوائية بهدف استرجاع الجسيمات النانوية. أما في عملية الانحلال الحراري تجبر السوائل والغازات على المرور عبر فتحةٍ في ظروف الضغط العالي أوالاحتراق. حيث تصنف المادة الصلبة (صورةً من صور الدخان الأسود) الناجمة على أنها هوائية بهدف استرجاع جزيئات الأكسيد من تلك الغازات الناجمة عن عملية الانحلال تلك. وغالباً ما ينجم عن عملية الانحلال الحراري تجمعاتٍ وكتلٍ بدلاً من جزيئاتٍ أوليةٍ منفردةٍ.

ويمكن إنتاج الطاقة المطلوبة لتبخير الجزيئات دقيقة الحجم من خلال البلازما الحرارية. وتندرج درجات حرارة البلازما الحرارية ضمن مجال ترتيب 10000 ك، والتي تسهل من تبخر المسحوق الصلب، حيث تتشكل الجسيمات النانوية في أثناء عملية التبريد خلال نفاذها من منطقة البلازما. وتعد أبرز صور بطاريات البلازما الحرارية والمستخدمة في مجال تصنيع الجسيمات النانوية بطارية dc plasma jet وبطارية dc arc plasma وكذلك بطارية بلازما إنتاج ترددات الراديو. وما يحدث في مفاعلات بلازما القوس (arc plasma) هوحتى الطاقة اللازمة لعملية التبخر ورد العمل يتم توفيرها من خلال قوس إلكتروني والذي يتشكل تحت ضغط جوي. ويتم التبريد السريع للخليط الناجم من غاز البلازما وبخار السيليكون من خلال تبريده مع الأكسجين، وبالتالي ضمان جودة منتج السيليكا المتبخرة. أما في بطاريات بلازما إنتاج ترددات الراديو، فإن الطاقة المصاحبة للبلازما تستكمل من خلال مجال كهرومغناطيسي منتج بواسطة ملف التخليق. ولا يتصل غاز البلازما مع الأقطاب الكهربائية، وبالتالي يمحوالمصادر المتاحة للاحتواء ومن ثم يسمح بحدوث عملية مثل بطاريات البلازما تلك والمصاحبة لقطاع عريض من الغازات ومنها الخاملة والمقلصة والمؤكسدة والأجواء التآكلية الأخرى.

ويترواح التردد العامل فيما بين 200 كيلوهيرتز و40 ميجا هيرتز. حيث تعمل الوحدات المعملية تحت مستويات قوة بترتيب من 30- إلى 50 ك وات، في حين أ، الوحدات الصناعية الضخمة قد تم اختبارها تحت مستويات قوة تصل إلى 1 ميجا وات. وبما حتى وقت الإقامة لقطرات التغذية المحقونة في البلازما قصيرٌ جداً، فمن المهم حتى تكون أحجام القطرات صغيرةً بصورةٍ مكافيةٍ لإحداث عملية تبخرٍ كاملٍ. واستخدمت طريقة بلازما إنتاج التردد بهدف هجريب وتصنيع مواد الجسيمات النانوية المتنوعة، وعلى سبيل المثال هجريب جسيمات الخزف النانوية المتنوعة ومنها أكاسيد، كربورات، كربيدات ونيتريدات للـ (Ti وSI) (انظر تقنية إنتاج البلازما).

وغالباً ما يستخدم تكثيف الغازات الخاملة في عملية إنتاج الجسيمات النانوية من المعادن ذات نقاط الزوبان المنخفضة. حيث يتبخر المعدن في غرفةٍ محكمةٍ ثم يتم تبريده بصورةٍ فائقةٍ مع تدفقٍ لتيار غازٍ خاملٍ. ثم يتكثف البخار المعدني المبرد بشدة ليصبح في صورة جزيئاتٍ نانوية الحجم، والتي يجرها تيار الغاز الخامل المتدفق ويرسبها في طبقةٍ سفليةٍ.

تقنية الصل-جل

تمثل عملية الصل-جيل أسلوب كيميائي رطب والتي تعهد أيضاً بأنها (عملية ترسيب المحلول اليكميائي)، حيث تستخدم حديثاً في مجالات علوم المواد وهندسة السيراميك أوهندسة الخزف. وتستخدم تلك الطرق بصورةٍ أساسيةٍ في تصنيع المواد (وبصورةٍ متماثلة الأكسيد المعدني) بدايةً من المحلول الكيميائي (وتشير صول إلى المحلول) والذي يمثل سابقةً لشبكةٍ متكاملةٍ (أوجل) من جزيئاتٍ متبترةٍ أوشبكات المبلمرات.

ومن السوابق المماثلة كلٌ من اللافلزات القابلة للاشتعال الكلوريد الفلزي، واللذان يسفران عن وقوع تفاعلي الحلمأة والتكثيف المتعدد للجزيئات وذلك بهدف تشكيل إما شبكة من "نسيج ممطوط صلب"" أومحلول غرواني (أوعملية تشتت أوتذبذب) – وهونظام مكون من جزيئات دقيقة الصغر متبترة (غالباً ما تكون مادة لابلورية) والتي تتشتت أوتتبعثر إلى درجاتٍ عدةٍ في السائل العائل لها. وتتضمن عملية تكوين أكسيد المعدن أوالفلز ربط مراكز المعدن بواسطة روابط أوجسورoxo (M-O-M) وhydroxo (M-OH-M)، ومن ثم إنتاج بوليمرات OXO فلزية أوبوليمرات hydroxo المعدنية بالمحلول. ومن ثم يرتقي المحلول نحوتكوين أنظمة شبيهة بالجيل أوالهلام مزدوجة الفترة والتي تشتمل على كلٍ من الفترة السائلة والفترة الصلبة واللتين يتراوح تشكيلهما من الجزيئات المتبترة إلى شبكات البوليمر المستمرة.

أما في حالة الغروانيات، فإن تكسير حجم الجسيمات (أوكثافة الجسيم) قد تكون منخفضة جداً بصورةٍ تجعل كميةً ضروريةً من السائل في حاجةٍ ليتم إزالتها مبدئياً من أجل التعهد على الخصائص المادة الشبيهة بالهلام. ويمكن استكمال مثل تلك العملية من خلال مجموعةٍ من الطرق. إلا حتى أسهلها إتاحة الوقت الكافي لحدوث الترسيب، ومن ثم سكب باقي السائل. كما يمكن الاستفادة من عملية التثفيل في تسريع عملية انفصال الفترة.

تتطلب فترة إزالة السائل المتبقي (المذيب) عملية تجفيف، والتي يصاحبها بصورةٍ مطابقةٍ مقدارٍ ضروريٍ من الانكماش والتكثيف. ويتحدد المقدار الذي يمكن عنده التخلص من المذيب بواسطة توزيع المسامية بالجل أوالهلام. ومن ثم سيتأثر أقصى هجريبٍ دقيقٍ للمنتج النهائي بصورةٍ واضحةٍ قويةٍ بالتغيرات التي تم تطبيقها خلال تلك الفترة من عملية المعالجة. بعد ذلك، غالباً ما تكون هناك حاجةً ضروريةً للمعالجة الحرارية أوالمعالجة بالنار بهدف لصالح مزيدٍ من التكثيف البوليمري وزيادة الخواص الميكانيكية والثبات البنائي من خلال عمليات التلبد النهائي، التكثيف، ونموالحبوب. كما تتمثل أحد المزايا البارزة لاستخدام تلك المنهجية المناقضة لأساليب المعالجة الأكثر تقليديةٍ في حتى التكثيف غاباً ما يمكن الحصول عليه في درجات حرارةٍ أكثر انخفاضاً.

يمثل أسلوب (صول-جيل) تقنيةً رخيصةً ومنخفضة الحرارة والتي تسمح بالتحكم بالهجريب الكيميائي للمنتج. حتى الكميات الصغيرة من عوامل الإشابة ومنها الأصباغ العضوية والمعادن الأرضية النادرة يمكن تقديمها ضمن منتجات الجل أوالهلام والتي ينتهي بها الحال بالتفرق والتشتت بصورةٍ متسقةٍ في المنتج النهائي. وهي قد تستخدم في عملية معالجة إنتاج الخزف وتصنيعه كذلك كمادة صبٍ للاستثمار أوكوسيلةٍ لإنتاج رقائقٍ رفيعةٍ من الأكاسيد المعدنية المستخدمة للأغراض المتنوعة. كما تتواجد الكثير من التطبيقات للمواد المشتقة من تقانة (صول-جل)، سواءً في مجال البصريات الإلكترونيات الطاقة والفضاء وكذلك الاستشعار الحيوي، بالإضافة إلى مجال الطب (على سبيل المثال عرض الأدوية الخاضعة للرقابة) وعملية الفصل (ومثال ذلك تقنية التفريق اللوني أوالاستشراب).

المواد الغروية (الغروانيات)

نجمات نانوية لأكسيد فاناديوم رباعي

استخدم مصطلح غرواني بصورةٍ مبدئيةٍ لوصف قطاعٍ عريضٍ من خليط السائل –الصلب (و/ أوالسائل-السائل)، حيث يحتوي كلٌ منهما على جزيئاتٍ صلبةٍ متبترةٍ (و/ أوسائلةٍ) واليت تتناثر لدرجاتٍ مختلفةٍ من الوسيط السائل. وقد خصص ذلك المصطلح لحجم الجسيمات الفردية والتي تكون أكبر من أبعاد النواة ولكنها صغيرةً بصورةٍ كافيةٍ لعرض الحركة البراونية. فلوكانت الجسيمات كبيرةٍ بصورةٍ كافيةٍ، فإن سلوكها الدينامي في أية لحظةٍ معينةٍ من الزمن في المحلول يتم التحكم فيها وضبطها من خلال قوى الجاذبية والترسب. أما لوكانت أحجامها صغيرةً بصورةٍ كافيةٍ لتتشكل كغروانيات أوغرويات، فإن حركتها العشوائية بالمحلول قد تعزوإلى القصف الجماعي لعددٍ لامتناهٍ من الجزيئات المهتاجة حرارياً بالوسيط المعلق أوالمحلول السائل، وذلك كما قام ألبرت أينشتاين بوصفه في أطروحته الفهمية. حيث أثبت أينشتاين وجود جزيئات الماء من خلال الإقرار حتى سلوك الجسيم الغير منتظم ذلك يمكن وصفه على نحوٍ كافٍ باستخدام نظرية الحركة البراونية، حيثقد يكون الترسيب نتيجةً متسقطةً طويلة الأمد. ويتراوح ذلك المدى الحرج في الحجم (قياس الجسيم) من (10⁻⁹ م) نانومتر إلى (10⁻⁶ م) ميكرومتر.

المورفولوجيا

اعتاد الفهماء تسمية جسيماتهم تيمناً بالأشكال الواقعية المحيطة بهم والتي قد يمثلونها. حيث ظهرت في أطروحاتهم الفهمية وأدبياتهم الكثير من تلك المصطلحات ومنها الكرات النانوية، الشعاب النانوية، والصناديق النانوية. كما قد تظهر تلك الأشكال كتأثيرٍ تلقائيٍ لعامل نموذجي أوموجه متواجد في الهجريبات ومنها مستحلبات مسيلية أومسام أكسيد الألومونيوم، أوأنها قد تتواجد من أنماط النموالكريستالية الفطرية والخاصة بالمواد نفسها. كما حتى بعض تلك الأشكال قد تخدم هدفاً خاصاً في حد ذاته ومنها الأنابيب النانوية الكربونية الطويلة والمستخدمة لوصل تقاطعاً كهربائياً، أوحتى مجرد للفضول الفهمي ومنها النجمات المتواجدة على يسار النص.

وغالباً ما تتخذ الجسيمات الغير بلورية أشكالاً كرويةً (وذلك نتيجة توحد خواصها التريكيبية الدقيقة) – في حين تتماثل الشعيرات الكريستالية الدقيقة متغايرة الشكل مع طبيعتها البلورية الخاصة. ويتم الإشارة إلى النهاية الصغيرة لمدى الحجم علها أنها تجمعٌ. وتمثل كلٌ من الكرات والقضبان والألياف بالإضافة إلى الكؤوس نماذجاً للأشكال التي تتخذها الجسيمات في نموها. وتسمى دراسة الجسيمات الدقيقة micromeritics.

الوصف

تمثل عملية وصف الجسيمات النانوية فترةً ضروريةً لفهم وضبط كلٍ من مجالي هجريب وتطبيقات الجسيمات النانوية. وتتم عملية الوصف من خلال استخدام مجموعةٍ متنوعةٍ من التقنيات والتي تشتق أساساً من فهم المواد. ومن التقنيات العامة المجهر الإلكتروني الماسح (TEM, SEM)، مجهر الطاقة الذرية (AFM)، تبعثر الضوء الديناميكي (DLS)، مطيافية أشعة اكس الضوئية الالكترونية (FTIR)، حيود المسحوق بالأشعة السينية (XRD)، مطياف تحويل فورييه بالأشعة تحت الحمراء (FTIR)، مصفوفة امتزاز الليزر/وقت التأيين الخاص بطيف الكتلة الطيران (MALDI-TOF)، طيف الأشعة فوق البنفسجية المرئية، تداخل ثنائي الأقطاب والرنين النووي المغناطيسي (NMR).

في حين كانت النظرية معروفة منذ ما يقرب على قرنٍ من الزمن (انظر روبرت براون)، إلا حتى تقنية التحليل التتبعي لتقانة النانو(NTA) تسمح بالتتبع المباشر للحركة البراونية ومن ثم تتيح تلك الطريقة بتحديد حجم الجسيمات الفردية بالمحلول.

السلامة

انظر أيضاً: فهم السموم النانوي، الجسيم وتنظيم تقنية النانو

تمثل الجسيمات النانوية مصدراً للخطورة المحتملة سواءً الطبية أوالبيئية. ويرجع معظم تلك المخاطر إلى ازدياد نسبة السطح إلى الحجم، والتي تجعل من الجسيمات متفاعلةً بصورةٍ عاليةٍ أومحفزةً كذلك. كما أنها أيضاً قادرةً على النفاذ خلال أغشية الخلية بالكائنات الحية، بالإضافة إلى حتى تفاعلاتها مع الأنظمة البيولوجية الحيوية مجهولة. على الرغم من ذلك، تميل الجسيمات النانوية الحرة في البيئة إلى التكتل والتجمع ومن ثم تغادر النظام النانوي، كما توفر الطبيعة ذاتها الكثير من الجسيمات النانوية والتي قد تكون الكائنات الحية على الأرض طورت من مناعتها تجاهها (ومنها جزيئات الملح من الضبوب المحيطي التربين من النباتات، بالإضافة إلى الغبار المنبعث من الانفجارات البركانية. هذا بالإضافة إلى حتى المزيد من المعلومات تم رصدها في منطقة تقانة الصغائر

وبناءً على ما ورد بجريدة سان فرانسيسكوكرونيكل: "أوضحت دراسات الحيوان حتى بعض الجسيمات النانوية قد تخترق الخلايا والأنسجة، وتتحرك خلال الجسد والمخ مسببةً تلفاً كيميائياً حيوياً. هذا بالإضافة إلى حتى الجسيمات النانوية أوضحت حتى لها مخاطراً على الرجال نتيجة الإصابة بسرطان الخصية. إلا حتى الافتراض بأن مستحضرات التجميل وكريمات الوقاية من أشعة الشمس والمحتوية على مواداً نانويةً تحمل في طياتها مخاطر للصحة ما زال مجهولةً وغير مثبتةً، ريثما يتم الانتهاء من الدراسات طويلة المدى والتي بدأتها إدارة الغذاء والدواء الأمريكية وغيرها من الوكالات الأخرى." كما عثر حتى جسيمات الديزل النانوية تسبب ضرراً بالجهاز الدوري عند نموذج فأر.

هوامش

1 ويسميه البعض الجسيم متناهي الصغر

انظر أيضا

هندسة السيراميك
تكسية
غرواني
جسيم نانوي مغناطيسي
تقانة نانوية حيوية
مواد نانوية
تقانة الصغائر
نقطة كمومية
سيليكا
فضة نانوية
تقنية الصل-جل
مسبار النانو(جهاز)

المراجع

^ Cristina Buzea, Ivan Pacheco, and Kevin Robbie (2007). "Nanomaterials and Nanoparticles: Sources and Toxicity". Biointerphases. 2: MR17–MR71. مؤرشف من الأصل في 14 أبريل 2020. صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفون (link)
^ ASTM E 2456 – 06 Standard Terminology Relating to Nanotechnology نسخة محفوظة 28 أغسطس 2017 على مسقط واي باك مشين.
^ Fahlman, B. D. (2007). . Springer. صفحات 282–283. ISBN . مؤرشف من الأصل في 21 سبتمبر 2014.
^ A.B.D. Nandiyanto; S.-G Kim; F. Iskandar; and K. Okuyama 2009 447–453
^ Philip S. Rawson (1984). . University of Pennsylvania Press. ISBN . مؤرشف من الأصل في 21 سبتمبر 2014.
^ Faraday, Michael (1857). "Experimental relations of gold (and other metals) to light". Phil. Trans. Roy. Soc. London. 147: 145–181. doi:10.1098/rstl.1857.0011.
^ Beilby, G.T. (1903). "The Effects of Heat and of Solvents on Thin Films of Metal". Proc. Roy. Soc. A. 72: 226. مؤرشف من الأصل في 12 مايو2020.
^ Turner, T. (1908). "Transparent Silver and Other Metallic Films". Proc. Roy. Soc. Lond. A. 81 (548): 301. مؤرشف من الأصل في 12 مايو2020.
^ Edited by George Y. Onoda, Jr., and Larry L. Hench (1979). Onoda, G.Y., Jr. and Hench, L.L. Eds (المحرر). Ceramic Processing Before Firing. New York: Wiley & Sons. ISBN . صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفون (link) صيانة CS1: نص إضافي: قائمة المؤلفون (link)
^ Aksay, I.A., Lange, F.F., Davis, B.I. (1983). "Uniformity of Al2O3-ZrO2 Composites by Colloidal Filtration". J. Am. Ceram. Soc. 66: C-190. doi:10.1111/j.1151-2916.1983.tb10550.x. صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفون (link)
^ Franks, G.V. and Lange, F.F. (1996). "Plastic-to-Brittle Transition of Saturated, Alumina Powder Compacts". J. Am. Ceram. Soc. 79: 3161. doi:10.1111/j.1151-2916.1996.tb08091.x. صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفون (link)
^ Evans, A.G. and Davidge, R.W. (1969). "The strength and fracture of fully dense polycrystalline magnesium oxide". Phil. Mag. 20 (164): 373. doi:10.1080/14786436908228708. صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفون (link)
^ J Mat. Sci. 5: 314. 1970. مفقود أوفارغ |title= (مساعدة)
^ Lange, F.F. and Metcalf, M. (1983). "Processing-Related Fracture Origins: II, Agglomerate Motion and Cracklike Internal Surfaces Caused by Differential Sintering". J. Am. Ceram. Soc. 66: 398. doi:10.1111/j.1151-2916.1983.tb10069.x. صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفون (link)
^ Evans, A.G. (1987). "Considerations of Inhomogeneity Effects in Sintering". J. Am. Ceram. Soc. 65: 497. doi:10.1111/j.1151-2916.1982.tb10340.x.
^ Whitesides, G.M.; et al. (1991). "Molecular Self-Assembly and Nanochemistry: A Chemical Strategy for the Synthesis of Nanostructures". Science. 254: 1312. doi:10.1126/science.1962191. Explicit use of et al. in: |المؤلف= (مساعدة)
^ Dubbs D. M, Aksay I.A. (2000). "Self-Assembled Ceramics". Ann. Rev. Phys. Chem. 51: 601. doi:10.1146/annurev.physchem.51.1.601.
^ Buffat, Ph.; Burrel, J.-P. (1976). "Size effect on the melting temperature of gold particles". Physical Review A. 13 (6): 2287. doi:10.1103/PhysRevA.13.2287.
^ Sergey P. Gubin (2009). Magnetic nanoparticles. Wiley-VCH. ISBN .
^ "Sunscreen". U.S. Food and Drug Administration. مؤرشف من الأصل في 16 سبتمبر 2013.
^ Mitchnick, MA; Fairhurst, D; Pinnell, SR (1999). "Microfine zinc oxide (Z-cote) as a photostable UVA/UVB sunblock agent". Journal of the American Academy of Dermatology. 40 (1): 85–90. PMID 9922017.
^ "The Textiles Nanotechnology Laboratory". مؤرشف من الأصل في 15 أكتوبر 2018.
^ Brinker, C.J. (1990). Sol-Gel Science: The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing. Academic Press. ISBN .
^ L.L.Hench, J.K.West; West, Jon K. (1990). "The Sol-Gel Process". Chem. Rev. 90: 33–72. doi:10.1021/cr00099a003.
^ Klein, L. (1994). . Springer Verlag. ISBN . مؤرشف من الأصل في 21 سبتمبر 2014.
^ Robert Corriu, Nguyên Trong Anh (2009). . John Wiley and Sons. ISBN . مؤرشف من الأصل في 21 سبتمبر 2014.
^ Pais, A. (2005). . Oxford University Press. ISBN . مؤرشف من الأصل في 14 أبريل 2014.
^ Agam, M. A.; Guo, Q (2007). "Electron Beam Modification of Polymer Nanospheres". Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 7 (10): 3615. doi:10.1166/jnn.2007.814. PMID 18330181.
^ Choy J.H., Jang E.S., Won J.H., Chung J.H., Jang D.J., and Kim Y.W. (2004). "Hydrothermal route to ZnO nanocoral reefs and nanofibers". Appl. Phys. Lett. 84: 287. doi:10.1063/1.1639514. صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفون (link)
^ Sun, Y; Xia, Y (2002). "Shape-controlled synthesis of gold and silver nanoparticles". Science. 298 (5601): 2176–9. doi:10.1126/science.1077229. PMID 12481134. صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفون (link)
^ Murphy, Cj (2002). "Materials science. Nanocubes and nanoboxes". Science. 298 (5601): 2139–41. doi:10.1126/science.1080007. PMID 12481122.
^ Mnyusiwalla, Anisa; Daar, Abdallah S; Singer, Peter A (2003). "Mind the gap : science and ethics in nanotechnology". Nanotechnology. 14: R9. doi:10.1088/0957-4484/14/3/201.
^ Ying, Jackie (2001). . New York: Academic Press. ISBN . مؤرشف من الأصل في 21 سبتمبر 2014.
^ Keay Davidson. "FDA urged to limit nanoparticle use in cosmetics and sunscreens". سان فرانسيسكوكرونيكل. مؤرشف من الأصل في 24 مارس 2012. اطلع عليه بتاريخ 20 أبريل 2007.
^ Study Pollution Particles Lead to Higher Heart Attack Risk (Update1)نسخة محفوظة 01 أكتوبر 2015 على مسقط واي باك مشين.
^ إعلان مؤتمر - جامعة الزقازيق^{[وصلة مكسورة]}نسخة محفوظة 25 مارس 2020 على مسقط واي باك مشين.

وصلات خارجية

Nanohedron.com صور للجسيمات النانوية
اكتساب وتقييم والعرض العام للبيانات والنتائج الاجتماعية للمواد النانوية
جمعية الحويصلية الدولية
معمل تقانة النانوللألياف at جامعة كورنيل
تقييم المخاطر الصحية للجسيمات النانوية ملخصاً أعده جرين فاكتس بالمفوضية الأوروبية اللجنة الفهمية لتقييم المخاطر الصحية الحديثة
مواد نانوية
جسيمات نانوية تستخدم في تحويل الطاقة الشمسية (فهم يوميا).
تطبيقات الجسيمات النانوية في مجالي الأحياء والطب
تطبيقات الجسيمات النانوية
مجلة أبحاث الجسيمات النانوية
مؤتمرات واجتماعات الجسيمات النانوية
محاضرات عن جميع مراحل فهم وتقنية الجسيمات النانوية